Аккумуляторные батареи имеют ключевое влияние на производительность электрических транспортных средств. Для продления максимального срока службы ячеек аккумуляторных батарей необходимо понимать устройство литий-ионных аккумуляторов, а также их альтернатив, доступных для систем управления батареями.
Например, литий-ионные аккумуляторы наиболее часто применяют в электромобилях. По сравнению с другими видами накопителей электрических зарядов, литий-ионные имеют высокую плотность энергии, низкий уровень саморазряда и высокое напряжение ячеек. Следующие факторы также играют не последнюю роль в производительности литий-ионных аккумуляторов.
Содержание:
- Производительность ячейки
- Потеря мощности
- Саморазряд
- Внутреннее сопротивление
- Напряжение
- Техническая балансировка батареи
- Менеджмент систем автомобильных аккумуляторных батарей
- Система управления Linear Technology
- Система управления Texas Instruments
- Будущее аккумуляторных батарей
Производительность ячейки
100% зарядка или полная разрядка также влияют на срок службы батареи. Емкость аккумулятора нельзя считать основным и единственным фактором, влияющим на его производительность. Такие аспекты как максимально длительный срок эксплуатации и количество циклов зарядки-разрядки тоже необходимо учитывать при проектировании и выборе аккумуляторных батарей.
Потеря мощности
В процессе всего срока эксплуатации литий-ионного аккумулятора будет неизбежна потеря его мощности. Ниже перечислены основные факторы, влияющие на потери мощности.
Саморазряд
После полной зарядки литий-ионного аккумулятора ему присущ саморазряд, составляющий примерно 5% его емкости в первые 24 часа. При температурах окружающей среды свыше 20 градусов Цельсия потери на саморазряд увеличатся. Саморазряд будет увеличиваться с температурой, возрастом и частотой использования.
Внутреннее сопротивление
С увеличением циклов заряда-разряда батареи уменьшается ее активный материал, происходят другие химические изменения внутри нее, что в итоге приводит к изменению внутреннего сопротивления батареи в большую сторону. Старение ячеек приводит к увеличению внутреннего сопротивления, тем самым оказывая непосредственное влияние на внутреннюю проводимость ячейки.
Напряжение
Большинство пакетов литий-ионных ячеек имеют напряжения порядка 4,2 В – как лучший баланс между производительностью и жизненным циклом (рисунок ниже):
Также стоит отметить, что при разрядке батареи (работе на нагрузку) среднее напряжение составляет порядка 3,6 В. При длительной поддержке заряда ячейки аккумулятора на уровне 4,2 В или 100% заряда, потери мощности все равно будут происходить и срок службы аккумулятора будет сокращаться.
Техническая балансировка батареи
Не существует двух абсолютно идентичных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, самая слабая ячейка аккумулятора ограничивает производительность всей аккумуляторной батареи. После достижения слабой ячейкой максимального заряда, весь аккумуляторный блок прекратит зарядку.
Для максимального продления срока службы аккумулятора и избегания отказа стека батареи необходимо контролировать уровень заряда каждой ячейки. Для этого существует система контроля заряда аккумулятора. Она включает в себя балансировку заряда ячейки, тем самым ограничивая ее заряд или разряд, чем повышает ее надежность и срок службы. Инженеры используют различные решения для балансировки зарядов ячеек, а именно пассивные и активные балансировки нагрузки.
- Пассивная – работоспособна только при перезаряде. Энергия перезаряда рассеивается на резисторе, тем самым снижая напряжение ячейки.
- Активная – энергия перегоняется между ячейками с помощью DC-DC преобразователей.
Менеджмент систем автомобильных аккумуляторных батарей
Аккумуляторные батареи электрического транспорта содержат множество элементов,
способных обрабатывать большую мощность и обеспечивать высокую производительность в ограниченном пространстве. Среди других факторов электромобильных систем управления аккумуляторными батареями стоит отметить способность работать с электрическими шумами в широком диапазоне температур.
Системы управления аккумуляторными батареями разрабатываются с применением широчайшего спектра различных функциональных блоков, интегральных микросхем, а также различных архитектур систем управления. Некоторые общефункциональные блоки, построенные на полевых транзисторах (field-effect transistor FET), способных вести мониторинг уровня топлива, контроль заряда и температуры.
