Inleiding tot batterijsystemen voor elektrische voertuigen

Het ontwerp van elektrische voertuigen is een complex concept. Hier is een blik op het hart van elke EV:de batterij.

Het ontwerpen van elektrische voertuigen is een complex concept. Hier is een blik op het hart van elke EV:de batterij.

Het fundamentele onderdeel van elk elektrisch voertuig (EV) is de batterij. De batterij moet ontworpen zijn om te voldoen aan de vereisten van de motor(en) en het laadsysteem dat een voertuig gebruikt.

Dit omvat fysieke beperkingen zoals een efficiënte verpakking in de carrosserie van het voertuig om de capaciteit te maximaliseren. Als de belangrijkste factor die bijdraagt ​​aan het gewicht in een EV, moeten ontwerpers ook rekening houden met de plaatsing van de batterij in een voertuig, omdat deze de energie-efficiëntie en de rijeigenschappen van het voertuig kunnen beïnvloeden (wat meestal de reden is waarom u batterijen vaak onder de vloer van het voertuig ziet worden geplaatst) .

Hier is een overzicht van enkele specificaties, veiligheidsoverwegingen en beheersystemen die bij het ontwerp van EV-batterijen horen.

EV-batterijspecificaties:spanningen en capaciteiten

Een accu van een elektrisch voertuig bestaat vaak uit vele honderden kleine, afzonderlijke cellen die in een serie/parallelle configuratie zijn gerangschikt om de gewenste spanning en capaciteit in het uiteindelijke pakket te bereiken. Een gemeenschappelijk pakket bestaat uit blokken van 18-30 parallelle cellen in serie om een ​​gewenste spanning te bereiken. Een nominaal pakket van 400 V heeft bijvoorbeeld vaak ongeveer 96 serieblokken (zoals in de Tesla Model 3).

Gemeenschappelijke nominale pakketspanningen in huidige voertuigen variëren van 100V-200V voor hybride/plug-in hybride voertuigen en 400V tot 800V en hoger voor alleen elektrische voertuigen. De reden hiervoor is dat met hogere spanningen meer vermogen kan worden overgedragen met minder verlies over dezelfde diameter (en massa) koperen kabel.

Een voorbeeld van een EV-batterijsysteem met afzonderlijke cellen in serie.

De nadelen van hogere spanningen zijn onder meer de noodzaak van componenten met een hogere spanning in het hele systeem. Ze voorkomen ook de mogelijkheid om DC-snellaadstations met een lagere spanning te gebruiken zonder een soort DC-DC-boostconverter in de ingebouwde lader op te nemen.

Aan de andere kant zijn de gebruikelijke batterijcapaciteitsbereiken als volgt:

• Hybride voertuigen: 0,5 tot 2 kWh
• Plug-in hybride voertuigen: 4 tot 20 kWh
• Elektrische voertuigen: 30 tot 100 kWh of meer.

Veiligheid in EV-batterijen:magneetschakelaars (en pyro-zekeringen)

De batterij vertegenwoordigt meerdere uitdagingen op het gebied van veiligheid als het gaat om ontwerp, evenals met betrekking tot de hoge spanningen die er permanent in aanwezig zijn.

Zekeringen zijn aanwezig in het batterijpakket vóór de uitgangsconnector, vaak aan zowel de positieve als de negatieve kant. Speciale afgedichte relais met hoge stroomsterkte, bekend als contactors, verbinden de interne zekeringen met de batterij zelf.

Een reeks Panasonic EV-relais/DC-schakelaars (links) en een overzicht van de structuur van een schakelaar. Afbeeldingen van Panasonic

Magneetschakelaars bevatten functies zoals opofferingscontacten om toenemende weerstand door contactpitting te voorkomen. Ze bevatten vaak ook een hulpcontact om inwendig lassen te detecteren, wat kan optreden als de contactor opzettelijk of onopzettelijk wordt geopend terwijl er een grote stroom doorheen gaat.

De voeding van de contactorspoel wordt gewoonlijk door een HVIL- of hoogspanningsvergrendelingslus geleid, die door alle hoogspanningscomponenten in het systeem loopt langs de hoogspanningskabels (meestal ingebouwd in elke connector), zodat de contactor geen stroom kan ontvangen naar sluiten, tenzij alle hoogspanningsaansluitingen stevig op de batterij zijn aangesloten.

