Hệ thống quản lý an toàn pin là gì?
quản lý an toàn
Hệ thống quản lý an toàn pin chủ yếu đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của bộ pin, ngăn không cho pin bắt lửa do nhiệt độ cao hoặc hỏng do nhiệt độ thấp. Vì bộ pin là thiết bị có điện áp-cao nên hệ thống bảo vệ cách điện-điện áp cao là cần thiết để đảm bảo an toàn cho người ngồi trong xe và người đi bộ. Hệ thống quản lý an toàn ắc quy phải có khả năng tối đa hóa hiệu suất của cả ắc quy và xe đồng thời đảm bảo xe vận hành an toàn. Việc phát triển hệ thống quản lý an toàn pin có ý nghĩa to lớn trong việc đảm bảo an toàn tính mạng, tài sản và thúc đẩy sự phát triển của xe điện.
Hệ thống thử nghiệm cách điện-điện áp cao
Các thiết bị lưu trữ năng lượng trong xe điện, chẳng hạn như bộ pin điện, pin nhiên liệu hoặc siêu tụ điện, hoạt động ở điện áp vượt xa phạm vi điện áp an toàn cho cơ thể con người; một số xe buýt điện thậm chí còn có bộ pin hoạt động ở điện áp 600V. Hiệu suất cách điện của vật liệu cách điện trong xe giảm dần trong quá trình sử dụng do hao mòn, đồng thời độ ẩm tăng cũng làm giảm hiệu suất cách điện giữa-ắc quy điện áp cao và khung xe. Khi lớp cách điện của cực dương và cực âm của pin bị mòn và tiếp xúc với khung máy, một vòng dòng điện rò rỉ sẽ được tạo ra, ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều khiển động cơ, các thiết bị điện có điện áp thấp-khác và thậm chí gây nguy hiểm cho sự an toàn của hành khách. Khi lớp cách điện giữa nhiều điểm của mạch pin và khung máy bị lão hóa, quá trình tự-tự phóng điện và tích tụ năng lượng sẽ xảy ra, có khả năng dẫn đến hỏa hoạn trong những trường hợp nghiêm trọng. Để đảm bảo xe vận hành an toàn, phải lắp đặt thiết bị phát hiện hiệu suất cách điện để theo dõi điện trở cách điện giữa hệ thống điện áp cao -và khung xe theo thời gian thực.
Các phương pháp kiểm tra cách điện thường được sử dụng bao gồm:
1. Phương pháp đo rò rỉ trực tiếp
Trong các hệ thống DC, đây là phương pháp đơn giản và thiết thực nhất. Đặt đồng hồ vạn năng cho phạm vi hiện tại và nối nó nối tiếp giữa cực dương của bộ pin và vỏ thiết bị (hoặc nối đất). Điều này sẽ phát hiện dòng điện rò rỉ giữa cực âm của bộ pin và vỏ. Tương tự, nó có thể được mắc nối tiếp giữa cực âm và vỏ để phát hiện dòng điện rò rỉ giữa cực dương và vỏ. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và thường được sử dụng để-phát hiện lỗi tại chỗ và kiểm tra phương tiện định kỳ.
2. Phương pháp cảm biến dòng điện
Cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall là phương pháp phổ biến để phát hiện rò rỉ trong hệ thống DC điện áp cao. Các bus công suất dương và âm của hệ thống pin được truyền cùng chiều thông qua cảm biến dòng điện. Khi không có dòng điện rò rỉ, dòng điện chạy từ cực dương bằng dòng điện quay về cực âm. Do đó, dòng điện đi qua cảm biến dòng điện bằng 0 và điện áp đầu ra cảm biến dòng điện bằng 0. Khi xảy ra rò rỉ, điện áp đầu ra cảm biến hiện tại không bằng 0. Dấu của điện áp này có thể được sử dụng để xác định thêm liệu dòng điện rò bắt nguồn từ cực dương hay cực âm của nguồn điện. Tuy nhiên, phương pháp thử nghiệm này yêu cầu bộ pin được thử nghiệm phải hoạt động với dòng điện chạy vào và ra. Nó không thể đánh giá hiệu suất cách điện của hệ thống pin khi tiếp đất trong điều kiện không{8}}tải.