Некоторые решения требуют применения микроконтроллеров , а некоторые могут работать независимо. Для примера систем управления давайте рассмотрим два продукта – высоковольтном мониторинге Linear Technology и мониторинга 16 ячеечной батареи с пассивной балансировкой Texas Instruments.
Система управления Linear Technology
Последней моделью монитора высокого напряжения ячейки аккумулятора Linear Technology является LTC6811.
LTC6811 обеспечивают высокую надежность, стабильность, а также высокую точность измерения путем внутренней диагностики проверки правильности работы. Осуществляют это с помощью эталонного источника напряжения с точностью ±5 мВ, двухканального мультиплексора и аналогово-цифрового преобразователя АЦП с точностью до 0,01%.
LTC6811 также поддерживает стандарт ISO 26262, определяющий функциональную автомобильную надежность. ISO 26262 обеспечивает основу для разработки и проверки автомобильной продукции, безопасной от электрических и электронных неисправностей системы.
LTC6811 может измерять напряжения до 12 последовательно соединенных элементов батареи с точностью выше 0,04%.
Интегрированный в LTC6811 2-ух проводной isoSPI с высокой радиочастотной помехоустойчивостью RF до 1 Мбит на 10 метров кабеля. LTC6811 включает в себя пассивную и активную балансировки. Устройство имеет внутренние балансировочные транзисторы для пассивной балансировки внутри блоков или могут управлять и внешними полевыми транзисторами. LTC6811 может выполнятся и с возможностью пассивной балансировки в состоянии с низким энергопотреблением, например в состоянии покоя.
«Точность является наиболее важным аспектом системы управления батареи, поскольку уровень заряда должен быть ограничен. Необходимо иметь линейную кривую заряда/разряда в рабочем диапазоне» — говорит старший инженер по маркетингу продукции компании Linear Technology Gregg Zimmer.
Система управления Texas Instruments
Texas Instruments предлагает свое устройство bq76PL536A-Q1 предназначенное для высоконадежных автомобильных устройств.
Данные устройства предназначены для защиты аккумуляторных батарей от перенапряжений, перегрева, сверхнизких напряжений. Bq76PL536A-Q1 представляет собой интегрированный 16-элементный монитор, который обеспечивает контакты для прямого подключения внешних N-FETs транзисторов для осуществления пассивной балансировки ячейки с помощью силовых резисторов.
Он предназначен для использования с хост-контроллером. Это позволяет увеличить функциональность системы управления. Bq76PL536A-Q1 обеспечивает высокую точность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с 14-битным разрешением и с внутренним источником опорного напряжения, а также может обмениваться данными с хост-микроконтроллером через универсальный асинхронный (приемник / передатчик (UART)) высокоскоростной интерфейс.
Устройство содержит выбираемые пользователем функции самодиагностики, например, такие как автоматическое отключение в случае превышения температуры и прочие функции. Bq76PL536A-Q 1 не был разработан таким образом, чтобы удовлетворить все спецификации ISO26262, но он все еще может помочь клиентам отвечать функциональным требованиям стандартов безопасности посредством встроенного самотестирования для проверки определенных внутренних функций.
Мы можем увидеть, что данные продукты имеют различные функции защиты. Поэтому пользователю придется принимать решение об использовании системы управления аккумуляторными батареями исходя из конкретных требований и задач.
Будущее аккумуляторных батарей
«Постоянное развитие силовой электроники и интерес со стороны нескольких крупных производителей автомобилей и электромобилей, а также постоянно развивающаяся химическая часть состава аккумуляторных батарей и систем управления ими значительно повысят их эффективность и внесут определенный вклад в развитие рынка электромобилей» — говорит Zimmer.
Высокая производительность аккумуляторных батарей – ключ к успеху электромобильного транспорта. Ученые продолжают улучшать химический состав аккумуляторных батарей, который позволит продлить их жизненный цикл и увеличить количество зарядов и разрядов. Силовая электроника позволяет совершенствовать системы управления для максимизации дальности поездки электромобилей, а также увеличению жизненного цикла их аккумуляторов.
