Metodeanalyse for aktiv ladningsbalanse

Automotive Systems Engineering Department i München-baserte Infineon Technologies fikk nylig et oppdrag om å utvikle elektriske kjøretøy. Et elektrisk kjøretøy er et kjørbart kjøretøy, noe som har stor betydning for å demonstrere den elektriske ytelsen til hybride elektriske kjøretøyer. Bilen skal drives av en stor litiumbatteripakke, og utviklerne forstår at et balansert batteri er nødvendig. I dette tilfellet må du velge automatisk energioverføring mellom batterier i stedet for den tradisjonelle enkle ladebalanseringsmetoden. Selvladingsbalansesystemet de utviklet kan gi overlegne funksjoner til samme kostnad som den obligatoriske planen.

Batteristruktur

Ni-Cd- og Ni-MH-batterier har dominert batterimarkedet i mange år. Selv om 18650 litiumbatteriet er et produkt som først nylig har kommet inn på markedet, øker markedsandelen raskt på grunn av den betydelige ytelsesforbedringen. Lagringskapasiteten til litiumbatterier er imponerende, men likevel er kapasiteten til et enkelt batteri utilstrekkelig for spenning eller strøm for å dekke behovene til en hybridmotor. Flere batterier kan kobles parallelt for å øke batteristrømforsyningsstrømmen, og flere batterier kan kobles i serie for å øke batteristrømforsyningsspenningen.

Batterimontører bruker ofte akronymer for å beskrive batteriproduktene sine, for eksempel 3P50S, som betyr en batteripakke som består av 3 parallelle batterier og 50 batterier i serie.

Den modulære strukturen er ideell for håndtering av batterier, inkludert flere serier med battericeller. For eksempel, i 3P12S-batterigruppen, er hver 12. battericelle koblet i serie for å danne en blokk. Disse batteriene kan kontrolleres og balanseres av en elektronisk krets sentrert på en mikrokontroller.

Utgangsspenningen til batterimodulen avhenger av antall seriekoblede batterier og spenningen til hvert batteri. Spenningen til et litiumbatteri er vanligvis mellom 3.3V og 3.6V, så spenningen til batterimodulen er omtrent mellom 30V og 45V.

Hybridkraften drives av en 450 volt likestrømforsyning. For å kompensere for endringen i batterispenning med ladetilstanden, er det hensiktsmessig å koble en DC-DC-omformer mellom batteripakken og motoren. Omformeren begrenser også strømutgangen til batteripakken.

For å sikre at DC-DC-omformeren fungerer i best mulig stand, må batterispenningen være mellom 150V ~ 300V. Derfor trengs 5 ​​til 8 batterimoduler i serie.

behovet for balanse

Når spenningen overskrider den tillatte grensen, blir litiumbatteriet lett skadet (som vist i figur 2). Når spenningen overskrider øvre og nedre grense (2V for nanofosfatlitiumbatterier, 3.6V for øvre grense), kan batteriet bli uopprettelig skadet. Som et resultat blir i det minste selvutladingen av batteriet akselerert. Utgangsspenningen til batteriet er stabil i et bredt ladetilstandsområde (SOC), og det er nesten ingen risiko for at spenningen overskrider standarden innenfor et sikkert område. Men i begge ender av det sikre området er ladekurven relativt bratt. Derfor, som et forebyggende tiltak, er det nødvendig å nøye overvåke spenningen.

Hvis spenningen når en kritisk verdi, må utladingen eller ladeprosessen stoppes umiddelbart. Ved hjelp av en robust balansekrets kan spenningen til det aktuelle batteriet returneres til en sikker skala. Men for å gjøre dette, må kretsen være i stand til å overføre energi mellom celler når spenningen til en celle begynner å avvike fra spenningen til andre celler.

kostnadsbalansemetode

1. Tradisjonell obligatorisk: I et typisk batterihåndteringssystem er hvert batteri koblet til en belastningsmotstand gjennom en bryter. Denne tvungne kretsen kan lade ut individuelt valgte batterier. Denne metoden kan imidlertid bare lades opp for å undertrykke spenningsøkningen til det sterkeste batteriet. For å begrense strømforbruket tillater kretsen vanligvis bare utlading ved en liten strøm på 100 mA, noe som gir en ladebalanse som tar flere timer.

2. Automatisk balanseringsmetode: Det finnes mange automatiske balanseringsmetoder knyttet til materialer, som alle krever et energilagringselement for å bære energi. Hvis en kondensator brukes som et lagringselement, krever det et stort utvalg av brytere å koble den til et hvilket som helst batteri. En mer effektiv metode er å lagre energi i et magnetfelt. Nøkkelkomponenten i kretsen er transformatoren. Prototypen ble utviklet av Infineon utviklingsteam i samarbeid med Vogt Electronic Components Co., Ltd. Dens funksjoner er som følger:

A. Overfør energi mellom batterier

Koble spenningen til flere celler til basisspenningen til ADC-inngangen

Kretsen bruker prinsippet om en omvendt skanningstransformator. Denne transformatoren kan lagre energi i et magnetfelt.