Введение в аккумуляторные системы для электромобилей

Дизайн электромобиля - это сложная концепция. Взглянем на сердце каждого электромобиля:аккумулятор.

Дизайн электромобиля - сложное понятие. Взглянем на сердце каждого электромобиля:аккумулятор.

Основным элементом любого электромобиля (электромобиля) является его аккумулятор. Аккумулятор должен быть спроектирован таким образом, чтобы удовлетворять требованиям двигателя (ей) и системы зарядки, которые используются в транспортном средстве.

Сюда входят физические ограничения, такие как эффективная упаковка в кузове транспортного средства для максимального увеличения вместимости. В качестве основного фактора, влияющего на вес электромобиля, дизайнеры также должны учитывать размещение аккумулятора в транспортном средстве, поскольку оно может повлиять на энергоэффективность и характеристики управляемости транспортного средства (как правило, поэтому вы часто будете видеть аккумуляторы, размещенные под днищем автомобиля). .

Вот обзор некоторых спецификаций, соображений безопасности и систем управления, которые входят в конструкцию аккумуляторной батареи электромобиля.

Характеристики аккумулятора электромобиля:напряжение и емкость

Аккумулятор электромобиля часто состоит из многих сотен небольших отдельных ячеек, расположенных в последовательно / параллельной конфигурации для достижения желаемого напряжения и емкости в окончательной упаковке. Обычный блок состоит из блоков по 18-30 параллельных ячеек, соединенных последовательно для достижения желаемого напряжения. Например, в батарее с номинальным напряжением 400 В часто будет около 96 блоков (как в Tesla Model 3).

Стандартные номинальные напряжения аккумуляторной батареи в современных транспортных средствах находятся в диапазоне от 100 до 200 В для гибридных / сменных гибридных автомобилей и от 400 до 800 В и выше для транспортных средств, работающих только на электромобилях. Причина этого в том, что более высокое напряжение позволяет передавать больше мощности с меньшими потерями по тому же диаметру (и массе) медного кабеля.

Пример аккумуляторной системы электромобиля с последовательными отдельными ячейками.

К недостаткам более высоких напряжений относится необходимость использования компонентов с более высоким номинальным напряжением во всей системе. Они также предотвращают возможность использования станций быстрой зарядки постоянного тока с более низким напряжением без включения какого-либо типа повышающего преобразователя постоянного тока в бортовое зарядное устройство.

С другой стороны, общие диапазоны емкости батарей следующие:

• Гибридные автомобили: От 0,5 до 2 кВтч.
• Подключаемые к сети гибридные автомобили: От 4 до 20 кВтч.
• Электромобили: От 30 до 100 кВтч и более.

Безопасность электромобилей:контакторы (и огнестойкие предохранители)

Батареи представляют собой множество проблем с точки зрения безопасности, когда речь идет о конструкции, а также о постоянном высоком напряжении внутри них.

Внутри аккумуляторной батареи перед выходным разъемом находятся предохранители, часто как с положительной, так и с отрицательной стороны. Специальные сильноточные герметичные реле, известные как контакторы, подключают внутренние предохранители к самой батарее.

Серия реле / ​​контакторов постоянного тока Panasonic EV (слева) и разбивка конструкции контактора. Изображения от Panasonic

Контакторы включают в себя такие функции, как жертвенные контакты, чтобы предотвратить увеличение сопротивления из-за точечной коррозии контактов. Они также часто включают вспомогательный контакт для обнаружения внутренней сварки, которая может произойти, если контактор намеренно или непреднамеренно размыкается, когда через него проходит большой ток.

Источник питания катушки контактора обычно проходит через HVIL или высоковольтный контур блокировки, который проходит через все высоковольтные компоненты в системе вместе с высоковольтными кабелями (обычно встроенными в каждый разъем), так что контактор не может получать питание на закройте, если все высоковольтные соединения надежно не подключены к батарее.

Контактор предварительной зарядки замыкается перед главными контакторами, позволяя небольшому току течь в систему через большой резистор. Это ограничивает пусковой ток на всех больших конденсаторах в системе и позволяет системе управления батареями обнаруживать короткие замыкания до завершения сильноточного пути.

Изоляция постоянно контролируется, обычно на обеих сторонах главных контакторов, и произойдет сбой, если изоляция с любой стороны высоковольтной системы до шасси упадет до менее 500 Ом на вольт.

Tesla также включила новое предохранительное устройство в свою Model 3 и более новые блоки, известное как пиропламенный предохранитель. Это устройство может быть взорвано небольшим пиротехническим зарядом, если контакторы свариваются, что позволяет использовать менее надежные контакторы. Разрядный резистор и контактор иногда включаются на выходе батареи, чтобы позволить системе активно разряжаться до безопасного напряжения после отключения.

Печатные платы для мониторинга аккумуляторных батарей

Блоки ячеек батареи необходимо контролировать и поддерживать в равновесии, и для выполнения этой задачи в комплект входят специализированные печатные платы. Эти платы должны иметь изолированный интерфейс связи, так как опорная точка заземления каждой платы будет отличаться на сотни вольт друг от друга и от основной BMS (системы управления батареями).

Эти платы контролируют напряжение и температуру каждого блока, а также температуру межсоединений между блоками. Они также содержат небольшие группы резисторов для балансировки.

Блоки ячеек внутри блока должны находиться в пределах нескольких милливольт друг от друга, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности в блок и из блока. Из-за естественных различий в производстве ячеек некоторые блоки будут заряжаться или разряжаться немного быстрее, чем другие. Чтобы бороться с этим, во время зарядки выполняется балансировка, которая потребляет небольшое количество энергии из блоков с самым высоким напряжением, чтобы приблизить их к другим.

Эти платы мониторинга блоков также обеспечивают дополнительную функцию безопасности блока, которая позволяет очень точно контролировать температуру ячеек и точек соединения внутри блока. В случае, скажем, поврежденных ячеек это означает, что неисправность может возникнуть до того, как может произойти серьезное повреждение или даже возможно возгорание.

Системы управления батареями (BMS)

Наконец, система управления батареями, или BMS, как ее обычно называют, управляет задачей мониторинга и управления всеми аспектами аккумуляторной батареи.

Текущие шунты передают в BMS различную информацию, включая общий заряд, переданный в батарею и из нее. Измерения напряжения до и после контакторов позволяют контролировать напряжения в аккумуляторной системе. Цепи управления контактором и экономайзера управляют замыканием контактора и минимизируют статический ток через катушки после втягивания контактов.

BMS также поддерживает постоянную связь с платами управления блоками для контроля напряжения и температуры ячеек, а также для контроля балансировки.

Блок-схема эталонного дизайна для аккумуляторной батареи на 400 В. Изображение из Texas Instruments

Общая температура системы и разъемов контролируется для обнаружения любых соединений с высоким сопротивлением, вызванных ослаблением разъемов или болтов.

Изоляция системы и блока также постоянно контролируется, и могут быть включены другие потенциально избыточные функции безопасности. BMS также предоставляет интерфейс связи для остальной части транспортного средства - часто через автомобильную сеть Ethernet или CAN-шину, - где она взаимодействует с инвертором, зарядным устройством и другими системами. Он рассчитывает и предоставляет пределы тока заряда и разряда, состояние исправности и заряда, а также уведомляет другие системы, когда контакторы должны размыкаться, чтобы в идеале они могли размыкаться без нагрузки.

<час />

На этом мы завершаем наше исследование сути электромобиля - аккумуляторной батареи. Дайте нам знать в комментариях ниже, если вы хотите узнать больше об анатомии электромобилей!