Úvod do bateriových systémů elektrických vozidel
Návrh elektrického vozidla je komplexní koncept. Zde je pohled na srdce každého EV: baterie.
Základním kamenem každého elektrického vozidla (EV) je baterie. Baterie musí být navržena tak, aby splňovala požadavky motorů a systému dobíjení používaných ve vozidle.
To zahrnuje fyzická omezení, jako je efektivní balení uvnitř karoserie pro maximalizaci kapacity. Jako hlavní přispěvatel hmotnosti v elektrickém vozidle musí designéři také vzít v úvahu umístění baterie ve vozidle, protože může ovlivnit energetickou účinnost a jízdní vlastnosti vozidla (obvykle se baterie nacházejí pod podlahou vozidla).
Níže je uveden přehled některých specifikací, bezpečnostních hledisek a systémů správy, které spadají pod konstrukci baterií EV.
Specifikace baterie EV – napětí a kapacity
Baterie elektrického vozidla se skládá ze stovek malých článků obvykle uspořádaných do sériové / paralelní konfigurace, aby se dosáhlo požadovaného napětí a kapacity v konečném balení. Pro dosažení požadovaného napětí je v sérii vytvořen společný balíček bloků 18-30 paralelních článků. Například nominální balíček 400 V bude mít obvykle přibližně 96 sériových bloků (jako v Tesla Model 3).
Společné napětí balíčku u stávajících vozidel se pohybuje od 100 V do 200 V u hybridních / plug-in hybridních vozidel a od 400 V do 800 V a více pouze u elektrických vozidel. Je to proto, že vyšší napětí umožňuje přenášet více energie na stejný průměr (a uzemnění) měděného drátu s menšími ztrátami.
Příklad systému baterií EV s jednotlivými články v sérii.
Nevýhody vyšších napětí zahrnují potřebu komponent s vyšším napětím v celém systému. Rovněž se vyhýbají možnosti používat rychlonabíjecí stanice stejnosměrného napětí s nízkým napětím, aniž by do palubní nabíječky přidali nějaký druh převaděče DC-DC.
Na druhou stranu jsou běžné rozsahy kapacity baterie následující:
- Hybridní vozidla: 0,5 až 2 kWh
- Plug-in hybridní vozidla: 4 až 20 kWh
- Elektrická vozidla: 30 až 100 kWh nebo více.
Bezpečnost baterie EV: stykače (a pojistky Pyro)
Baterie představuje mnoho bezpečnostních výzev, pokud jde o design, stejně jako vysoké napětí v nich trvale obsažené.
Uvnitř baterie jsou před výstupním konektorem pojistky, obvykle na kladné a záporné straně. Speciální utěsněná vysoce proudová relé známá jako stykače připojují vnitřní pojistky k baterii.
Degradace sady relé Panasonic EV / stejnosměrných stykačů (vlevo) a jednoho stykače. Panasonic obrázky
Stykače zahrnují funkce, jako jsou obětavé kontakty, které zabraňují zvýšenému odporu v důsledku důlkové korekce kontaktů. Často také obsahují pomocný kontakt k detekci vnitřního zdroje, ke kterému může dojít, když je stykač otevřen úmyslně nebo když jím protéká velký proud.
Napájení cívky stykače je obvykle vedeno přes blokovací obvod HVIL nebo vysokého napětí, který vede podél všech vysokonapěťových komponent v systému i vysokonapěťových kabelů (obvykle umístěných v každém konektoru). ), takže stykač nemůže napájet sepnutí, pokud nejsou všechna vysokonapěťová připojení správně připojena k baterii.
Stykač předběžného nabíjení se sepne před hlavními stykači, aby umožnil protékání malého proudu do systému velkým odporem. To omezuje zapínací proud ve všech velkých kondenzátorech v systému a umožňuje systému správy baterie detekovat zkraty před dokončením cesty vysokého proudu.
Izolace je obvykle nepřetržitě sledována na obou stranách hlavních stykačů a dojde k poruše, pokud izolace na obou stranách vysokonapěťového systému k zemi klesne pod 500 ohmů na volt.
Tesla také přidala nové bezpečnostní zařízení známé jako pyro pojistka do svých modelů 3 a novějších balíčků. Toto zařízení se otevírá malým pyrotechnickým nábojem, pokud jsou stykače pájeny, což jim umožňuje používat méně robustní stykače. Někdy je na výstupu z baterie zahrnut vybíjecí odpor a stykač, aby bylo zajištěno, že se systém po vypnutí aktivně vybije na bezpečné napětí.
PCB monitorování EV baterie
Bloky článků baterie musí být zkontrolovány a vyváženy a pro splnění tohoto úkolu jsou součástí balení speciální desky plošných spojů. Jelikož se reference každé desky na zem bude lišit stovky voltů od sebe navzájem a od hlavního BMS (systém správy baterií), měly by tyto desky obsahovat izolované komunikační rozhraní.
Tyto karty monitorují napětí a teplotu každého bloku, jakož i teplotu propojení mezi bloky. Obsahují také malé skupiny odporu, aby splnily úkol vyvážení.
Bloky buněk uvnitř balení by měly být udržovány v několika milivoltech od sebe, aby bylo možné přenášet maximální výkon dovnitř a ven z balíčku. Kvůli inherentním rozdílům ve výrobě buněk se některé bloky načítají nebo vybíjejí o něco rychleji než jiné. Aby se tomu zabránilo, provádí se během nabíjení vyvážení, které z bloků vysokého napětí čerpá malé množství energie a přibližuje je k sobě.
Tyto karty pro monitorování bloků také poskytují další funkci zabezpečení paketů, která umožňuje velmi přesné sledování teploty buněk a propojení v rámci balíčku. Například v případě poškozených buněk to znamená, že může dojít k poruše dříve, než dojde k vážnému poškození nebo dokonce k požáru.
Systémy pro správu baterií (BMS)
A konečně, systém správy baterie, nebo BMS, jak je obecně známo, řídí úkol monitorování a řízení všech aspektů baterie.
Aktuální konce hlásí různá data do BMS, včetně celkového zatížení přeneseného dovnitř a ven z balíčku. Měření napětí před a za stykači zajišťuje monitorování napětí systému v balíčku. Obvody řízení stykače a ekonomizéru řídí sepnutí stykače a minimalizují statický proud v cívkách po vytvoření kontaktů.
BMS je také v neustálé komunikaci s blokovými deskami za účelem monitorování napětí a teploty článků a vyvážení regulace.
Blokové schéma referenčního designu pro 400V baterii. Obrázek z Texas Instruments
Celková teplota systému a konektoru je sledována u vysoce odporových spojení způsobených uvolněnými konektory nebo šrouby.
Izolace systému a balíčku je také neustále sledována a mohou být zahrnuty další potenciálně redundantní bezpečnostní funkce. BMS také poskytuje komunikační rozhraní se zbytkem vozidla přes sběrnici Ethernet nebo CAN, kterou komunikuje se střídačem, nabíječkou a dalšími systémy. Vypočítává a poskytuje limity nabíjecího a vybíjecího proudu, stav balení a stav nabití a upozorňuje ostatní systémy, aby je bylo možné otevřít bez zátěže, když je v ideálním případě nutné rozpojit stykače.
Tím je dokončen náš objev baterie, srdce elektromobilu. Pokud se chcete dozvědět více o anatomii EV, dejte nám vědět v komentářích níže!
