سیستم مدیریت ایمنی باتری چیست؟

سیستم مدیریت ایمنی باتری چیست؟

سیستم مدیریت ایمنی باتری در درجه اول عملکرد ایمن و کارآمد بسته باتری را تضمین می کند و از آتش گرفتن آن به دلیل دمای بالا یا از کار افتادن آن به دلیل دمای پایین جلوگیری می کند. از آنجایی که بسته باتری دستگاهی با ولتاژ بالا است، برای اطمینان از ایمنی سرنشینان وسیله نقلیه و عابران پیاده، یک سیستم حفاظتی عایق با ولتاژ بالا- ضروری است. سیستم مدیریت ایمنی باتری باید بتواند عملکرد باتری و خودرو را به حداکثر برساند و در عین حال از عملکرد ایمن خودرو اطمینان حاصل کند. توسعه سیستم های مدیریت ایمنی باتری برای تضمین ایمنی جان و مال و ارتقای توسعه وسایل نقلیه الکتریکی اهمیت زیادی دارد.

دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی، مانند بسته‌های باتری نیرو، سلول‌های سوختی یا ابرخازن‌ها، در ولتاژهایی بسیار فراتر از محدوده ولتاژ ایمن برای بدن انسان کار می‌کنند. برخی از اتوبوس های برقی حتی دارای بسته باتری هایی هستند که با ولتاژ 600 ولت کار می کنند. عملکرد عایق مواد عایق در وسیله نقلیه در حین استفاده به دلیل فرسودگی و پارگی به تدریج بدتر می شود و افزایش رطوبت نیز عملکرد عایق را بین باتری ولتاژ بالا و شاسی کاهش می دهد. هنگامی که لایه عایق پایانه های مثبت و منفی باتری ساییده می شود و با شاسی تماس پیدا می کند، یک حلقه جریان نشتی ایجاد می شود که بر عملکرد کنترل کننده موتور، سایر وسایل الکتریکی با ولتاژ پایین- تأثیر می گذارد و حتی ایمنی سرنشینان را به خطر می اندازد. هنگامی که عایق بین چند نقطه مدار بسته باتری و شاسی قدیمی می‌شود، تخلیه خود-و انباشته انرژی اتفاق می‌افتد که به طور بالقوه منجر به آتش‌سوزی در موارد شدید می‌شود. برای اطمینان از عملکرد ایمن خودرو، یک دستگاه تشخیص عملکرد عایق باید نصب شود تا مقاومت عایق بین سیستم ولتاژ بالا و شاسی را در زمان واقعی نظارت کند.

روش های رایج تست عایق عبارتند از:

در سیستم های DC این ساده ترین و کاربردی ترین روش است. یک مولتی متر را روی محدوده جریان تنظیم کنید و آن را به صورت سری بین پایانه مثبت بسته باتری و بدنه دستگاه (یا زمین) وصل کنید. این جریان نشتی بین پایانه منفی بسته باتری و بدنه را تشخیص می دهد. به طور مشابه، می توان آن را به صورت سری بین ترمینال منفی و بدنه متصل کرد تا جریان نشتی بین پایانه مثبت و بدنه را تشخیص دهد. این روش ساده و آسان برای پیاده سازی است، و معمولاً در-تشخیص عیب در سایت و بازرسی های معمول خودرو استفاده می شود.

سنسور جریان اثر هال روشی متداول برای تشخیص نشتی در سیستم‌های DC ولتاژ بالا-است. گذرگاه های قدرت مثبت و منفی سیستم باتری با هم در یک جهت از سنسور جریان عبور می کنند. هنگامی که جریان نشتی وجود ندارد، جریانی که از ترمینال مثبت می گذرد برابر با جریان بازگشتی به ترمینال منفی است. بنابراین جریان عبوری از سنسور جریان صفر و ولتاژ خروجی سنسور جریان صفر است. هنگامی که نشتی رخ می دهد، ولتاژ خروجی سنسور جریان صفر نیست. از علامت این ولتاژ می توان برای تعیین بیشتر اینکه آیا جریان نشتی از ترمینال مثبت یا منفی منبع تغذیه منشا می گیرد استفاده کرد. با این حال، این روش آزمایشی مستلزم آن است که بسته باتری تحت آزمایش، با جریان وارد و خارج شود. نمی تواند عملکرد عایق سیستم باتری را به زمین در شرایط بدون بار- ارزیابی کند.

