Lityum Pil Paketi Tahribatsız Denge Rölesi Uygulaması Üzerine Tartışma
[Yazı / Zhu Yulong] Pilin yaşı yaklaşıyor. İster yeni enerji taşıt endüstrisi ister dağıtık enerji depolama endüstrisi olsun, pillerin kullanımı patladı. Tek pilin düşük voltajı nedeniyle, her uygulamanın toplam voltajı artırmak için pili kademelendirmesi gerekir, ancak pil hücrelerinin performansı farklıdır ve pil takımı kullanım sürecinde kaçınılmaz olarak görünür. Konsept daha sonra uygulanır.
Batarya paketi dengeleme, BMS'nin (Batarya Yönetim Sistemi) yönetim stratejilerinden biridir.Maliyet açısından, birçok mevcut dengeleme şeması türü olmasına rağmen, en basit kayıplı deşarj yöntemi genellikle uygulama durumlarında kullanılır ve verimlilik düşüktür. yüksek. Mevcut dengeleme şemalarının çoğu, batarya paketindeki tek hücrelerin tutarlılığının çok yüksek olduğu varsayımına dayanmaktadır.Gelecekte ikincil bataryaların kademeli kullanımı düşünüldüğünde, daha iyi, daha basit ve daha etkili dengeleme şemaları ve stratejileri tasarlamak gerekmektedir.
Mevcut eşitleme şemasına bakıldığında, direnç deşarj yöntemi en basit olanıdır.Dezavantajı, verimliliğin düşük olması ve kayıplı eşitlemeye ait olmasıdır; endüktans, transformatör, buck-boost ve diğer şemaların karmaşık devreleri ve yüksek maliyetleri vardır; bir elektromanyetik röle grubu artı kapasitör şeması (şekle bakınız) 1) Avantajları düşük maliyetli, basit devre ve kayıpsız dengedir, ancak dezavantajları düşük anahtarlama frekansı ve elektrik kontakları eridiğinde kısa devre riskidir.
Şekil 1'de denkleştirme komutunun uygulandığı varsayılarak, beş tekli batarya arasından en yüksek gerilime sahip bataryaya karşılık gelen röle önce çekilerek kondansatör şarj edilir; röle bağlantısı kesilir, ardından en düşük gerilimli bataryaya karşılık gelen röle çekilmek üzere seçilir, kondansatör deşarj olur ve röle kapanır. Bir denge döngüsünü tamamlamak için açın. Hepimizin bildiği gibi, elektromanyetik röleler sık anahtarlama durumları için uygun değildir, bu nedenle Şekil 1'deki teorik eşitleme etkisi
Oran çok düşük olacak. Elektromanyetik röle bir elektronik anahtara değiştirilirse, piller arasındaki voltaj farkı küçük olduğundan, elektronik anahtarın kendisinde belirli bir voltaj düşüşü olur ve basit bir elektronik anahtar artı kapasitör stratejisi benimsendiğinde, hemen hemen hiç eşitleme etkisi olmayacaktır. Elektromanyetik rölenin düşük anahtarlama frekansı göz önüne alındığında, uygun bir çözüm, kapasitörün yedek bir yardımcı bataryaya değiştirilmesi ve bir güç artırma devresi eklemektir.
İlgili pil birimini daha uzun süre şarj etmek veya deşarj etmek için yedek yardımcı pilin daha büyük kapasitesini kullanın. Yedek yardımcı batarya konseptinin doğuşu, ikincil batarya kademeli kullanımında derin bir denge elde etmeyi mümkün kılar İlgili teknik çözüm, burada tartışılmayacak olan buluş patent başvurusunda (2018107804736) detaylı olarak tarif edilmektedir.
Şekil 1'deki gözleme dönersek, J1-J5 rölelerinin kontak bağlamadan dolayı kısa devre hataları olmadan daha yüksek bir anahtarlama frekansında çalışabileceğini varsayarsak, Şekil 1'deki devre iyi bir denge etkisi elde edecektir. Şekil 1'in devresini Şekil 2'de gösterildiği gibi dönüştürün:
Şekil 1 ve Şekil 2'yi karşılaştırdığımızda, Şekil 1'deki 5 röleden oluşan röle grubunun, Şekil 2'de sadece bir set hareketli kontak ve beş set statik kontak ile belirli bir bileşen haline geldiğini görebiliriz. Beş set statik kontağın belirli bir disk üzerinde düzenlendiğini, bir set hareketli kontağın dönen bir kolla tahrik edildiğini ve güç kaynağının bir motor olduğunu varsayarsak, Şekil 1'deki dengeleme devresi yüksek bir anahtarlama hızına sahiptir ve kademeler arasındaki kısa devrelerden korkmaz. .