3. Phương pháp đo điện trở cách điện
Phương pháp này sử dụng máy đo điện trở cách điện để đo giá trị điện trở của vật liệu cách nhiệt. Máy đo điện trở cách điện, thường được gọi là megohm kế, thường được cấp nguồn bằng một-máy phát quay tay, do đó còn được gọi là megohm kế. Thang đo của nó dựa trên điện trở cách điện và là dụng cụ đo thường được sử dụng trong kỹ thuật điện. Nguyên lý làm việc của nó được thể hiện trong Hình 8-29.
Thiết bị hoạt động bằng cách kích thích thiết bị hoặc mạng được thử nghiệm bằng một điện áp, sau đó đo dòng điện được tạo ra bởi sự kích thích và sử dụng định luật Ohm để đo điện trở. Máy đo điện trở cách điện chủ yếu bao gồm hai bộ phận: máy phát điện quay tay-và máy đo tỷ số điện từ. Bằng cách xoay tay cầm, máy phát điện quay tay-sẽ tạo ra điện áp cao AC, được chỉnh lưu bằng điốt để cung cấp điện áp cao DC cho phép đo. Sau đó, máy đo tỷ số điện từ sẽ đo tỷ số giữa dòng điện trong cuộn dây điện áp và cuộn dây dòng điện, đồng thời chỉ báo con trỏ cho biết thang đo điện trở.
Ba phương pháp trên đều sử dụng thiết bị độc quyền để kiểm tra dòng điện rò rỉ và điện trở cách điện, điều này gây ra những khó khăn nhất định khi tích hợp vào hệ thống quản lý pin. Phương pháp đo mạch được sử dụng phổ biến hơn trong các hệ thống quản lý pin. Nguyên lý đo cách điện điện áp DC thường được sử dụng được thể hiện trên Hình 8-30.
Trong sơ đồ khối này, R₁, R₂, R₃ và R₄ là các điện trở có điện trở-cao (ví dụ: 500kΩ trở lên), đảm bảo rằng mức cách điện không giảm một cách giả tạo trong quá trình đo. Rₙ và Rₚ lần lượt là điện trở cách điện của cực dương và cực âm của bộ pin nguồn với thân xe. R' và R" là các điện trở chia điện áp có điện trở nhỏ (ví dụ: khoảng 2000Ω), cho phép chip chuyển đổi A-D thu được tín hiệu tương tự mức mV{10}}trên chúng.
Khi công tắc S ở trạng thái tắt, có thể thu được các giá trị điện áp trên Rₙ và Rₚ thông qua chip đo, dẫn đến phương trình sau:
Trong công thức, V₁ và V₂ biểu thị điện áp nối đất của thanh cái dương và âm khi công tắc S mở.
Tương tự, khi đóng công tắc S, có thể thu được phương trình khác:
Trong công thức, V'₁ và V'₂ biểu thị điện áp thanh cái dương và âm chạm đất khi S đóng.
Vì đã biết giá trị điện trở của các điện trở nối tiếp R₁, R₂, R₃, R₄, R và R' nên có thể sử dụng hệ phương trình (8-5) và (8-6) để giải R₊ và R₋.
Các phương pháp đo điện trở cách điện khác được sử dụng trong hệ thống quản lý pin bao gồm phương pháp cầu cân bằng, phương pháp đưa tín hiệu tần số cao{0}}và phương pháp cấp nguồn phụ. Khi điện áp của pin điện tăng lên và ứng dụng của chúng ngày càng phổ biến, độ an toàn cách điện của xe điện ngày càng trở nên quan trọng và các nhà nghiên cứu liên tục thiết kế và xác nhận các phương pháp giám sát cách điện khác nhau.