در این روش از یک متر مقاومت عایق برای اندازه گیری مقدار مقاومت عایق استفاده می شود. مقاومت عایق سنج، که معمولاً به عنوان مگاهم متر شناخته می شود، اغلب توسط یک ژنراتور-دستی تغذیه می شود، از این رو مگاهم متر نیز نامیده می شود. مقیاس آن بر اساس مقاومت عایق است و یک ابزار اندازه گیری رایج در مهندسی برق است. اصل کار آن در شکل 8-29 نشان داده شده است.

این ابزار با تحریک دستگاه یا شبکه تحت آزمایش با یک ولتاژ، سپس اندازه گیری جریان تولید شده توسط تحریک و استفاده از قانون اهم برای اندازه گیری مقاومت کار می کند. مقاومت عایق سنج عمدتاً از دو بخش تشکیل شده است: یک مولد-دستی و یک نسبت سنج مغناطیسی. با چرخاندن دسته، ژنراتور{3}}دستی ولتاژ AC تولید می کند که توسط یک دیود اصلاح می شود تا ولتاژ بالا DC برای اندازه گیری فراهم شود. نسبت‌سنج مگنتوالکتریک سپس نسبت جریان سیم‌پیچ ولتاژ و سیم‌پیچ جریان را اندازه‌گیری می‌کند و نشانگر نشانگر مقیاس مقاومت را نشان می‌دهد.

سه روش فوق، همگی از تجهیزات اختصاصی برای آزمایش جریان نشتی و مقاومت عایق استفاده می کنند، که مشکلات خاصی را برای ادغام در سیستم های مدیریت باتری ایجاد می کند. روش های اندازه گیری مدار بیشتر در سیستم های مدیریت باتری استفاده می شود. اصل اندازه گیری عایق ولتاژ DC رایج در شکل 30-8 نشان داده شده است.

Figure 8-29 Working principle of insulation resistance meter

Figure 8-30 DC voltage insulation measurement

در این بلوک دیاگرام، R1، R2، R3 و R4 مقاومت‌های{0}بالایی هستند (مثلاً 500kΩ یا بالاتر)، که اطمینان می‌دهند سطح عایق به طور مصنوعی در طول اندازه‌گیری کاهش نمی‌یابد. Rₙ و Rₚ به ترتیب مقاومت های عایق پایانه های مثبت و منفی بسته باتری قدرت نسبت به بدنه خودرو هستند. R' و R" مقاومت‌های تقسیم‌کننده ولتاژ با مقاومت‌های کوچک (مثلاً حدود 2000Ω) هستند که به تراشه تبدیل A{9}}D اجازه می‌دهند تا سیگنال‌های آنالوگ سطح mV را در سراسر آنها دریافت کند.

هنگامی که کلید S در حالت خاموش است، مقادیر ولتاژ در سراسر Rₙ و Rₚ را می توان از طریق تراشه اندازه گیری به دست آورد که منجر به معادله زیر می شود:

Insulation Resistance Meter Measurement Method

در فرمول، V1 و V2 نشان دهنده ولتاژ به زمین شین های مثبت و منفی هنگامی که کلید S باز است.

به طور مشابه، هنگامی که سوئیچ S بسته است، معادله دیگری به دست می آید:

Insulation Resistance Meter Measurement Method

در فرمول، V'1 و V'2 نشان دهنده ولتاژهای مثبت و منفی شینه به زمین هنگامی که S بسته است.

از آنجایی که مقادیر مقاومت مقاومت های سری R1، R2، R3، R4، R و R' مشخص است، می توان از سیستم معادلات (8-5) و (8-6) برای حل R2 و R2 استفاده کرد.

سایر روش‌های اندازه‌گیری مقاومت عایق مورد استفاده در سیستم‌های مدیریت باتری شامل روش پل متعادل، روش تزریق سیگنال با فرکانس بالا و روش منبع تغذیه کمکی است. با افزایش ولتاژ باتری های برق و گسترش کاربرد آنها، ایمنی عایق خودروهای الکتریکی اهمیت فزاینده ای پیدا می کند و محققان به طور مداوم در حال طراحی و تایید روش های مختلف نظارت بر عایق هستند.

