Введение
Существует довольно много проблем, связанных с зарядом и контролем высоковольтных литий-ионных аккумуляторов, применяемых в электрическом или гибридном транспорте.
Циклы зарядки и разрядки должны контролироваться, а сам аккумулятор, который часто способен выдавать напряжение в несколько сотен вольт должен быть изолирован от других систем для обеспечения должного уровня безопасности.
Сегодня мы рассмотрим основные принципы работы систем мониторинга состояния ячеек литий–ионных аккумуляторов.
При построении системы управления аккумулятором немаловажным фактором является организация мониторинга состояния его ячеек и передача полученных данных в цифровом виде на центральный процессор для последующей обработки.
Неотъемлемой частью организации цепей мониторинга является разделение высоковольтной и сигнальной части при помощи оптической изоляции.
Характеристики литий-ионного аккумулятора
При разряде ячейки литий-ионного аккумулятора, литий ионизируется на, обычно, графитовом аноде в следствие чего его ионы начинают движение через электролит и сепаратор по направлению к катоду, что приводит к возникновению потока заряда.
Процесс зарядки ячеек носит обратный характер: ионы лития движутся от катода через электролит и сепаратор к аноду.
Эффективность и безопасность данного химического процесса зависят от температуры и напряжения конкретной ячейки:
- При низких температурах химическая реакция замедляется, снижая тем самым и выдаваемое ячейкой напряжение
- При повышении температуры, наоборот, скорость реакции увеличивается до тех пор, пока компоненты ячейки аккумулятора не начнут разрушаться.
При температуре выше 100 °C электролит литий-ионных аккумуляторов начинает разрушаться, выделяя газы, которые могут в последствие могут вызвать повышение давления в ячейках, в которых, как правило, отсутствуют механизмы сброса давления.
При достаточно высоких температурах ячейки литий-ионных аккумуляторов могут быть подвержены тепловому пробою из-за разрушения оксидов, которое сопровождается выделением кислорода, который, в свою очередь, еще больше ускоряет процесс нагрева.
В итоге, поддержание оптимальных условий работы для литий-ионных аккумуляторов - это важное требование при создании систем управления транспортом.
Электромобиль Chevy Volt
В электромобиле, таком как Chevy Volt, аккумуляторный блок содержит 288 ячеек призматической формы, которые, в свою очередь, разделены на 96 групп:
- Данные группы обеспечивают напряжение системы электромобиля на уровне 386,6 В DC
- Группы ячеек объединены с датчиками температуры и охлаждающими элементами в четыре основных аккумуляторных модуля
- Линии напряжения для каждой группы ячеек заканчиваются разъемом в верхней части аккумуляторного модуля, а жгут, идущий от данного разъема соединяет ячейки с интерфейсным модулем, расположенным в верхней части аккумулятора
- Четыре интерфейсных модуля с различной цветовой кодировкой отвечают за постоянный, низкий, средний и высокий диапазоны напряжения
Данные от интерфейсных модулей передаются в модуль управления зарядом аккумуляторов. Этот модуль, в свою очередь, передает информацию о неисправностях, уровне заряда и состоянии в блок управления двигателем, который отвечает за общую диагностику электромобиля.
Данная система непрерывно выполняет более 500 операций, связанных с диагностикой состояния, каждую десятую секунды, причем 85% этих операций направлены на проверку уровня безопасности аккумуляторного блока, а остальные нацелены на контроль производительности и срока службы ячеек аккумуляторов.
Многослойная печатная плата
Анализ производительности аккумулятора начинается с модуля управления интерфейсом, например, такого как показан на рисунке 1 ниже (данный модуль используется в электромобилях Chevy Volt).
Разработанная специально для обеспечения высокой целостности сигнала, четырехслойная печатная плата модуля использует комбинацию различных методов трассировки, изоляции и заземления
- На верхнем слое платы расположено большинство компонентов, включая оптические изоляторы, земляной слой и сигнальные дорожки с несколькими переходными отверстиями, обеспечивающими соединение с нижними слоями
- На втором слое расположены цепи питания и заземления, позволяющие модулю работать с высокими значениями напряжения
- На третьем слое платы расположены сигнальные дорожки, а четвертый содержит некоторое количество компонентов и используется для развязки сигналов и создания дополнительного заземления ( см рисунок 1)
Изоляция сигнала
В электромобилях, таких как Chevy Volt данных систем необходимо наличие в них должного уровня изоляции и защиты.
Несмотря на то, что каждая группа ячеек литий-ионных аккумуляторов контролируется отдельным модулем и объединена в отдельную подсистему, в конечном итоге сигналы о состоянии, необходимые для управления ячейками, а также сигналы о наличии неисправности передаются через общую шину CAN.
Организация изоляции шины CAN от воздействия высокого напряжения является одной из первостепенных задач. И хотя изоляция может быть организована при помощи различных компонентов и методов, суровые условия и многочисленные стандарты безопасности выдвигают оптические изоляторы на первый план для применения в данном типе решений.
Оптроны обладают:
- Низкой восприимчивостью к синфазному шуму
- Практически не подвержены воздействию электромагнитных помех (ЭМИ, EMI) или электростатических разрядов (ЭСР, EMC), что особенно актуально для автомобильных систем
- Обеспечивают высокий уровень изоляции, что позволяет им работать в условиях длительного воздействия напряжения, поступающего с аккумулятора, а также выдерживать скачки напряжения во время переходных процессов, которые могут возникнуть при тестировании или подключении/отключении зарядного устройства.
При выборе оптрона необходимо обратить внимание прежде всего на значения рабочего напряжения и чувствительности к EMI.
Другие технические характеристики, такие как скорость передачи данных и энергопотребление также остаются важными аспектами выбора, однако чувствительность к EMI, уровень которой определяется высокоскоростными переходными процессами, в большей степени выводит на первый план возможность гибкой настройки данных параметров, чем их конечное значение.
В следующей публикации мы расскажем какие оптические решения предлагает Broadcom для автомобильной промышленности.
Подписывайтесь на наш канал по электронике по ссылке
Какой выбрать изолятор для машиностроения вы узнаете в статье:
Как выбрать изолятор для высоковольтных решений
Консультация по выбору решений для электрического или гибридного транспорта. Напишите в форму ниже:
