Što je sustav upravljanja sigurnošću baterije?
upravljanje sigurnošću
Sustav upravljanja sigurnošću baterije prvenstveno osigurava siguran i učinkovit rad baterije, sprječavajući da se zapali zbog visokih temperatura ili otkaže zbog niskih temperatura. Budući da je baterija visoko{1}}naponski uređaj, visoko-naponski izolacijski zaštitni sustav bitan je kako bi se osigurala sigurnost putnika u vozilu i pješaka. Sustav upravljanja sigurnošću akumulatora mora biti u stanju maksimizirati performanse i akumulatora i vozila, istovremeno osiguravajući siguran rad vozila. Razvoj sustava upravljanja sigurnošću baterija od velikog je značaja za osiguranje sigurnosti života i imovine te poticanje razvoja električnih vozila.
Visok{0}}sustav ispitivanja izolacije
Uređaji za pohranu energije u električnim vozilima, kao što su baterije, gorive ćelije ili superkondenzatori, rade na naponima koji daleko premašuju siguran raspon napona za ljudsko tijelo; neki električni autobusi čak imaju baterije koje rade na 600 V. Izolacijska izvedba izolacijskih materijala u vozilu postupno se pogoršava tijekom uporabe zbog habanja, a povećana vlažnost također smanjuje izolacijsku izvedbu između visoko-naponske baterije i šasije. Kada se izolacijski sloj pozitivnih i negativnih izvoda baterije istroši i dođe u kontakt s kućištem, stvara se strujna petlja curenja, koja utječe na rad kontrolera motora, drugih ni-naponskih električnih uređaja, pa čak i ugrožava sigurnost putnika. Kada izolacija između više točaka sklopa baterije i kućišta stari, dolazi do samo-pražnjenja i nakupljanja energije, što u teškim slučajevima može dovesti do požara. Kako bi se osigurao siguran rad vozila, mora se instalirati uređaj za otkrivanje performansi izolacije za praćenje otpora izolacije između visokonaponskog-sustava i šasije u stvarnom vremenu.
Uobičajene metode ispitivanja izolacije uključuju:
1. Metoda izravnog mjerenja curenja
U istosmjernim sustavima ovo je najjednostavniji i najpraktičniji način. Postavite multimetar na trenutni raspon i spojite ga u seriju između pozitivnog pola baterije i kućišta uređaja (ili mase). Ovo će detektirati struju curenja između negativnog pola baterije i kućišta. Slično, može se spojiti u seriju između negativne stezaljke i kućišta kako bi se otkrila struja curenja između pozitivne stezaljke i kućišta. Ova je metoda jednostavna i laka za implementaciju, a obično se koristi u-otkrivanju grešaka na licu mjesta i rutinskim pregledima vozila.
2. Metoda očitavanja struje
Strujni senzor s Hallovim efektom uobičajena je metoda za otkrivanje curenja u visoko{0}}naponskim istosmjernim sustavima. Pozitivne i negativne sabirnice napajanja baterijskog sustava prolaze zajedno u istom smjeru kroz strujni senzor. Kada nema struje curenja, struja koja teče s pozitivnog terminala jednaka je struji koja se vraća na negativni terminal. Stoga je struja koja prolazi kroz senzor struje nula, a izlazni napon senzora struje je nula. Kada dođe do curenja, trenutni izlazni napon senzora nije nula. Predznak ovog napona može se koristiti za daljnje određivanje potječe li struja curenja s pozitivnog ili negativnog priključka napajanja. Međutim, ova metoda testiranja zahtijeva da baterija koja se testira radi, sa strujom koja ulazi i izlazi. Ne može procijeniti izolacijsku izvedbu baterijskog sustava prema masi u-uvjetima bez opterećenja.
3. Metoda mjerenja mjerača izolacijskog otpora
Ova metoda koristi mjerač otpora izolacije za mjerenje vrijednosti otpora izolacije. Mjerač izolacijskog otpora, obično poznat kao megohmmetar, često se napaja pomoću ručnog-generatora, pa se stoga naziva i megohmmetar. Njegova se ljestvica temelji na izolacijskom otporu i često je korišten mjerni instrument u elektrotehnici. Njegov princip rada prikazan je na slici 8-29.
Instrument radi tako što pobuđuje uređaj ili mrežu koja se ispituje naponom, zatim mjeri struju koju stvara pobuda i koristi Ohmov zakon za mjerenje otpora. Mjerač izolacijskog otpora uglavnom se sastoji od dva dijela: ručnog-generatora i mjerača magnetoelektričnog omjera. Okretanjem ručke, ručno{3}}pokretani generator stvara izmjenični visoki napon, koji se ispravlja pomoću diode kako bi se osigurao istosmjerni visoki napon za mjerenje. Mjerač magnetoelektričnog omjera zatim mjeri omjer struje u naponskoj zavojnici i strujnoj zavojnici, a pokazivač kazaljke pokazuje ljestvicu otpora.
Sve gore navedene tri metode koriste vlastitu opremu za ispitivanje struje curenja i otpora izolacije, što predstavlja određene poteškoće za integraciju u sustave upravljanja baterijama. Metode mjerenja krugova češće se koriste u sustavima upravljanja baterijama. Načelo uobičajenog mjerenja izolacije istosmjernog napona prikazano je na slici 8-30.