Bu, özellikle batarya paketi dengeleme uygulamaları için uygun olan döner röle olarak adlandırılabilecek yeni bir röle türünü doğurdu. Bir döner röle, birden fazla bağımsız elektromanyetik rölenin yerini alabilir ve maliyet de büyük ölçüde azalacaktır. Ek olarak, döner rölenin bağımsız olarak dengelenen tek bir motor dönüş komutu vardır.Elektromanyetik röle grubu ile karşılaştırıldığında, daha az anahtarlama noktası avantajlarına sahiptir ve balans sırasında akü voltajının sık sık örneklenmesi yoktur.Gerçekten en basitleştirilmiş devreyi ve en basitleştirilmiş denge stratejisi hedefini gerçekleştirir.
Pil paketi iyi bir tutarlılığa sahipse ve voltaj farkı küçükse, stratejiyi dengelemek için röle artı kapasitör çözümü kullanılabilir; pil takımının tutarlılığı zayıfsa, röle artı yedek yardımcı pil çözümü kullanılmalıdır (ayrıca yapılandırılabilir) Buck-boost devresi) dengelemek için. Kapasitans eşitleme yöntemi, eşitleme akımı küçüktür, daha sonra tek bir döner röle 20'den fazla statik kontak setini entegre edebilir ve tek birim boyut olarak küçüktür. Yedek batarya dengeleme yöntemi için, eğer dengeleme akımı daha büyükse, tek bir döner rölede bulunan statik temas gruplarının sayısı daha iyidir.Araba güç kaynağını örnek olarak alırsak, statik temas gruplarının sayısı 4'e ayarlandığında, etkin konfigürasyon uygulanabilir.
Kapasitör yöntemi denge rölesi, sürekli dönüş modunda çalışır ve yardımcı pil yöntemi denge rölesi, ileri ve geri konumlandırma modunda çalışır.
Belli bir Tesla araba aküsünü örnek alırsak, toplam tek hücre sayısı 7.104, tek aşamalı 74 paralel, ardından kademeli seri sayısı 96'dır. Kapasitans yönteminin dengeleme şemasına göre her bir röle 204/8 akü dizisini dengeleyebilir. , Daha sonra dengeleme işini tamamlamak için sadece 5 sürekli dönen röle gerekir. Buradaki denge, her bir röleye karşılık gelen akü dizilerini ifade etmektedir.Bu hesaba göre 96 akü dizisi için en fazla 5 farklı voltaj değeri olacaktır.
Teorik olarak, az sayıda kontağa ve beş farklı voltaj değerini ortadan kaldırmak için güçlü bir aşırı akım kapasitesine sahip sürekli dönen bir rölenin ek bir konfigürasyonunu tasarlamak da mümkündür, ancak bu tasarım önerilmez. Özellikle araç aküleri, belirli dizilerde gizli tehlikeler meydana geldiğinde sürüş güvenliğine son derece zararlıdır.
Bu nedenle, kapasitans dengeleme yöntemine dayanarak, yedek bir yardımcı pil dengeleme şeması eklemek, araç pillerinin güvenli kullanımı için güvenilir bir yöntemdir. Yine de yukarıda belirtilen Tesla pilini örnek olarak alırsak, 96 diziye dayanarak, toplam pil paketi 16 gruba (seri olarak) bölünmüştür ve her grup 6 pakete (seri olarak) sahiptir.
Standart olarak 16 grup alıyoruz Dört grubun her biri dört kanallı ileri ve geri konumlandırma rölesine karşılık gelir ve dört konumlandırma rölesi gereklidir.Bu dört konumlandırma rölesi daha sonra daha güçlü yük kapasitesine sahip dört kanallı bir konumlandırma rölesi ile kademelendirilir. Ardından, pil kutusunun yüzeyindeki iki çekirdekli bir yuva gibi, pil kutusunun dışına bir çift dengeli kontak yerleştirin. Ayrıca, 16 grup pilden hangisinin düşük gerilime sahip olduğu dengeleme soketine büyük kapasiteli bir yedek pil (yükseltici veya düşürücü devre dahil) fişini taktığımızda, 5 konumlandırma rölesi kombinasyonu (4 + 1) seçilir Yedek batarya devresi çalıştığında, ayarlanabilir elektrik enerjisi sağlar.
Buradan, büyük kapasiteli yedek bataryanın sadece dengeleyici bir rol oynamadığı, aynı zamanda menzili artırabildiği de görülebileceği gibi, aracın güvenli sürüşünü sağlamak için namlu etkisi tetiklendiğinde kısa panoyu yedek batarya ile de değiştirebilir.
