Aktiivse laengu tasakaalu meetodi analüüs

Münchenis asuva Infineon Technologiesi autosüsteemide inseneriosakond sai hiljuti ülesande arendada elektrisõidukeid. Elektrisõiduk on juhitav sõiduk, millel on suur tähtsus hübriidelektrisõidukite elektrilise jõudluse demonstreerimiseks. Auto saab toite suure liitiumakuga ja arendajad mõistavad, et tasakaalustatud aku on vajalik. Sel juhul tuleb traditsioonilise lihtsa laetuse tasakaalustamise meetodi asemel valida automaatne energiaülekanne akude vahel. Nende välja töötatud omatasuline tasakaalustussüsteem suudab pakkuda suurepäraseid funktsioone sama kuluga kui kohustuslik plaan.

Aku struktuur

Ni-Cd ja Ni-MH akud on akude turgu valitsenud aastaid. Kuigi 18650 liitiumaku on alles hiljuti turule tulnud toode, kasvab selle turuosa jõudluse olulise paranemise tõttu kiiresti. Liitiumakude salvestusmaht on muljetavaldav, kuid sellegipoolest ei piisa ühe aku mahutavusest pinge ega voolu jaoks hübriidmootori vajaduste rahuldamiseks. Aku toitevoolu suurendamiseks saab paralleelselt ühendada mitu akut ja aku toitepinge suurendamiseks saab ühendada mitu akut järjestikku.

Akude kokkupanijad kasutavad oma akutoodete kirjeldamiseks sageli akronüüme, näiteks 3P50S, mis tähendab akupaketti, mis koosneb kolmest paralleelsest akust ja 3 järjestikusest akust.

Modulaarne struktuur sobib ideaalselt akude, sealhulgas mitme akuelementide seeria käsitsemiseks. Näiteks 3P12S akude massiivi puhul on iga 12 akuelementi ühendatud järjestikku, et moodustada plokk. Neid patareisid saab juhtida ja tasakaalustada mikrokontrollerile koondunud elektroonilise vooluringiga.

Akumooduli väljundpinge sõltub järjestikku ühendatud akude arvust ja iga aku pingest. Liitiumaku pinge on üldiselt vahemikus 3.3 V kuni 3.6 V, seega on akumooduli pinge ligikaudu 30 V ja 45 V vahel.

Hübriidtoiteallikaks on 450-voldine alalisvooluallikas. Selleks, et kompenseerida aku pinge muutumist laetuse olekuga, on asjakohane ühendada akuploki ja mootori vahele alalis-alalisvoolu muundur. Muundur piirab ka aku vooluvõimsust.

Tagamaks, et alalis-alalisvoolu muundur töötab parimas seisukorras, peab aku pinge olema vahemikus 150V ~ 300V. Seetõttu on vaja järjestikku 5–8 akumoodulit.

vajadus tasakaalu järele

Kui pinge ületab lubatud piiri, saab liitiumaku kergesti kahjustada (nagu on näidatud joonisel 2). Kui pinge ületab ülemise ja alumise piiri (nanofosfaat-liitiumpatareide puhul 2 V, ülemise piiri puhul 3.6 V), võib aku saada pöördumatult kahjustada. Tänu sellele vähemalt aku isetühjenemine kiireneb. Aku väljundpinge on laias laadimisoleku (SOC) vahemikus stabiilne ning ohutus vahemikus pole peaaegu mingit ohtu, et pinge ületaks normi. Kuid ohutu vahemiku mõlemas otsas on laadimiskõver suhteliselt järsk. Seetõttu on ennetava meetmena vaja pinget hoolikalt jälgida.

Kui pinge jõuab kriitilise väärtuseni, tuleb tühjendus- või laadimisprotsess viivitamatult peatada. Tugeva tasakaaluahela abil saab vastava aku pinge ohutusse skaalasse tagasi viia. Kuid selleks peab ahel olema võimeline elementide vahel energiat üle kandma, kui mõne elemendi pinge hakkab erinema teiste elementide pingest.

tasu tasakaalu meetod

1. Traditsiooniline kohustuslik: tüüpilises akukäitlussüsteemis on iga aku ühendatud lüliti kaudu koormustakistiga. See sundlülitus võib tühjendada individuaalselt valitud akusid. Seda meetodit saab laadida aga ainult tugevaima aku pingetõusu mahasurumiseks. Voolutarbimise piiramiseks võimaldab vooluahel tavaliselt tühjendamist vaid väikese 100 mA vooluga, mille tulemuseks on laengubilanss, mis võtab aega mitu tundi.

2. Automaatne tasakaalustamise meetod: materjalidega on seotud palju automaatseid tasakaalustamismeetodeid, mis kõik nõuavad energia kandmiseks energiasalvesti. Kui salvestuselemendina kasutatakse kondensaatorit, on selle ühendamiseks mis tahes akuga vaja suurt hulka lüliteid. Tõhusam meetod on energia salvestamine magnetvälja. Ahela põhikomponent on trafo. Prototüübi töötas välja Infineoni arendusmeeskond koostöös ettevõttega Vogt Electronic Components Co., Ltd. Selle funktsioonid on järgmised:

A. Energia ülekandmine akude vahel

Ühendage mitme elemendi pinge ADC-sisendi baaspingega

Ahel kasutab pöördskannimise trafo põhimõtet. See trafo suudab salvestada energiat magnetväljas.