U ovom blok dijagramu, R₁, R₂, R3, i R4 su otpornici visokog-otpora (npr. 500kΩ ili više), čime se osigurava da se razina izolacije ne smanjuje umjetno tijekom mjerenja. Rₙ i Rₚ su otpori izolacije pozitivnih i negativnih izvoda baterije za napajanje prema karoseriji vozila. R' i R" su otpornici za razdjelnike napona s malim otporima (npr. oko 2000Ω), koji omogućuju čipu za A-D pretvorbu da preko njih dobije analogne signale razine mV-.
Kada je prekidač S u isključenom stanju, vrijednosti napona preko Rₙ i Rₚ mogu se dobiti putem mjernog čipa, što dovodi do sljedeće jednadžbe:
U formuli, V₁ i V₂ predstavljaju napone prema masi pozitivnih i negativnih sabirnica kada je sklopka S otvorena.
Slično, kada je sklopka S zatvorena, može se dobiti druga jednadžba:
U formuli, V'₁ i V'₂ predstavljaju pozitivne i negativne napone sabirnice prema masi kada je S zatvoren.
Budući da su poznate vrijednosti otpora serijskih otpornika R₁, R₂, R3, R4, R i R', sustav jednadžbi (8-5) i (8-6) može se koristiti za rješavanje R₊ i R₋.
Ostale metode mjerenja izolacijskog otpora koje se koriste u sustavima za upravljanje baterijama uključuju metodu uravnoteženog mosta, metodu ubrizgavanja visoko-frekventnog signala i metodu pomoćnog napajanja. Kako se napon električnih baterija povećava i njihova primjena postaje sve raširenija, sigurnost izolacije električnih vozila postaje sve važnija, a istraživači kontinuirano dizajniraju i potvrđuju različite metode praćenja izolacije.
Vršna snaga
SOP (stanje snage) je maksimalna snaga koju baterija može osloboditi ili apsorbirati unutar unaprijed određenog vremenskog intervala. Vršna snaga koristi se za procjenu granica punjenja i pražnjenja akumulatora pod različitim stanjima napunjenosti, igrajući ključnu ulogu u optimizaciji usklađivanja između paketa baterija i performansi snage vozila, kao i maksimiziranju funkcije regenerativnog kočenja elektromotora. Također ima značajnu teorijsku i praktičnu vrijednost za racionalnu upotrebu baterija, izbjegavanje prekomjernog punjenja ili prekomjernog-pražnjenja, poboljšanje sigurnosti baterije i produljenje vijeka trajanja baterije. Međutim, vršna snaga baterije podložna je brojnim sigurnosnim ograničenjima; samo vršna snaga unutar ovih sigurnosnih granica ima praktični značaj. Ovaj odjeljak govori o nekim parametrima baterije koji ograničavaju vršnu snagu i istražuje odnos između sigurnosti baterije i vršne snage.
1. Ograničenja-temeljena na temperaturi
Vodljivost elektrolita i aktivnost anodnih i katodnih materijala mijenjaju se s temperaturom, utječući tako na gornju granicu snage punjenja i pražnjenja baterije. Brzina reakcije elektroda opada kako se temperatura smanjuje. Temperatura također utječe na brzine prijenosa iona i elektrona u elektrolitu. Ove stope rastu s porastom temperature i obrnuto. Nadalje, ako je temperatura previsoka, prekoračujući specificirano temperaturno ograničenje, kemijska ravnoteža unutar baterije bit će poremećena, uzrokujući probleme sa sigurnošću baterije.
Kao što je prikazano na slici 8-31, vršna snaga baterije mijenja se s temperaturom, pokazujući jasno nelinearnu krivulju. Vršna snaga opada kako se temperatura smanjuje, mijenjajući se polako na niskim temperaturama. Vršna snaga raste s porastom temperature, ali pretjerano visoke temperature otežavaju rasipanje topline, negativno utječući na sigurnost i životni vijek baterije.
2. Ograničenja-temeljena na stanju naplate (SOC).
SOC ograničenje za SOP (početak rada) osmišljeno je da spriječi prekomjerno punjenje i prekomjerno{0}}pražnjenje baterije tijekom rada, osiguravajući sigurnost baterije. Pri proučavanju odnosa između vršne snage i SOC-a, utjecaj faktora kao što su temperatura i brzina punjenja/pražnjenja na SOC također se mora uzeti u obzir kako bi se poboljšala točnost mjerenja SOC-a. Kao što je prikazano na slici 8-32, s povećanjem stanja napunjenosti (SOC), snaga pražnjenja se povećava dok se snaga punjenja smanjuje. Na primjer, unutar istog raspona SOC-a, kada se SOC poveća s 10% na 90%, vršna snaga pražnjenja povećava se s 222W na 693W, dok se vršna snaga punjenja smanjuje sa 675W na 300W. Proučavanjem vršne snage pod različitim SOC uvjetima može se procijeniti sposobnost punjenja i pražnjenja baterije, pružajući podatke i tehničku podršku za njezinu upotrebu u električnim vozilima.
3. Ograničenja temeljena na ohmičkom otporu
Kao što je prikazano na slici 8-33, vršna snaga baterije približno je obrnuto proporcionalna njenom omskom unutarnjem otporu. Što je manji omski unutarnji otpor, veća je i brža izlazna snaga; obrnuto, što je veći ohmski unutarnji otpor, to je manja i sporija vršna izlazna snaga.
Temperatura baterije, stanje napunjenosti (SOC) i unutarnji otpor usko su povezani s njezinim sigurnosnim statusom. Stoga, stanje rada baterije (SOP) mora zadovoljiti ograničenja koja nameću ova tri čimbenika kako bi se osigurao siguran rad i produljio njezin životni vijek.
