Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Система контроля заряда и разряда литий-ионных аккумуляторных батарей гибридных автомобилей и электромобилей.





Наиболее перспективными для электромобилей и гибридных автомобилей являются литий-ионные тяговые аккумуляторные батареи (ТАБ), в частности литий-железофосфатные. Несмотря на высокую стоимость таких тяговых аккумуляторов, фактически только они являются наиболее подходящими для подзаряжаемых гибридных автомобилей и электромобилей. Обусловлено это совокупностью таких параметров, как большая удельная энергия и мощность заряда и разряда, большое число циклов заряд-разряд, допустимость глубокого разряда, широкий диапазон рабочих температур, налаженное массовое производство и т.д.

В последние годы появилось много работ отечественных и зарубежных исследователей, посвященных применению литий-ионных аккумуляторов в гибридных автомобилях и электромобилях. В подзаряжаемых электромобилях такие ТАБ обязательно требуют контроля и ограничения максимальных зарядных напряжений и токов, контроля минимального напряжения при разряде для каждого элемента батареи. В процессе зарядки каждого элемента ТАБ вначале ограничивается зарядный ток, а затем, когда достигнуто предельное зарядное напряжение элемента необходимо поддерживать это напряжение, а также производить выравнивание заряда между элементами ТАБ. В режиме ограничения напряжения каждого элемента ТАБ, ток заряда элемента постепенно снижается до очень малых значений и, следовательно, заряд практически прекращается. При этом не обязательно отключать зарядное устройство. Индивидуальный поэлементный контроль и выравнивание заряда необходимы из-за того, что обычно в любой ТАБ, состоящей из нескольких последовательно включенных элементов, возникает проблема разбалансировки заряда из-за некоторого разброса емкости и внутреннего сопротивления отдельных элементов. При формировании блока из нескольких батарей производитель обычно подбирает схожие элементы для батареи, посредством сравнения напряжений на них. Однако отличия в параметрах отдельных батарей все равно остаются, а со временем могут и возрасти. Большинство зарядных устройств определяет полный заряд по суммарному напряжению всей цепочки последовательно включенных элементов. Поэтому напряжение заряда отдельных элементов может варьироваться в широких пределах, но не превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда. Однако в слабом звене – элементе с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением напряжение поднимется при заряде раньше, чем на остальных элементах. Раннее завершение заряда такого элемента свидетельствует о его худших параметрах по сравнению с другими элементами (банками) аккумуляторной батареи. Дефектность такого элемента проявится позже при длительном цикле разряда. При разряде по тем же причинам (большое внутренне сопротивление и малая емкость) на этом элементе будет наименьшее напряжение. Сказанное означает, что при заряде на слабой банке может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные банки блока еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов батарей. В свинцовых и никелевых аккумуляторах эта проблема решалась путем некоторого перезаряда ТАБ. Однако перезаряд для литий-ионных ТАБ недопустим. Одним из надежных методов решения этой проблемы литий-ионных аккумуляторов является применение отдельных зарядных устройств для каждого элемента ТАБ. Поскольку в ТАБ достаточно большое число элементов, отдельные зарядные устройства оказались бы слишком дорогим и нерациональным техническим решением. Компромиссом является применение устройств для выравнивания (балансировки) заряда. Выравнивание заряда – это метод, позволяющий повысить безопасность эксплуатации, увеличить время работы без подзарядки, а также продлить срок службы аккумуляторных батарей. Существуют различные методы выравнивания заряда отдельных элементов ТАБ: на протяжении всего заряда, при окончании заряда, во время разряда. Подразделяют также эти методы на пассивные и активные. Пассивные методы балансировки ограничивают величину заряда отдельных элементов, рассеивая лишнюю энергию заряда в виде тепла, активные методы балансировки запасают энергию в емкостях или индуктивностях и перераспределяют эту энергию между элементами ТАБ.

