Τι είναι ένα σύστημα διαχείρισης ασφάλειας μπαταρίας;
διαχείριση της ασφάλειας
Το σύστημα διαχείρισης ασφάλειας της μπαταρίας διασφαλίζει πρωτίστως την ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία της μπαταρίας, αποτρέποντας την ανάφλεξη φωτιάς λόγω υψηλών θερμοκρασιών ή την αστοχία λόγω χαμηλών θερμοκρασιών. Επειδή η μπαταρία είναι μια συσκευή υψηλής-τάσης, ένα σύστημα προστασίας μόνωσης υψηλής-τάσης είναι απαραίτητο για τη διασφάλιση της ασφάλειας των επιβατών και των πεζών του οχήματος. Το σύστημα διαχείρισης της ασφάλειας της μπαταρίας πρέπει να μπορεί να μεγιστοποιεί την απόδοση τόσο της μπαταρίας όσο και του οχήματος, διασφαλίζοντας παράλληλα την ασφαλή λειτουργία του οχήματος. Η ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης ασφάλειας μπαταριών έχει μεγάλη σημασία για τη διασφάλιση της ασφάλειας της ζωής και της περιουσίας και την προώθηση της ανάπτυξης ηλεκτρικών οχημάτων.
Σύστημα δοκιμής μόνωσης υψηλής-τάσης
Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας στα ηλεκτρικά οχήματα, όπως συστοιχίες μπαταριών ισχύος, κυψέλες καυσίμου ή υπερπυκνωτές, λειτουργούν σε τάσεις που υπερβαίνουν κατά πολύ το ασφαλές εύρος τάσης για το ανθρώπινο σώμα. Μερικά ηλεκτρικά λεωφορεία έχουν ακόμη και μπαταρίες που λειτουργούν στα 600V. Η απόδοση μόνωσης των μονωτικών υλικών στο όχημα υποβαθμίζεται σταδιακά κατά τη χρήση λόγω φθοράς και η αυξημένη υγρασία μειώνει επίσης την απόδοση μόνωσης μεταξύ της μπαταρίας υψηλής τάσης-και του πλαισίου. Όταν το μονωτικό στρώμα του θετικού και του αρνητικού πόλου της μπαταρίας φθαρεί και έρχεται σε επαφή με το πλαίσιο, δημιουργείται βρόχος ρεύματος διαρροής, ο οποίος επηρεάζει τη λειτουργία του ελεγκτή κινητήρα, άλλων ηλεκτρικών συσκευών χαμηλής{4} τάσης, θέτοντας σε κίνδυνο ακόμη και την ασφάλεια των επιβατών. Όταν η μόνωση μεταξύ πολλών σημείων του κυκλώματος του πακέτου μπαταριών και του πλαισίου γερνάει, εμφανίζεται αυτο-αποφόρτιση και συσσώρευση ενέργειας, που ενδέχεται να οδηγήσει σε πυρκαγιά σε σοβαρές περιπτώσεις. Για να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία του οχήματος, πρέπει να εγκατασταθεί μια συσκευή ανίχνευσης απόδοσης μόνωσης για την παρακολούθηση της αντίστασης μόνωσης μεταξύ του συστήματος υψηλής τάσης και του πλαισίου σε πραγματικό χρόνο.
Οι συνήθεις μέθοδοι δοκιμής μόνωσης περιλαμβάνουν:
1. Μέθοδος μέτρησης άμεσης διαρροής
Στα συστήματα συνεχούς ρεύματος, αυτή είναι η απλούστερη και πιο πρακτική μέθοδος. Ρυθμίστε ένα πολύμετρο στην τρέχουσα περιοχή και συνδέστε το σε σειρά μεταξύ του θετικού πόλου της μπαταρίας και του περιβλήματος της συσκευής (ή της γείωσης). Αυτό θα ανιχνεύσει το ρεύμα διαρροής μεταξύ του αρνητικού πόλου της μπαταρίας και του περιβλήματος. Ομοίως, μπορεί να συνδεθεί σε σειρά μεταξύ του αρνητικού ακροδέκτη και του περιβλήματος για να ανιχνεύσει το ρεύμα διαρροής μεταξύ του θετικού ακροδέκτη και του περιβλήματος. Αυτή η μέθοδος είναι απλή και εύκολη στην εφαρμογή και χρησιμοποιείται συνήθως σε-εντοπισμό σφαλμάτων στον ιστότοπο και σε συνήθεις ελέγχους οχημάτων.
