Что такое система управления безопасностью аккумуляторов?
управление безопасностью
Система управления безопасностью аккумулятора в первую очередь обеспечивает безопасную и эффективную работу аккумуляторного блока, предотвращая его возгорание из-за высоких температур или выход из строя из-за низких температур. Поскольку аккумуляторная батарея представляет собой устройство высокого-напряжения, система защиты изоляции от высокого-напряжения необходима для обеспечения безопасности пассажиров и пешеходов. Система управления безопасностью аккумулятора должна обеспечивать максимальную производительность как аккумулятора, так и автомобиля, обеспечивая при этом безопасную эксплуатацию автомобиля. Разработка систем управления безопасностью аккумуляторов имеет большое значение для обеспечения безопасности жизни и имущества, а также содействия развитию электромобилей.
Система испытания изоляции высокого-напряжения
Устройства накопления энергии в электромобилях, такие как аккумуляторные батареи, топливные элементы или суперконденсаторы, работают при напряжениях, значительно превышающих безопасный диапазон напряжений для человеческого тела; в некоторых электробусах даже есть аккумуляторные батареи, работающие при напряжении 600 В. Изоляционные характеристики изоляционных материалов в автомобиле постепенно ухудшаются в процессе эксплуатации из-за износа, а повышенная влажность также снижает эффективность изоляции между высоковольтной аккумуляторной батареей и шасси. Когда изоляционный слой положительных и отрицательных клемм батареи изнашивается и соприкасается с шасси, создается петля тока утечки, влияющая на работу контроллера двигателя, других низковольтных электроприборов и даже ставящая под угрозу безопасность пассажиров. Когда изоляция между несколькими точками цепи аккумуляторной батареи и корпусом стареет, происходит само-саморазряд и накопление энергии, что в тяжелых случаях может привести к возгоранию. Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию автомобиля, необходимо установить устройство определения характеристик изоляции, которое будет контролировать сопротивление изоляции между системой высокого-напряжения и шасси в режиме реального времени.
Обычно используемые методы тестирования изоляции включают в себя:
1. Метод прямого измерения утечек.
В системах постоянного тока это самый простой и практичный метод. Установите мультиметр на диапазон тока и подключите его последовательно между положительной клеммой аккумуляторной батареи и корпусом устройства (или массой). Это позволит обнаружить ток утечки между отрицательной клеммой аккумуляторной батареи и корпусом. Аналогично, его можно подключить последовательно между отрицательной клеммой и корпусом для обнаружения тока утечки между положительной клеммой и корпусом. Этот метод прост и удобен в реализации и обычно используется при-выявлении неисправностей на месте и при плановых проверках транспортных средств.
2. Метод измерения тока
Датчик тока на эффекте Холла — распространенный метод обнаружения утечек в системах постоянного-высокого напряжения. Положительная и отрицательная шины питания аккумуляторной системы проходят вместе в одном направлении через датчик тока. Когда ток утечки отсутствует, ток, текущий от положительной клеммы, равен току, возвращающемуся к отрицательной клемме. Следовательно, ток, проходящий через датчик тока, равен нулю, а выходное напряжение датчика тока равно нулю. При возникновении утечки выходное напряжение датчика тока не равно нулю. Знак этого напряжения можно использовать для дальнейшего определения того, возникает ли ток утечки с положительной или отрицательной клеммы источника питания. Однако этот метод тестирования требует, чтобы проверяемый аккумуляторный блок был в рабочем состоянии, с протекающим и выходящим током. Он не может оценить характеристики изоляции аккумуляторной системы относительно заземления в условиях холостого хода.
3. Метод измерения сопротивления изоляции с помощью измерителя.
В этом методе используется измеритель сопротивления изоляции для измерения значения сопротивления изоляции. Измеритель сопротивления изоляции, широко известный как мегаомметр, часто приводится в действие генератором с ручным-запуском, поэтому его также называют мегаомметром. Его шкала основана на сопротивлении изоляции и является широко используемым измерительным прибором в электротехнике. Принцип его работы показан на рисунке 8-29.
Прибор работает путем возбуждения тестируемого устройства или сети напряжением, затем измерения тока, генерируемого возбуждением, и использования закона Ома для измерения сопротивления. Измеритель сопротивления изоляции в основном состоит из двух частей: генератора с ручным-запуском и измерителя магнитоэлектрического коэффициента. При повороте ручки генератор с ручным-проворачиванием генерирует высокое напряжение переменного тока, которое выпрямляется диодом для обеспечения высокого напряжения постоянного тока для измерения. Затем измеритель магнитоэлектрического отношения измеряет соотношение тока в катушке напряжения и катушке тока, а указательный индикатор указывает шкалу сопротивления.
Во всех вышеперечисленных трех методах используется собственное оборудование для измерения тока утечки и испытания сопротивления изоляции, что представляет определенные трудности для интеграции в системы управления батареями. Методы измерения цепей чаще используются в системах управления батареями. Принцип обычно используемого измерения напряжения изоляции постоянного тока показан на рисунке 8-30.
