Rutronik: Индуктивни компоненти за BMS в електрическите и хибридните автомобили

27.05.2019   |   Начало»Експертно

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Йохен Нелер, Rutronik

Литиево-йонните батерии са взривоопасни зареждащи се устройства, с които трябва да се работи внимателно, преди всичко при прекомерно зареждане и недозареждане, когато клетките на батерията работят в т. нар. сива зона. Колкото по-голям и по-сложен е батерийният пакет, толкова по-сложна е тази задача. За решаването й помагат специално разработени за системите за управление на батериите индуктивни компоненти.

В много преносими електронни устройства вече се използва сложна система за управление на батериите (BMS). Системите за управление на батериите в електрическите, хибридните и plug-in хибридните автомобили са значително по-сложни, особено в електрическата система на превозни средства с високо напрежение. Безопасното галванично разделяне на каскадните батерийни пакети с високо синфазно напрежение е важна централна функция.

За балансиране на клетките на големи батерийни пакети често се налага да се разработва изцяло нова комутационна техника и по-точни методи на детектиране. Друг фактор с основно значение е изолирането на различни функционални блокове за защита на чувствителни системи от високата енергия на батерията. Специално за целта производителите разработиха индуктивни компоненти, като разделителни трансформатори и синфазни дросели, които повишават значително безопасността и подобряват общото действие на батерийните пакети, а оттук и на автомобила.

Критични аспекти
При конструирането на батерийните пакети преди всичко трябва да се обърне внимание на две особено критични точки: първо, презареждането на батерията води до прегряване. Клетките на батерията имат относително тесен дефиниран температурен диапазон, прекаленото загряване може да ги повреди или дори да доведе до топлинен пробив и с това до пожар или експлозия. Поради това трябва задължително да се предотвратява прекомерното загряване.

Второ, разреждането на батерията под определена гранична стойност може да доведе до трайно намаляване на капацитета. Тази гранична стойност зависи от химическия състав, съответно от технологията на батерията, и е посочена в информационните материали на водещи производители, като Samsung SDI.



Регулиране на енергийния поток
За да се предотвратят нарушаването на нормалната работа и повредите, BMS, съвместно с бордовото зарядно устройство, трябва да поддържат и в тези "сиви зони" прекомерното зареждане и недозареждането на клетките на батерията в указаната работна зона. За тази цел трябва да се съблюдават границите на допустимия ток на зареждане и разреждане, както и максималното и минималното напрежение на зареждане и разреждане. В зависимост от топологията полупроводникови ключове поемат управлението на токовете. Поради високите синфазни напрежения обикновено се използват разделителни трансформатори между работещите с ниско напрежение интегрални схеми за балансиране на клетките и тези за контрол, за да се гарантира непрекъсната комуникация в последователно свързаната конфигурация на пакета. Разделителни трансформатори с високи изолационни напрежения, като например серията PH9185.XXXNL на Pulse, защитават схемата за управление от високи синфазни напрежения. Тази серия може да се конфигурира за различни предавателни отношения.



Балансиране на прекомерното и пониженото напрежение
Прекомерното и пониженото напрежение могат да доведат до повреждане или стареене на клетките. За да се избегне това, е необходимо напрежението на батерията да се разпредели равномерно в батерийните пакети. За целта BMS измерва напрежението на всяка от клетките на батерията, балансирането до общото ниво се осъществява чрез пренос на заряд между клетките или просто чрез разреждане на отделни клетки. При клетки с напрежение над средното излишният заряд се разпределя към останалите.



Избягване на прегряването
За да не излезе температурата на клетките на батерията извън зададения температурен диапазон, температурата се измерва непрекъснато от датчици за температура. При превишаване на критичната стойност системата за управление прекъсва процеса на зареждане или разреждане, докато температурата на прегретите клетки не се върне отново в безопасния диапазон.

Балансиране на напреженията
За да се определи състоянието на зареждане (State of Charge, SoC), BMS обикновено изпълнява така нареченото "броене на Кулон". То определя количеството на оставащата електрическа енергия във всяка от клетките на батерията и го предава на управляващите устройства чрез защитен от EMI интерфейс. Тази позволяваща нарастване архитектура може да поддържа стотици клетки на големи акумулаторни батерии. Така се гарантира равномерно разреждане на всички клетки и зарядът на последните да не пада под прага, който може да намали трайно общия им капацитет, съответно да доведе до недопустимо дълбоко разреждане.

Трябва да се отбележи, че много свързани последователно клетки имат големи различия на потенциала на напрежението в рамките на веригата. Това изисква галванична изолация между компонентите. Трансформаторите са подходящи за "развързване" на серийните комуникационни връзки между платките. В Pulse благодарение на широката гама разделителни трансформатори разработчиците могат да намерят лесно модел, който осигурява точно необходимото работно напрежение, брой канали, както и формата и вида на корпуса. Серията HM11/21xxNL се предлага например в множество конфигурации с различни работни и изолационни напрежения, има и подходящи трансформатори за всяко приложение. На пазара се предлагат разделителни трансформатори за интегрални схеми за балансиране на клетки от различни производители.

Управление на тока
Доказан алгоритъм за натоварване е промяната на фазата на постоянния ток и постоянното напрежение. За да се ограничи скоростта на изменение на тока и да се елиминират пулсациите (отскоците) на зарядния ток, в BMS се използват силнотокови индуктивности. Подходяща за целта е например серията PA434xNL от Pulse.

Усилията си заслужават
Професионално интегрирани, такива надеждни BMS, базирани на иновативни мощни магнитни елементи, определено си заслужават допълнителни усилия. Понеже те могат да оценяват и управляват ефективно енергията и стабилността на всяка от клетките на батерията. Това удължава значително живота на батериите и прави системата на батерията, а като следствие и целия автомобил, по-безопасни.

Ключови думи: Rutronik   индуктивни компоненти   BMS   Pulse   системи за управление на батерии   електрически автомобили   хибридни автомобили