Bu nedenle, yukarıdaki iki tip döner rölenin pratik uygulaması, mevcut dengeleme şemasında olumlu ve etkili ileriye dönük bir rol oynayacaktır. İki tip döner rölenin yapısal tasarımı, ortak noktası, disk tipi statik kontak grubu ve döner kol tipi hareketli kontak grubu ile birleştirilmeleridir.Farkı kontak alanı ve grup sayısının kontak kapasitesine göre tasarlanmasıdır. Sürekli dönüş mü yoksa ileri ve geri konumlandırma mı olduğunu belirlemek için denge yöntemi. Aşağıda iki örnek tartışılmaktadır.
Örneğin, şu anda kullanımda olan, nominal voltajı 60V olan belirli bir 17 telli lityum pil takımı, çoğunlukla iki tekerlekli elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. Pil paketine kompakt bir sürekli dönen röle eklemek ve BMS kartında bir röle motoru başlatma komutunu yeniden programlamak, bu pilin denge hedefine mükemmel bir şekilde ulaşır. Özellikle, şarj sırasında pilin daima dengeli olması önerilir, ardından şarj kapasitesi maksimum değere ulaşır;
Akü döngüsü ve deşarj sırasında, her bir akü dizisinin voltaj farkı tasarım değerini aştığında, durmadan önce belirli bir süre dengelenecek ve tekrar dengelenip dengelenmeyeceğini belirlemek için voltaj farkı tekrar izlenecektir. Röle diskinin ve dönen kolun tasarımı Şekil 3'te gösterilmektedir.
Röle diskinin önünde dört iletken halka düzenlenmiştir.İçteki iki daire sürekli kayan kontak telleridir ve kayan kontak telleri, yüksek kapasiteli, yüksek dirençli, düşük sızıntılı bir kondansatörü bağlamak için diskin arkasındaki telleri çıkarır; dıştaki iki daire eşit olarak bölünmüştür 17 grup kayar kontak, diskin arkasında, birinci kayan kontak grubunun negatif terminali (mavi blok) (kırmızı ve mavi bloklarla gösterilen) ikinci pozitif terminal grubu ile kısa devre yapar, 17. grubun negatifine kadar sırayla ilerleyin Fesih sonlandır. Her grubun pozitif ucundan ve 17. grubun negatif ucundan gelen kurşun teller, sırayla batarya paketinin 18 düğümüne bağlanan toplam 18 tel. Şekil 3'te gösterilen sağdaki dönen kol sürekli olarak döndüğünde, kapasitör döngüsel olarak pil paketinin her bir hücresine paralel olarak bağlanacak ve kapasitör sürekli olarak şarj edilecek ve deşarj edilecek ve son olarak pil paketinin her bir hücresinin voltajı tutarlı olacaktır.
17 kanallı sürekli dönen röle, 17'den az kademeli pil paketleri için de uygundur ve tek hücrelerin daha tutarlı olduğu yepyeni pil paketleri için uygundur. İkincil pillere uygulanırsa, kontrol edilemeyen denge akımı kontak ablasyonuna ve oksidasyona neden olarak denge etkisini kaybedebilir. Özellikle, belirli kontakların arızalanmasını önlemek için, zaman paylaşımlı çalışma için aynı batarya setine iki röle bağlanabilir. Aynı grup numarasındaki iki rölenin kontaklarının aynı anda başarısız olma olasılığı son derece düşüktür, bu nedenle yeterli otonom dengeye ulaşabilir.
İleri ve geri konumlandırma rölesinin örnek tasarım hedefi, genellikle bir aralık genişletme (kapasite takviyesi) işlevi içeren yüksek akım dengesidir ve denge bileşeni, bir yedek yardımcı bataryadır. Araba akü paketlerine uygulandığında, uygun bir tasarım çözümü, 4 set anahtarlama kontağının yapılandırılmasıdır. Yedek yardımcı batarya her zaman ana batarya paketine bağlandığında ve temel amaç denge hedefi olduğunda, yardımcı bataryanın bir buck-boost devresi ile donatılmasına gerek yoktur; yedek batarya genellikle çevrimdışı değiştirildiğinde ve menzili genişletmek amacıyla ayrı olarak şarj edildiğinde, yardımcı batarya ihtiyacı Standart konfigürasyon yükseltme veya düşürme devresi.