Een voorlaadcontactor sluit vóór de hoofdschakelaars, zodat een kleine stroom door een grote weerstand in het systeem kan vloeien. Dit beperkt de inschakelstroom naar alle grote condensatoren in het systeem en stelt het batterijbeheersysteem in staat kortsluitingen te detecteren voordat het hogestroompad is voltooid.

De isolatie wordt continu gecontroleerd, meestal aan beide zijden van de hoofdschakelaars, en er treedt een fout op als de isolatie van beide zijden van het hoogspanningssysteem naar het chassis daalt tot minder dan 500 ohm per volt.

Tesla heeft ook een nieuw veiligheidsapparaat ingebouwd in hun Model 3 en nieuwere pakketten, bekend als een pyro-zekering. Dit apparaat kan door een kleine pyrotechnische lading worden opengeblazen als de magneetschakelaars worden gelast, waardoor ze minder robuuste magneetschakelaars kunnen gebruiken. Een ontladingsweerstand en een contactor zijn soms opgenomen over de uitgang van de batterij, zodat het systeem na uitschakeling actief kan worden ontladen tot een veilige spanning.

EV-batterijbewakingsprintplaten

De celblokken van de batterij moeten worden gecontroleerd en in balans worden gehouden en gespecialiseerde printplaten worden in het pakket meegeleverd om deze taak uit te voeren. Deze kaarten moeten een geïsoleerde communicatie-interface hebben, aangezien de aardingsreferentie van elke kaart honderden volt zal verschillen van elkaar en van het hoofd-BMS (batterijbeheersysteem).

Deze borden bewaken de spanning en temperatuur van elk blok, evenals de temperatuur van de verbindingen tussen blokken. Ze bevatten ook kleine groepen weerstanden om de taak van het balanceren uit te voeren.

De blokken cellen in het pakket moeten binnen een paar millivolt van elkaar worden gehouden om maximale kracht in en uit het pakket te kunnen overbrengen. Door natuurlijke verschillen in de fabricage van de cellen zullen sommige blokken iets sneller laden of ontladen dan andere. Om dit tegen te gaan, wordt tijdens het opladen een balancering uitgevoerd die een kleine hoeveelheid stroom onttrekt aan de blokken met de hoogste spanning om ze dicht bij de andere te brengen.

Deze blokbewakingsborden bieden ook een extra veiligheidsfunctie van het pakket, waardoor de temperatuur van de cellen en verbindingspunten binnen het pakket zeer nauwkeurig kan worden gecontroleerd. In het geval van bijvoorbeeld beschadigde cellen betekent dit dat een storing kan worden gemeld voordat er ernstige schade of zelfs brand kan ontstaan.

Batterijbeheersystemen (BMS)

Ten slotte beheert het Battery Management System, of BMS zoals het algemeen bekend is, de taak van het bewaken en controleren van alle aspecten van het batterijpakket.

Huidige shunts rapporteren verschillende stukjes informatie aan het BMS, inclusief de totale lading die in en uit het pakket wordt overgebracht. Spanningsmetingen voor en na de magneetschakelaars maken bewaking van de spanningen van het pakketsysteem mogelijk. Contactorbesturing en economizercircuits beheren het sluiten van de contactor en minimaliseren de statische stroom door de spoelen nadat de contacten zijn ingetrokken.

Het BMS communiceert ook voortdurend met de blokbeheerborden om de celspanning en temperatuur te bewaken en de balancering te regelen.

Referentie-ontwerpblokschema voor een 400V-accu. Afbeelding van Texas Instruments

De algehele systeem- en connectortemperaturen worden gecontroleerd om verbindingen met hoge weerstand te detecteren die worden veroorzaakt door losse connectoren of bouten.

Systeem- en pakketisolatie worden ook continu bewaakt en er kunnen andere mogelijk redundante veiligheidsvoorzieningen worden ingebouwd. Het BMS stelt ook een communicatie-interface bloot aan de rest van het voertuig - vaak via auto-ethernet of CAN-bus - waar het communiceert met de omvormer, oplader en andere systemen. Het berekent en biedt laad- en ontlaadstroomlimieten, de gezondheids- en laadstatus van de verpakking en meldt andere systemen wanneer de contactors moeten openen, zodat ze idealiter kunnen openen zonder dat er een belasting aanwezig is.