2. Μέθοδος ανίχνευσης ρεύματος
Ο αισθητήρας ρεύματος εφέ Hall είναι μια συνηθισμένη μέθοδος για την ανίχνευση διαρροής σε συστήματα DC υψηλής-τάσης. Ο θετικός και ο αρνητικός δίαυλος ισχύος του συστήματος μπαταρίας περνούν μαζί προς την ίδια κατεύθυνση μέσω του αισθητήρα ρεύματος. Όταν δεν υπάρχει ρεύμα διαρροής, το ρεύμα που ρέει από τον θετικό ακροδέκτη είναι ίσο με το ρεύμα που επιστρέφει στον αρνητικό ακροδέκτη. Επομένως, το ρεύμα που διέρχεται από τον αισθητήρα ρεύματος είναι μηδέν και η τάση εξόδου του αισθητήρα ρεύματος είναι μηδέν. Όταν υπάρχει διαρροή, η τάση εξόδου του αισθητήρα ρεύματος δεν είναι μηδέν. Το σύμβολο αυτής της τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιοριστεί περαιτέρω εάν το ρεύμα διαρροής προέρχεται από τον θετικό ή τον αρνητικό ακροδέκτη του τροφοδοτικού. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος δοκιμής απαιτεί η μπαταρία υπό δοκιμή να είναι λειτουργική, με ρεύμα να ρέει μέσα και έξω. Δεν μπορεί να αξιολογήσει την απόδοση μόνωσης του συστήματος μπαταρίας στη γείωση υπό συνθήκες χωρίς-φόρτιση.
3. Μέθοδος μέτρησης μετρητή αντίστασης μόνωσης
Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί έναν μετρητή αντίστασης μόνωσης για τη μέτρηση της τιμής αντίστασης της μόνωσης. Ένας μετρητής αντίστασης μόνωσης, κοινώς γνωστός ως μεγοχόμετρο, τροφοδοτείται συχνά από μια γεννήτρια με το χέρι, γι' αυτό ονομάζεται επίσης μεγωχόμετρο. Η κλίμακα του βασίζεται στην αντίσταση μόνωσης και είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο όργανο μέτρησης στην ηλεκτρική μηχανική. Η αρχή λειτουργίας του φαίνεται στο Σχήμα 8-29.
Το όργανο λειτουργεί διεγείροντας τη συσκευή ή το δίκτυο που βρίσκεται υπό δοκιμή με μια τάση, στη συνέχεια μετρώντας το ρεύμα που παράγεται από τη διέγερση και χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm για τη μέτρηση της αντίστασης. Ο μετρητής αντίστασης μόνωσης αποτελείται κυρίως από δύο μέρη: μια χειροκίνητη-γεννήτρια και έναν μετρητή μαγνητοηλεκτρικού λόγου. Ανεβάζοντας τη λαβή με τη μίζα, η γεννήτρια με το χέρι-παράγει υψηλή τάση εναλλασσόμενου ρεύματος, η οποία διορθώνεται από μια δίοδο για να παρέχει υψηλή τάση DC για μέτρηση. Στη συνέχεια, ο μετρητής μαγνητοηλεκτρικού λόγου μετρά την αναλογία του ρεύματος στο πηνίο τάσης και στο πηνίο ρεύματος και η ένδειξη δείκτη υποδεικνύει την κλίμακα αντίστασης.
Οι τρεις παραπάνω μέθοδοι χρησιμοποιούν όλες αποκλειστικό εξοπλισμό για δοκιμή ρεύματος διαρροής και αντίστασης μόνωσης, γεγονός που παρουσιάζει ορισμένες δυσκολίες για την ενσωμάτωση σε συστήματα διαχείρισης μπαταριών. Οι μέθοδοι μέτρησης κυκλώματος χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε συστήματα διαχείρισης μπαταριών. Η αρχή της μέτρησης της μόνωσης τάσης συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιείται συνήθως φαίνεται στο Σχήμα 8-30.
