Phân tích phương pháp cân bằng phí hoạt động

Phòng Kỹ thuật Hệ thống Ô tô của Infineon Technologies có trụ sở tại Munich gần đây đã nhận được nhiệm vụ phát triển xe điện. Xe điện là một phương tiện có thể lái được, có ý nghĩa rất lớn trong việc thể hiện tính năng hoạt động của xe điện hybrid. Chiếc xe sẽ được cung cấp năng lượng bởi một bộ pin lithium lớn và các nhà phát triển hiểu rằng một bộ pin cân bằng là cần thiết. Trong trường hợp này, bạn cần chọn cách truyền năng lượng tự động giữa các pin thay vì phương pháp cân bằng điện tích đơn giản truyền thống. Hệ thống cân bằng tự tính phí do họ phát triển có thể cung cấp các chức năng ưu việt với chi phí tương đương với gói cước bắt buộc.

Cấu trúc pin

Pin Ni-Cd và Ni-MH đã thống trị thị trường pin trong nhiều năm. Mặc dù pin 18650 lithium là một sản phẩm chỉ mới gia nhập thị trường gần đây, nhưng thị phần của nó đang tăng lên nhanh chóng do hiệu suất được cải thiện đáng kể. Khả năng lưu trữ của pin lithium là rất ấn tượng, nhưng ngay cả như vậy, dung lượng của một pin không đủ điện áp hoặc dòng điện để đáp ứng nhu cầu của động cơ hybrid. Nhiều pin có thể được kết nối song song để tăng dòng điện cung cấp cho pin, và nhiều pin có thể được mắc nối tiếp để tăng điện áp cung cấp năng lượng cho pin.

Các nhà lắp ráp pin thường sử dụng các từ viết tắt để mô tả sản phẩm pin của họ, chẳng hạn như 3P50S, có nghĩa là một bộ pin bao gồm 3 pin song song và 50 pin mắc nối tiếp.

Cấu trúc mô-đun lý tưởng để xử lý pin, bao gồm nhiều loạt pin. Ví dụ, trong mảng pin 3P12S, cứ 12 ô pin được kết nối nối tiếp với nhau để tạo thành một khối. Các pin này có thể được điều khiển và cân bằng bởi một mạch điện tử tập trung vào một bộ vi điều khiển.

Điện áp đầu ra của mô-đun pin phụ thuộc vào số lượng pin mắc nối tiếp và điện áp của mỗi pin. Điện áp của pin lithium nói chung là từ 3.3V đến 3.6V, do đó, điện áp của mô-đun pin xấp xỉ từ 30V đến 45V.

Nguồn hybrid được cung cấp bởi nguồn điện một chiều 450 volt. Để bù lại sự thay đổi điện áp của ắc quy với trạng thái đang sạc, cách thích hợp là kết nối bộ chuyển đổi DC-DC giữa bộ ắc quy và động cơ. Bộ chuyển đổi cũng giới hạn đầu ra hiện tại của bộ pin.

Để đảm bảo bộ chuyển đổi DC-DC hoạt động trong điều kiện tốt nhất, điện áp của ắc quy phải nằm trong khoảng từ 150V ~ 300V. Do đó, cần có 5 đến 8 mô-đun pin mắc nối tiếp.

nhu cầu cân bằng

Khi điện áp vượt quá giới hạn cho phép, pin lithium rất dễ bị hỏng (như hình 2). Khi điện áp vượt quá giới hạn trên và dưới (2V đối với pin lithium nano photphat, 3.6V đối với giới hạn trên), pin có thể bị hỏng không thể sửa chữa được. Kết quả là, ít nhất quá trình tự xả của pin được đẩy nhanh. Điện áp đầu ra của pin ổn định trong phạm vi trạng thái sạc (SOC) rộng, và hầu như không có nguy cơ điện áp vượt quá tiêu chuẩn trong phạm vi an toàn. Nhưng ở cả hai đầu của phạm vi an toàn, đường cong tính phí tương đối dốc. Vì vậy, để phòng ngừa, cần phải theo dõi chặt chẽ điện áp.

Nếu điện áp đạt đến giá trị tới hạn, quá trình phóng điện hoặc sạc phải được dừng lại ngay lập tức. Với sự trợ giúp của mạch cân bằng mạnh mẽ, điện áp của pin có liên quan có thể được đưa về mức an toàn. Nhưng để làm được điều này, mạch phải có khả năng truyền năng lượng giữa các tế bào khi điện áp của một tế bào bất kỳ bắt đầu khác với điện áp của các tế bào khác.

phương pháp cân bằng phí

1. Bắt buộc truyền thống: Trong một hệ thống xử lý pin điển hình, mỗi pin được kết nối với một điện trở tải thông qua một công tắc. Mạch cưỡng bức này có thể xả pin được chọn riêng lẻ. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể được sạc lại để ngăn chặn sự gia tăng điện áp của pin mạnh nhất. Để hạn chế tiêu thụ điện năng, mạch thường chỉ cho phép phóng điện ở dòng điện nhỏ 100 mA, dẫn đến sự cân bằng điện tích phải mất vài giờ.

2. Phương pháp cân bằng tự động: Có rất nhiều phương pháp cân bằng tự động liên quan đến vật liệu, tất cả đều cần một phần tử lưu trữ năng lượng để mang năng lượng. Nếu một tụ điện được sử dụng như một phần tử lưu trữ, việc kết nối nó với bất kỳ loại pin nào cần phải có một dãy công tắc lớn. Một phương pháp hiệu quả hơn là lưu trữ năng lượng trong từ trường. Thành phần quan trọng trong mạch là máy biến áp. Nguyên mẫu được phát triển bởi nhóm phát triển Infineon hợp tác với Vogt Electronic Components Co., Ltd. Các chức năng của nó như sau:

A. Truyền năng lượng giữa các pin

Kết nối điện áp của nhiều ô với điện áp cơ bản của đầu vào ADC

Mạch sử dụng nguyên lý biến áp quét ngược. Máy biến áp này có thể lưu trữ năng lượng trong từ trường.