SOP (وضعیت قدرت) حداکثر توانی است که یک باتری می تواند در یک بازه زمانی از پیش تعیین شده آزاد یا جذب کند. اوج قدرت برای ارزیابی محدودیت‌های شارژ و دشارژ یک باتری قدرت در حالت‌های مختلف شارژ استفاده می‌شود و نقش مهمی در بهینه‌سازی تطابق بین بسته باتری قدرت و عملکرد قدرت خودرو و همچنین به حداکثر رساندن عملکرد ترمز احیاکننده موتور الکتریکی دارد. همچنین ارزش نظری و عملی قابل توجهی برای استفاده منطقی از باتری ها، جلوگیری از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد-، بهبود ایمنی باتری و افزایش عمر باتری دارد. با این حال، حداکثر توان باتری در معرض محدودیت های ایمنی متعددی است. تنها اوج قدرت در این حدود ایمنی اهمیت عملی دارد. این بخش برخی از پارامترهای باتری را که اوج قدرت را محدود می‌کنند مورد بحث قرار می‌دهد و رابطه بین ایمنی باتری و اوج قدرت را بررسی می‌کند.

رسانایی الکترولیت و فعالیت مواد آند و کاتد با دما تغییر می کند و در نتیجه بر حد بالای شارژ و توان تخلیه باتری تأثیر می گذارد. سرعت واکنش الکترودها با کاهش دما کاهش می یابد. دما همچنین بر سرعت انتقال یون ها و الکترون ها در الکترولیت تأثیر می گذارد. این نرخ ها با افزایش دما افزایش می یابد و بالعکس. علاوه بر این، اگر دما بیش از حد بالا باشد، بیش از حد دمای مشخص شده، تعادل شیمیایی درون باتری مختل می شود و باعث مشکلات ایمنی باتری می شود. Figure 8-31 Relationship between temperature and peak power at 60% SOC

همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است-31، اوج قدرت باتری با دما تغییر می‌کند و یک منحنی غیرخطی به وضوح نشان می‌دهد. اوج قدرت با کاهش دما کاهش می یابد و در دماهای پایین به آرامی تغییر می کند. اوج قدرت با افزایش دما افزایش می یابد، اما دمای بیش از حد بالا اتلاف گرما را دشوار می کند و بر ایمنی و طول عمر باتری تأثیر منفی می گذارد.

محدودیت SOC در SOP (شروع عملیات) برای جلوگیری از شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد باتری در حین کار طراحی شده است و ایمنی باتری را تضمین می کند. هنگام مطالعه رابطه بین پیک توان و SOC، تأثیر عواملی مانند دما و نرخ شارژ/دشارژ بر SOC نیز باید در نظر گرفته شود تا دقت اندازه‌گیری SOC بهبود یابد. همانطور که در شکل 8-32 نشان داده شده است، با افزایش حالت شارژ (SOC)، قدرت تخلیه افزایش می یابد در حالی که قدرت شارژ کاهش می یابد. به عنوان مثال، در همان محدوده SOC، زمانی که SOC از 10٪ به 90٪ افزایش می یابد، اوج دشارژ توان از 222W به 693W افزایش می یابد، در حالی که اوج قدرت شارژ از 675W به 300W کاهش می یابد. مطالعه اوج قدرت در شرایط مختلف SOC می‌تواند قابلیت‌های شارژ و دشارژ باتری را تخمین بزند، داده‌ها و پشتیبانی فنی را برای استفاده از آن در خودروهای الکتریکی ارائه می‌کند.

همانطور که در شکل 8-33 نشان داده شده است، حداکثر توان یک باتری تقریباً با مقاومت داخلی اهمی آن نسبت معکوس دارد. هرچه مقاومت داخلی اهمی کمتر باشد، اوج توان خروجی بیشتر و سریعتر است. برعکس، هرچه مقاومت داخلی اهمی بیشتر باشد، اوج توان خروجی کوچکتر و کندتر می شود.

Figure 8-32 Relationship between SOC and peak power at 30°C

Fig. 8-33 Relationship between internal resistance and peak power at 30°C

دمای باتری، وضعیت شارژ (SOC) و مقاومت داخلی با وضعیت ایمنی آن ارتباط نزدیکی دارد. بنابراین، وضعیت عملکرد باتری (SOP) باید با محدودیت های اعمال شده توسط این سه عامل برای اطمینان از عملکرد ایمن و افزایش طول عمر آن مطابقت داشته باشد.