Công suất cực đại
SOP (Trạng thái nguồn) là công suất tối đa mà pin có thể giải phóng hoặc hấp thụ trong một khoảng thời gian xác định trước. Công suất cực đại được sử dụng để đánh giá giới hạn sạc và xả của pin điện ở các trạng thái sạc khác nhau, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa sự phù hợp giữa bộ pin điện và hiệu suất năng lượng của xe, cũng như tối đa hóa chức năng phanh tái tạo của động cơ điện. Nó cũng có giá trị lý thuyết và thực tiễn quan trọng trong việc sử dụng pin hợp lý, tránh sạc quá mức hoặc- xả quá mức, cải thiện độ an toàn của pin và kéo dài tuổi thọ của pin. Tuy nhiên, công suất cực đại của pin có nhiều hạn chế về an toàn; chỉ có công suất cực đại trong giới hạn an toàn này mới có ý nghĩa thực tế. Phần này thảo luận về một số thông số pin giới hạn công suất cực đại và tìm hiểu mối quan hệ giữa độ an toàn của pin và công suất cực đại.
1. Các ràng buộc dựa trên nhiệt độ-
Độ dẫn điện của chất điện phân và hoạt động của vật liệu cực dương và cực âm thay đổi theo nhiệt độ, do đó ảnh hưởng đến giới hạn trên của công suất sạc và xả của pin. Tốc độ phản ứng của các điện cực giảm khi nhiệt độ giảm. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển của các ion và electron trong chất điện phân. Tỷ lệ này tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Hơn nữa, nếu nhiệt độ quá cao, vượt quá giới hạn nhiệt độ quy định, cân bằng hóa học bên trong pin sẽ bị phá vỡ, gây ra các vấn đề về an toàn cho pin.
Như minh họa trong Hình 8-31, công suất cực đại của pin thay đổi theo nhiệt độ, thể hiện một đường cong phi tuyến tính rõ ràng. Công suất cực đại giảm khi nhiệt độ giảm, thay đổi chậm ở nhiệt độ thấp. Công suất cực đại tăng khi nhiệt độ tăng, nhưng nhiệt độ quá cao khiến việc tản nhiệt khó khăn, ảnh hưởng tiêu cực đến độ an toàn và tuổi thọ của pin.
2. Các ràng buộc dựa trên trạng thái tính phí (SOC)-
Ràng buộc SOC đối với SOP (Bắt đầu hoạt động) được thiết kế để ngăn chặn việc sạc quá mức và- xả quá mức pin trong quá trình hoạt động, đảm bảo an toàn cho pin. Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa công suất đỉnh và SOC, ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ và tốc độ nạp/xả lên SOC cũng phải được xem xét để cải thiện độ chính xác của phép đo SOC. Như được hiển thị trong Hình 8-32, khi Trạng thái sạc (SOC) tăng, công suất phóng điện tăng trong khi công suất sạc giảm. Ví dụ: trong cùng phạm vi SOC, khi SOC tăng từ 10% lên 90%, công suất xả cực đại tăng từ 222W lên 693W, trong khi công suất sạc cực đại giảm từ 675W xuống 300W. Nghiên cứu công suất cực đại trong các điều kiện SOC khác nhau có thể ước tính khả năng sạc và xả của pin, cung cấp dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật cho việc sử dụng pin trong xe điện.
3. Các ràng buộc dựa trên điện trở Ohmic
Như được hiển thị trong Hình 8-33, công suất cực đại của pin gần như tỷ lệ nghịch với điện trở trong Ohmic của nó. Điện trở trong ohmic càng nhỏ thì công suất cực đại càng lớn và nhanh hơn; ngược lại, điện trở trong ohmic càng lớn thì công suất cực đại càng nhỏ và chậm hơn.
Nhiệt độ, trạng thái sạc (SOC) và điện trở trong của pin đều liên quan chặt chẽ đến trạng thái an toàn của pin. Do đó, trạng thái hoạt động (SOP) của pin phải đáp ứng các ràng buộc do ba yếu tố này đặt ra để đảm bảo hoạt động an toàn và kéo dài tuổi thọ của pin.
