Системи за управление на батерии при хибридни и електрически автомобили

, 17 декември 2019, 13:00

Както е показано на фигура 1, основната система за предаване на електрическо превозно средство (EV) включва три системни блока.

Фигура 1: Поток на трансмисионната верига – от батерията се преминава към инвертор, след това към трифазен променливотоков двигател
  • Батерията е масив от клетки (обикновено литиево-йонни [Li-ion] клетки в електрическите автомобили EV), която генерира напрежение до стотици волта. Системните нужди на EV ще определят напрежението.
  • Следващата част на системата е инвертора. EV използват променливотокови двигатели, защото осигуряват ефективно ускорение и освен това са много надеждни. Напрежението от батерията, под формата на постоянен ток, се превръща в променлив ток (обикновено трифазен) чрез инвертора. Подобно на напрежението, броят на фазите зависи от нуждите на системата и вида на използвания двигател, но обикновено има три фази.
  • Електродвигателят обикновено е индукционен двигател, който изисква променливо напрежение. Тези видове двигатели са често срещани при електромобилите, защото са лесно задвижвани, надеждни и икономични. Моторът се състои от три намотки, навити около външна част, наречена статор. Вътрешната част обикновено е клетка, съставена от медни или алуминиеви пръти, наречени ротор.

Тъй като батерията е съставена от множество клетки, свързани последователно, нейната ефективна използваемост се основава на най-слабата клетка. Зарядите в клетките се различават поради различни химични дисбаланси, които възникват по време на производството, положението в корпуса (където нагряването варира) и промените, свързани с употребата или дълголетието.

Разликата между напреженията в клетката показва небалансирана клетка на системно ниво. Причините за разликите все още се изучават. То е важна цел, тъй като се отразява колко дълго ще издържи батерията по отношение на мощността, както и живота на всяка отделна клетка и живота на батерията.

Един от най-важните параметри, които трябва да се вземат предвид, е състоянието на заряда. Количеството на заряда е различно в отделните клетки. Дисбалансът между клетките се измерва в проценти. Така че, ако една клетка има 94% заряд, а друга има 88%, има дисбаланс от 6%. Всяка клетка също ще има различно напрежение, наречено напрежение в отворена верига (OCV), което е химичното състояние на заряда.

Предизвикателството за батерията е, че при изтегляне на ток не всяка клетка ще загуби заряд със същата скорост. Така че скоростите на разреждане се случват с различна скорост, въпреки че клетките са свързани последователно. Тъй като някои клетки се разреждат повече от други, способността им да рециклират и усвояват количеството заряд ще се промени с времето. Този цикъл се ускорява от други условия, включително температура. Някои клетки може да са по-студени от други в корпуса, просто поради тяхното местоположение в близост до охлаждащи елементи.

Основната причина за повреда в клетката е пълното сриване на клетката, което ще се отрази на напрежението на акумулатора, тъй като по същество клетката е съпротивление, понижаващо напрежението. Един от начините да се предотврати това е чрез балансиране на клетките, с управление което да доведе всяка клетка до пълно зареждане. Има няколко техники, които могат да постигнат балансиране на клетките; най-простото е да поставите резистор и полупроводников транзистор с метален оксид (MOSFET) паралелно с всяка клетка, да наблюдавате напрежението в клетките чрез компаратор и с помощта на прости алгоритми да включите MOSFET, за да заобиколите клетката. Недостатъкът на този подход е, че байпасът разхищава енергия.

Друга техника е известна като „разбъркване“ на заряда, която не използва резистори и между клетките е свързан само кондензатор. Тази техника не губи енергия в байпаса, но е по-сложна, защото е необходимо свързване на по-големи разстояния между клетките, а не да заобикаляте всяка клетка поотделно.

Техниката, използвана в EV, обикновено е индуктивно зареждане, при което трансформатор се свързва между клетки, които са небалансирани, тъй като системата е с по-висока мощност. Конструкцията на веригата има тенденция да бъде доста голяма, което изисква по-голяма площ в рамките на дизайна, за да се съобрази със схемата, необходима за реализиране на решението.

Цялото това балансиране се основава на обширни изследвания на индивидуалните характеристики на клетките и химия, представени от електронни таблици и математически формули, които използват инструменти като MATLAB за тяхното изпълнение. Микропроцесорът играе важна роля в системата, като проверява, че всички балансирания се изпълняват правилно. За да захранва микропроцесора, системата доставя захранване от DC / DC преобразувател, който се свързва директно към батерията и осигурява 48V или 12V изход на базата на дизайна на системата. Texas Instruments има две устройства, които могат да захранват микропроцесора; и двете имат способността да издържат на трудни условия по отношение на преходни характеристики, заедно с широки диапазони на напрежението.

Има много начини за управление на балансирането на Li-йонните клетки в пакет, но как ще изглежда дизайнът може да зависи от много фактори, като цена, размер, топлина и необходимата точност. Важно е да се вземат предвид всички тези фактори в стратегията за проектиране преди прилагането им.

Източник: Texas Instruments

Коментари

Коментара трябва да е повече от 5 символа!

Моля, потвърдете регулацията!

Няма коментари. Бъди първи!