Σε αυτό το μπλοκ διάγραμμα, τα R1, R2, R3 και R4 είναι αντιστάσεις υψηλής αντίστασης (π.χ. 500kΩ ή υψηλότερες), διασφαλίζοντας ότι το επίπεδο μόνωσης δεν μειώνεται τεχνητά κατά τη μέτρηση. Τα Rₙ και Rₚ είναι οι αντιστάσεις μόνωσης των θετικών και αρνητικών ακροδεκτών της μπαταρίας ισχύος στο σώμα του οχήματος, αντίστοιχα. Τα R' και R" είναι αντιστάσεις διαιρέτη τάσης με μικρές αντιστάσεις (π.χ. περίπου 2000 Ω), που επιτρέπουν στο τσιπ μετατροπής A-D να αποκτά αναλογικά σήματα επιπέδου mV{10}}σε αυτά.
Όταν ο διακόπτης S βρίσκεται σε κατάσταση απενεργοποίησης, οι τιμές τάσης στα Rₙ και Rₚ μπορούν να ληφθούν μέσω του τσιπ μέτρησης, οδηγώντας στην ακόλουθη εξίσωση:
Στον τύπο, τα V1 και V2 αντιπροσωπεύουν τις τάσεις προς τη γείωση των θετικών και αρνητικών ζυγών όταν ο διακόπτης S είναι ανοιχτός.
Ομοίως, όταν ο διακόπτης S είναι κλειστός, μπορεί να ληφθεί μια άλλη εξίσωση:
Στον τύπο, τα V'1 και V'2 αντιπροσωπεύουν τις θετικές και αρνητικές τάσεις του ζυγού προς τη γείωση όταν το S είναι κλειστό.
Δεδομένου ότι οι τιμές αντίστασης των αντιστάσεων της σειράς R1, R2, R3, R4, R και R' είναι γνωστές, το σύστημα των εξισώσεων (8-5) και (8-6) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση των R2 και R₋.
Άλλες μέθοδοι μέτρησης αντίστασης μόνωσης που χρησιμοποιούνται σε συστήματα διαχείρισης μπαταριών περιλαμβάνουν τη μέθοδο της ισορροπημένης γέφυρας, τη μέθοδο έγχυσης σήματος υψηλής συχνότητας{{0} και τη μέθοδο βοηθητικής παροχής ρεύματος. Καθώς η τάση των μπαταριών ισχύος αυξάνεται και οι εφαρμογές τους γίνονται πιο διαδεδομένες, η ασφάλεια μόνωσης των ηλεκτρικών οχημάτων γίνεται όλο και πιο σημαντική και οι ερευνητές σχεδιάζουν και επικυρώνουν συνεχώς διάφορες μεθόδους παρακολούθησης μόνωσης.
Μέγιστη Ισχύς
Το SOP (Κατάσταση Ισχύος) είναι η μέγιστη ισχύς που μπορεί να απελευθερώσει ή να απορροφήσει μια μπαταρία μέσα σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Η μέγιστη ισχύς χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των ορίων φόρτισης και εκφόρτισης μιας μπαταρίας ισχύος σε διαφορετικές καταστάσεις φόρτισης, διαδραματίζοντας κρίσιμο ρόλο στη βελτιστοποίηση της αντιστοίχισης μεταξύ της μπαταρίας ισχύος και της απόδοσης ισχύος του οχήματος, καθώς και μεγιστοποιώντας τη λειτουργία αναγεννητικής πέδησης του ηλεκτροκινητήρα. Έχει επίσης σημαντική θεωρητική και πρακτική αξία για την ορθολογική χρήση των μπαταριών, αποφεύγοντας την υπερφόρτιση ή την υπερφόρτιση-, βελτιώνοντας την ασφάλεια της μπαταρίας και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Ωστόσο, η μέγιστη ισχύς της μπαταρίας υπόκειται σε πολλούς περιορισμούς ασφαλείας. Μόνο η μέγιστη ισχύς εντός αυτών των ορίων ασφαλείας έχει πρακτική σημασία. Αυτή η ενότητα εξετάζει ορισμένες παραμέτρους της μπαταρίας που περιορίζουν την ισχύ αιχμής και διερευνά τη σχέση μεταξύ της ασφάλειας της μπαταρίας και της μέγιστης ισχύος.