4 kanallı konumlandırma rölesinin kontak tasarım alanı geniştir ve hareketli kolun iki hareketli kontağı, iki set hareketli ve statik kontağın birleştirme kuvvetini dengelemek için dönme merkezinin her iki tarafında tasarlanmıştır. Kontak direncini azaltmak için konumlandırma rölesi, sürekli dönüş rölesinde kayan kontak hattı konseptini iptal eder ve kolun dönüş açısı farkıyla başa çıkmak için esnek bir tel yöntemi kullanır. Röle diskinin ve dönen kolun tasarımı Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekil 4'te, diskin ön tarafında iki iletken halka düzenlenmiştir.İletken halka eşit aralıklı dört kayan kontak grubuna bölünmüştür. İç halkanın kalınlığı daha kısadır ve dış halka daha incedir. İlk kontak grubu (kırmızı ve mavi) Renk bloğu) Dış daire A1 +, iç daire A3- olarak işaretlenmiştir ve bunlar sırayla işaretlenmiştir. Daha sonra diskin arkasında kısa devre A1- ve A2 +, kısa devre A2- ve A3 +, kısa devre A3- ve A4 + ve A4-uç teli 5, artı şekilde gösterildiği gibi 1, 2, 3 ve 4 telleri, toplam 5 Hat, pil paketindeki aynı voltaj düzeyine sahip dört dizi pil paketini bağlayabilir (paket, tek bir dizeyi veya birden çok dizinin bir kombinasyonunu ifade eder).
Konumlandırma rölesinin döner kolu üzerindeki her hareketli kontak, aşırı akım kapasitesini sağlamak için birden fazla şarapnel kombinasyonu ile tasarlanmıştır. Yardımcı bataryanın erişim terminali doğrudan spiral kol tarafından dışarı çıkarılır ve kurşun telin bükülme ve kırılma riski iki ölçü ile ortadan kaldırılır.Birincisi, spiral kolun yalnızca 325 derece aralığında dönmesi, diğeri ise kol tabakasını bir ila iki kez daire içine almak için esnek bir tel kullanılmasıdır. Telin bükülme kuvvetini zayıflatmak için.
Konumlandırma röleleri hassas konumlandırma gerektirdiğinden, sürekli dönüş rölelerine göre açı algılama veya konum algılama gibi daha fazla bileşene ve devreye ihtiyaç duyar. Yine örnek olarak otomotiv bataryası uygulamaları için 4 kanallı konumlandırma rölesini alırsak, ana batarya paketinde toplam 5 adet dört kanallı konumlandırma rölesi yapılandırılmıştır. 1 + 4 modu iki aşamalı kademelidir ve maksimum hedef batarya dizisi sayısı 16'dır. Hedef pil takımının toplam dizi sayısı, her biri aynı voltaj düzeyine sahip tam sayı şeklinde 16'dan küçük veya 16'ya eşit sayılara ayrıştırılır. 16 eşit parça varsayarsak, her voltaj 24V olduğunda, pil takımının toplam voltajı 384V'a, her voltaj 48V olduğunda pil takımının toplam voltajı 768V'a ulaşabilir.Bu iki pil paketinin voltaj seviyeleri temelde elektrikli arabaları elektriğe kadar kapsayabilir. Otobüsün uygulaması.
Bu nedenle, bu tasarıma göre, pil paketi kutusunda iki çekirdekli bir eşitleme (genişletilmiş aralık) arabirimi ayarlanır ve isteğe bağlı bir kapasiteye sahip bir 24V veya 48V yedek yardımcı pil bağlanır, bu da yalnızca ana pil paketinin kısmi eşitleme hedefine ulaşmaz (pil paketleri arasında eşitleme) ), ayrıca acil ve genişletilmiş menzil etkisi oynadı. Yukarıdaki iki uygulama örneği, yerleşik bataryaların kullanımıyla tartışılmıştır: Yerleşik araçlar için gereksinimler küçük ve mükemmel bileşenlerdir Uygulama ortamı bir enerji depolama ortamına aktarıldığında, yukarıdaki iki tip döner rölenin yapısal tasarımı büyük değişikliklere izin verir. Enerji depolama ortamının özel gereksinimlerine uyum sağlayın.
İki tip döner rölenin karışık uygulaması veya ayrı uygulanması, yeni pillerin veya kademeli pillerin çeşitlendirilmiş kullanımında verimli eşitleme etkisini oynayacaktır. Dahası, teknolojinin gelişmesiyle birlikte denge kavramı, özellikle yardımcı akü çözümlerinin önerilmesi ve akü paketlerinin güvenli bir şekilde uygulanmasıyla kaçınılmaz olarak kaybolacaktır, gelecekteki hedef enerji akışını kontrol etmektir.
