Автор: Йохен Неллер, техническая поддержка Inductors & Timing Devices, Rutronik
Литий-ионные аккумуляторы являются взрывоопасными зарядными устройствами, обращение с которыми требует осторожности, особенно в случае их пере- и недозаряда, когда аккумуляторные батареи работают в так называемой «серой зоне».
Сложность осторожного обращения и сохранения работоспособности аккумулятора во время заряда/разряда растет пропорционально увеличению его емкости и сложности конструкции. Индуктивные компоненты, специально разработанные для систем управления батареями, помогают решить эту проблему.
Многие портативные электронные устройства уже используют усовершенствованную систему управления батареями (Battery Management System, BMS), однако организация BMS в электрическом, гибридном и подзаряжаемом гибридном (plug-in hybrid) транспорте носит более сложный характер, особенно это касается высоковольтных систем. Создание гальванической развязки каскадных аккумуляторных батарей с высоким синфазным напряжением в подобных системах является одной из первостепенных задач обеспечения безопасности.
Для балансировки ячеек аккумуляторов со сложной структурой часто приходится разрабатывать новые схемотехнические решения контроля заряда. Также важным аспектом является необходимость создания изоляции функциональных блоков системы для защиты чувствительных элементов от высокого напряжения на аккумуляторах. Решить данные проблемы могут помочь специально созданные изолирующие силовые трансформаторы и синфазные дроссели. Данные индукционные решения значительно увеличивают безопасность системы и повышают надежность аккумуляторных блоков, а значит и транспортного средства в целом (рисунок 1).
Критические аспекты заряда и разряда аккумулятора
При проектировании аккумуляторного блока необходимо учитывать два особенно важных момента:
1. Чрезмерный заряд аккумулятора может привести к его перегреву. Элементы аккумуляторной батареи имеют достаточно узкий температурный диапазон работы, в следствии чего, перегрев устройства может вызвать необратимые повреждения, а также привести к тепловому разрушению и возгоранию или взрыву аккумулятора. Недопустимо допускать чрезмерный перегрев литий-ионных аккумуляторов.
2. Разрядка батареи ниже определенного порогового значения может привести к снижению ее емкости. Величина порога зависит от химического состава или технологического устройства аккумулятора. Ведущие поставщики, такие как Samsung SDI, указывают данный порог в техническом паспорте на устройство.
Управление током и напряжением при зарядке и разрядке аккумулятора
Во время зарядки аккумуляторов, система управления батареями, совместно с бортовым зарядным устройством, должна держать ячейки аккумулятора в указанном диапазоне тока и напряжения и исключать возможность перезарядки и недозарядки ячейки, предотвращая тем самым возможные повреждения. Как следствие, BMS необходимо контролировать ток и напряжение заряда и разряда ячейки. За управление токами отвечают полупроводниковые переключатели. В свою очередь, для обеспечения связи через последовательную конфигурацию и защиты цепи управления от синфазного напряжения аккумулятора, в цепь включают изолирующие силовые трансформаторы, такие как трансформаторы серии PH9185.XXXNL от Pulse (рисунок 2). Стоит отметить, что трансформаторы данной серии могут быть настроены на работу с различными коэффициентами передачи.
Особенности трансформаторов серии PH9185.XXXNL:
· Напряжение изоляции 5000 Vrms
· Рабочее напряжение 600 Vrms
· Длина пути утечки изолятора 8 мм, усиленная изоляция
· Сертификаты UL и TÜV, квалификация AEC-Q200
Борьба с перенапряжением и пониженным напряжением
Возникновение перенапряжения или проседание напряжения ниже порогового значения может повредить ячейку аккумулятора. Чтобы избежать этого, необходимо равномерно распределять напряжение, подаваемое на аккумулятор, по всем ячейкам. Для этой цели BMS измеряет напряжение каждого элемента аккумулятора и приводит его к общему усредненному значению путем переноса заряда между ячейками или разряда отдельных элементов. В ячейках с напряжением выше среднего избыточный заряд распределяется на другие элементы. Для обнаружения изменения напряжения прекрасно подойдет индуктивность типа PA4334 от Pulse (рисунок 3).
Предотвращение перегрева
Температурные датчики BMS непрерывно измеряют температуру, обеспечивая тем самым сохранение элементов батареи в заданном температурном диапазоне. Если температура превышает критический уровень, система управления прерывает процесс заряда/разряда до тех пор, пока температура перегретых элементов снова не снизится до безопасного уровня.
Компенсирующие напряжения
BMS выполняет так называемый кулоновский подсчет, чтобы определить состояние заряда (state of charge, SoC) аккумулятора. Подсчет позволяет определить количество энергии, оставшейся в каждой ячейке аккумулятора на данный момент. Подобная архитектура может работать сразу с сотнями ячеек аккумулятора, гарантируя, что все элементы разряжаются равномерно и их заряд не падает ниже порогового значения, что может уменьшить их общую емкость или привести к глубокому разряду ячейки.
Важно отметить, что многие последовательно соединенные элементы имеют большие разности потенциалов, что в свою очередь требует гальванической развязки между компонентами системы, например, на основе силовых трансформаторов Pulse, отлично зарекомендовавших себя в качестве изоляторов последовательных коммуникационных соединений. Pulse предлагает разработчикам широкий ассортимент, в кортом легко можно найти модель, обеспечивающую необходимое рабочее напряжение, с нужным количеством каналов, формой и типом корпуса. Так, например, серия HM11/21xxNL доступна в многочисленных конфигурациях с различными рабочими напряжениями и напряжениями изоляции (рисунок 4). Изолирующие силовые трансформаторы одобрены для применения в системах контроля заряда многими игроками рынка (Renesas/ Intersil, Rohm и другими).
Управление током заряда
Безопасный алгоритм зарядки представляет собой чередование фаз постоянного тока и постоянного напряжения. Ограничение скорости изменения тока и устранение пульсации зарядного тока возможно при помощи индуктивностей серии PA434xNL от Pulse.
Заключение
Внедрение систем управления батареями (BMS) в электрический и гибридный транспорт определенно стоит прикладываемых усилий. Благодаря данным системам становятся возможны контроль и оценка производительности, а также стабильности работы каждой ячейки аккумулятора, что в свою очередь значительно увеличивает его срок службы и делает всю систему батарей - и, следовательно, весь автомобиль - более безопасным.