На этой блок-схеме R₁, R₂, R₃ и R₄ – это резисторы с высоким-сопротивлением (например, 500 кОм или выше), гарантирующие, что уровень изоляции искусственно не уменьшится во время измерения. Rₙ и Rₚ — сопротивления изоляции положительной и отрицательной клемм силовой аккумуляторной батареи относительно кузова автомобиля соответственно. R' и R" представляют собой резисторы делителя напряжения с небольшим сопротивлением (например, около 2000 Ом), позволяющие микросхеме аналого-цифрового преобразования получать через них аналоговые сигналы уровня мВ-.
Когда переключатель S находится в выключенном состоянии, значения напряжения на Rₙ и Rₚ можно получить с помощью измерительного чипа, что приводит к следующему уравнению:
В формуле V₁ и V₂ представляют собой напряжения относительно земли положительной и отрицательной шин, когда переключатель S разомкнут.
Аналогично, когда переключатель S замкнут, можно получить другое уравнение:
В формуле V'₁ и V'₂ представляют собой положительное и отрицательное напряжение шины относительно земли, когда S замкнут.
Поскольку значения сопротивления последовательных резисторов R₁, R₂, R₃, R₄, R и R' известны, систему уравнений (8-5) и (8-6) можно использовать для решения R₊ и R₋.
Другие методы измерения сопротивления изоляции, используемые в системах управления батареями, включают метод балансного моста, метод подачи высокочастотного сигнала и метод вспомогательного источника питания. По мере увеличения напряжения силовых батарей и расширения их применения безопасность изоляции электромобилей становится все более важной, и исследователи постоянно разрабатывают и проверяют различные методы мониторинга изоляции.
Пиковая мощность
SOP (Состояние мощности) — это максимальная мощность, которую батарея может высвободить или поглотить в течение заранее определенного интервала времени. Пиковая мощность используется для оценки пределов зарядки и разрядки силовой батареи при различных состояниях заряда, играя решающую роль в оптимизации соответствия между силовой аккумуляторной батареей и мощностью автомобиля, а также в максимизации функции рекуперативного торможения электродвигателя. Это также имеет важное теоретическое и практическое значение для рационального использования аккумуляторов, предотвращения перезарядки и чрезмерной-разрядки, повышения безопасности аккумуляторов и продления срока их службы. Однако пиковая мощность батареи подлежит многочисленным ограничениям безопасности; только пиковая мощность в этих пределах безопасности имеет практическое значение. В этом разделе обсуждаются некоторые параметры батареи, которые ограничивают пиковую мощность, и исследуется взаимосвязь между безопасностью батареи и пиковой мощностью.
1. Ограничения,-зависимые от температуры
Проводимость электролита и активность материалов анода и катода изменяются с температурой, что влияет на верхний предел мощности заряда и разряда батареи. Скорость реакции электродов снижается с понижением температуры. Температура также влияет на скорость транспорта ионов и электронов в электролите. Эти скорости увеличиваются с повышением температуры и наоборот. Кроме того, если температура слишком высока и превышает указанный температурный предел, химический баланс внутри батареи будет нарушен, что приведет к проблемам с безопасностью батареи.
Как показано на рисунке 8-31, пиковая мощность батареи меняется в зависимости от температуры, демонстрируя явно нелинейную кривую. Пиковая мощность уменьшается с понижением температуры и медленно меняется при низких температурах. Пиковая мощность увеличивается с увеличением температуры, но чрезмерно высокие температуры затрудняют отвод тепла, что отрицательно влияет на безопасность и срок службы батареи.
2. Ограничения на основе состояния заряда (SOC)-
Ограничение SOC для SOP (начала эксплуатации) предназначено для предотвращения перезарядки и чрезмерной-разрядки силовой батареи во время работы, обеспечивая безопасность батареи. При изучении взаимосвязи между пиковой мощностью и SOC необходимо также учитывать влияние таких факторов, как температура и скорость заряда/разряда на SOC, чтобы повысить точность измерения SOC. Как показано на рисунке 8-32, с увеличением состояния заряда (SOC) мощность разряда увеличивается, а мощность зарядки снижается. Например, в том же диапазоне SOC, когда SOC увеличивается с 10% до 90%, пиковая мощность разряда увеличивается с 222 Вт до 693 Вт, а пиковая мощность зарядки снижается с 675 Вт до 300 Вт. Изучение пиковой мощности в различных условиях SOC может оценить возможности зарядки и разрядки аккумулятора, предоставив данные и техническую поддержку для его использования в электромобилях.
3. Ограничения, основанные на омическом сопротивлении.
Как показано на рисунке 8-33, пиковая мощность батареи примерно обратно пропорциональна ее омическому внутреннему сопротивлению. Чем меньше омическое внутреннее сопротивление, тем больше и быстрее пиковая выходная мощность; и наоборот, чем больше омическое внутреннее сопротивление, тем меньше и медленнее пиковая выходная мощность.
Температура аккумулятора, уровень заряда (SOC) и внутреннее сопротивление тесно связаны с его статусом безопасности. Следовательно, рабочее состояние батареи (SOP) должно соответствовать ограничениям, налагаемым этими тремя факторами, чтобы обеспечить безопасную работу и продлить срок ее службы.