1. -Περιορισμοί με βάση τη θερμοκρασία
Η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη και η δραστηριότητα των υλικών ανόδου και καθόδου αλλάζουν με τη θερμοκρασία, επηρεάζοντας έτσι το ανώτερο όριο της ισχύος φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας. Ο ρυθμός αντίδρασης των ηλεκτροδίων μειώνεται όσο μειώνεται η θερμοκρασία. Η θερμοκρασία επηρεάζει επίσης τους ρυθμούς μεταφοράς ιόντων και ηλεκτρονίων στον ηλεκτρολύτη. Αυτοί οι ρυθμοί αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας και αντίστροφα. Επιπλέον, εάν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, υπερβαίνοντας το καθορισμένο όριο θερμοκρασίας, η χημική ισορροπία εντός της μπαταρίας θα διαταραχθεί, προκαλώντας προβλήματα ασφάλειας της μπαταρίας.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8-31, η μέγιστη ισχύς της μπαταρίας αλλάζει με τη θερμοκρασία, εμφανίζοντας μια σαφώς μη γραμμική καμπύλη. Η μέγιστη ισχύς μειώνεται καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, αλλάζει αργά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η μέγιστη ισχύς αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αλλά οι υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες καθιστούν δύσκολη τη διάχυση της θερμότητας, επηρεάζοντας αρνητικά την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
2. Κατάσταση φόρτισης (SOC)-Βασισμένοι περιορισμοί
Ο περιορισμός SOC στο SOP (Έναρξη λειτουργίας) έχει σχεδιαστεί για να αποτρέπει την υπερφόρτιση και την υπερ-εκφόρτιση της μπαταρίας κατά τη λειτουργία, διασφαλίζοντας την ασφάλεια της μπαταρίας. Κατά τη μελέτη της σχέσης μεταξύ ισχύος αιχμής και SOC, η επίδραση παραγόντων όπως η θερμοκρασία και ο ρυθμός φόρτισης/εκφόρτισης στο SOC πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη για τη βελτίωση της ακρίβειας της μέτρησης SOC. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8-32, με την αύξηση της Κατάστασης Φόρτισης (SOC), η ισχύς εκφόρτισης αυξάνεται ενώ η ισχύς φόρτισης μειώνεται. Για παράδειγμα, εντός του ίδιου εύρους SOC, όταν το SOC αυξάνεται από 10% σε 90%, η μέγιστη ισχύς εκφόρτισης αυξάνεται από 222W σε 693W, ενώ η μέγιστη ισχύς φόρτισης μειώνεται από 675W σε 300W. Η μελέτη της μέγιστης ισχύος υπό διαφορετικές συνθήκες SOC μπορεί να εκτιμήσει τις δυνατότητες φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας, παρέχοντας δεδομένα και τεχνική υποστήριξη για τη χρήση της σε ηλεκτρικά οχήματα.
3. Περιορισμοί με βάση την ωμική αντίσταση
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8-33, η μέγιστη ισχύς μιας μπαταρίας είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη με την ωμική εσωτερική αντίστασή της. Όσο μικρότερη είναι η ωμική εσωτερική αντίσταση, τόσο μεγαλύτερη και ταχύτερη είναι η μέγιστη ισχύς εξόδου. Αντίθετα, όσο μεγαλύτερη είναι η ωμική εσωτερική αντίσταση, τόσο μικρότερη και πιο αργή είναι η μέγιστη ισχύς εξόδου.
Η θερμοκρασία, η κατάσταση φόρτισης (SOC) και η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας σχετίζονται στενά με την κατάσταση ασφαλείας της. Επομένως, η κατάσταση λειτουργίας της μπαταρίας (SOP) πρέπει να πληροί τους περιορισμούς που επιβάλλονται από αυτούς τους τρεις παράγοντες για να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία και να παραταθεί η διάρκεια ζωής της.
