تجزیه و تحلیل روش تراز شارژ فعال

دپارتمان مهندسی سیستم های خودرو Infineon Technologies مستقر در مونیخ اخیراً مأموریتی برای توسعه وسایل نقلیه الکتریکی دریافت کرده است. وسیله نقلیه الکتریکی یک وسیله نقلیه قابل رانندگی است که برای نشان دادن عملکرد الکتریکی وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی از اهمیت بالایی برخوردار است. این خودرو توسط یک بسته باتری لیتیومی بزرگ تامین می شود و توسعه دهندگان می دانند که یک باتری متعادل ضروری است. در این مورد، شما باید به جای روش متعادل سازی شارژ ساده سنتی، انتقال خودکار انرژی بین باتری ها را انتخاب کنید. سیستم متعادل کننده خود شارژی که آنها توسعه دادند می تواند عملکردهای برتر را با هزینه ای مشابه طرح اجباری ارائه دهد.

ساختار باتری

باتری های Ni-Cd و Ni-MH سال هاست که بر بازار باتری ها تسلط داشته اند. اگرچه باتری لیتیومی 18650 محصولی است که به تازگی وارد بازار شده است، اما به دلیل بهبود قابل توجه عملکرد، سهم آن در بازار به سرعت در حال افزایش است. ظرفیت ذخیره سازی باتری های لیتیومی قابل توجه است، اما با این وجود، ظرفیت یک باتری برای ولتاژ یا جریان کافی برای پاسخگویی به نیازهای یک موتور هیبریدی نیست. برای افزایش جریان منبع تغذیه باتری می توان چندین باتری را به صورت موازی وصل کرد و برای افزایش ولتاژ منبع تغذیه باتری چندین باتری را به صورت سری وصل کرد.

مونتاژکنندگان باتری اغلب از کلمات اختصاری برای توصیف محصولات باتری خود استفاده می کنند، مانند 3P50S، که به معنای بسته باتری متشکل از 3 باتری موازی و 50 باتری به صورت سری است.

ساختار ماژولار برای جابجایی باتری ها، از جمله چندین سری سلول باتری، ایده آل است. به عنوان مثال، در آرایه باتری 3P12S، هر 12 سلول باتری به صورت سری به هم متصل می شوند تا یک بلوک را تشکیل دهند. این باتری ها را می توان توسط یک مدار الکترونیکی که در مرکز یک میکروکنترلر قرار دارد، کنترل و متعادل کرد.

ولتاژ خروجی ماژول باتری به تعداد باتری های متصل به صورت سری و ولتاژ هر باتری بستگی دارد. ولتاژ باتری لیتیومی معمولاً بین 3.3 تا 3.6 ولت است، بنابراین ولتاژ ماژول باتری تقریباً بین 30 تا 45 ولت است.

برق هیبریدی توسط یک منبع تغذیه 450 ولت DC تامین می شود. برای جبران تغییر ولتاژ باتری با وضعیت شارژ، مناسب است مبدل DC-DC را بین بسته باتری و موتور متصل کنید. مبدل همچنین خروجی جریان بسته باتری را محدود می کند.

به منظور اطمینان از اینکه مبدل DC-DC در بهترین شرایط کار می کند، ولتاژ باتری باید بین 150 تا 300 ولت باشد. بنابراین، 5 تا 8 ماژول باتری به صورت سری مورد نیاز است.

نیاز به تعادل

هنگامی که ولتاژ از حد مجاز فراتر رود، باتری لیتیومی به راحتی آسیب می بیند (همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است). هنگامی که ولتاژ از حد بالا و پایین فراتر رود (2 ولت برای باتری های لیتیوم نانو فسفات، 3.6 ولت برای حد بالایی)، باتری ممکن است به طور جبران ناپذیری آسیب ببیند. در نتیجه، حداقل خود تخلیه باتری تسریع می شود. ولتاژ خروجی باتری در محدوده وسیع حالت شارژ (SOC) پایدار است و تقریباً هیچ خطری وجود ندارد که ولتاژ بیش از حد استاندارد در محدوده ایمن باشد. اما در هر دو انتهای محدوده ایمن، منحنی شارژ نسبتاً شیب دار است. بنابراین، به عنوان یک اقدام پیشگیرانه، نظارت دقیق بر ولتاژ ضروری است.

اگر ولتاژ به یک مقدار بحرانی برسد، فرآیند تخلیه یا شارژ باید فورا متوقف شود. با کمک مدار تعادل قوی می توان ولتاژ باتری مربوطه را به مقیاس ایمن برگرداند. اما برای انجام این کار، مدار باید قادر به انتقال انرژی بین سلول ها باشد، زمانی که ولتاژ هر سلول شروع به متفاوت شدن با ولتاژ سلول های دیگر می کند.

روش تراز شارژ

1. اجباری سنتی: در یک سیستم کنترل باتری معمولی، هر باتری از طریق یک سوئیچ به یک مقاومت بار متصل می شود. این مدار اجباری می تواند باتری های انتخاب شده را به صورت جداگانه تخلیه کند. با این حال، این روش فقط برای سرکوب افزایش ولتاژ قوی ترین باتری قابل شارژ است. به منظور محدود کردن مصرف برق، مدار معمولاً فقط اجازه تخلیه با جریان کوچک 100 میلی آمپر را می دهد که منجر به تعادل شارژ می شود که چندین ساعت طول می کشد.

2. روش تعادل خودکار: روش های تعادل خودکار زیادی در رابطه با مواد وجود دارد که همه آنها برای حمل انرژی به عنصر ذخیره انرژی نیاز دارند. اگر از خازن به عنوان یک عنصر ذخیره سازی استفاده می شود، اتصال آن به هر باتری نیاز به مجموعه بزرگی از سوئیچ ها دارد. روش موثرتر ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی است. جزء کلیدی در مدار ترانسفورماتور است. نمونه اولیه توسط تیم توسعه Infineon با همکاری Vogt Electronic Components Co., Ltd ساخته شده است. وظایف آن به شرح زیر است:

الف. انتقال انرژی بین باتری ها

ولتاژ چند سلول را به ولتاژ پایه ورودی ADC وصل کنید

مدار از اصل ترانسفورماتور اسکن معکوس استفاده می کند. این ترانسفورماتور می تواند انرژی را در میدان مغناطیسی ذخیره کند.