В таких автомобилях применяют как правило, два режима заряда, а именно, основную достаточно длительную зарядку от сети относительно небольшим током (0,2С – 0,4С) и вспомогательную довольно кратковременную зарядку большим током (0,9С – 1,6С) при рекуперации. Наиболее простым и недорогим является пассивный метод выравнивания (балансировки) во второй фазе режима заряда, когда происходит поддержание постоянного напряжения на выходе зарядного устройства. По времени эта фаза наступает ближе к окончанию заряда. Принцип действия этого метода балансировки основан на подключении дополнительной нагрузки параллельно клеммам каждого аккумуляторного элемента, напряжение на котором во время зарядки превысило некоторую пороговую величину. Часть зарядного тока при этом идет в обход элемента по этой параллельной цепи, снижая ток через аккумуляторный элемент, и, следовательно напряжение на нем. Когда произойдет выравнивание напряжений на всех элементах ТАБ, контролирующее устройство фиксирует это, как полный заряд ТАБ. Поскольку во второй фазе ближе к окончанию заряда зарядный ток существенно снижается, потери электроэнергии при использовании этого метода оказываются сравнительно невелики. Однако если электромобиль или подзаряжаемый гибридный автомобиль подключается к зарядным станциям с быстрым зарядом большими токами, а также при рекуперации (когда также происходит заряд большими токами), обязательно такой заряд должен прекращаться при достижении хотя бы на одном элементе максимального напряжения. Это необходимо потому, что дополнительные нагрузки, подключаемые к аккумуляторным элементам при высоких токах заряда будут рассеивать слишком большую мощность, на которую они не рассчитаны. Из-за разброса емкости и внутреннего сопротивления элементов такое прекращение быстрого заряда обычно происходит при неполном заряде ТАБ (70 – 80%). В случае частого применения быстрого заряда применение последующего медленного до заряда с балансировкой является нерациональным, т.к. противоречит основной цели быстрого заряда – экономии времени. Следовательно в этом случае необходимы другие методы выравнивания заряда ТАБ, например пассивная балансировка в течение всего времени заряда или активная балансировка при заряде и разряде ТАБ. В настоящее время, пока быстрых зарядных станций в России практически не существует, этот недостаток не является существенным, поэтому наиболее простой и дешевый пассивный метод выравнивания в конце процесса заряда ТАБ является вполне приемлемым вариантом. Некоторое увеличение разбалансировки при рекуперации не создает больших проблем, поскольку вклад рекуперации в общий приход энергии в ТАБ сравнительно мал, а очередная медленная зарядка полностью восстанавливает балансировку.

Рассмотрим практическую реализацию варианта балансировки в конце процесса зарядки ТАБ для подзаряжаемого гибридного автомобиля. Этот автомобиль разработан на базе грузовика «MAN TGL 12.220 Hybrid», в виде параллельного гибрида. Тяговый вентильный электродвигатель (ВЭД) выполнен на основе синхронной электрической машины (СЭМ) электромагнитным возбуждением. Номинальное напряжение электродвигателя 340В, с мощностью 80 л. с. и крутящим моментом 425Нм. В режиме ВЭД при развиваемой мощности около 6 кВт требуется рабочее напряжение ТАБ 44 – 48В. Такая ТАБ может быть набрана из 14 последовательно соединенных аккумуляторных элементов WB-LYP90AHA. Функциональная схема узлов такого автомобиля, связанных с балансировкой приведена на рисунке 6. Элементы ТАБ А1 – А14 имеют подключенные параллельно клеммам устройства балансирования и контроля БК1 – БК14. Выходы устройств БК1 – БК14 подключены к блоку ограничения разряда (БОР) и к блоку индикации уровня заряда (БИУЗ). Оба эти блока связаны с блоком управления ВЭД, который по сигналу от блока БОР обесточивает СЭМ, снимая при предельном разряде ТАБ напряжения с обмотки возбуждения (ОВ) СЭМ и с затворов силовых ключей трехфазного моста VT1 – VT6 (эти затворы соединены с блоком управления ВЭД), или, по сигналу с блока БИУЗ, уменьшает ток через ОВ. Последнее происходит в случае достижении предельного напряжения (предельного заряда) хотя бы на одном элементе ТАБ во время рекуперативного торможения, когда ВЭД работает в режиме генератора.

Рисунок 6 Функциональная схема узлов электропривода, связанных с балансировкой

 

При таком торможении контакты Р1.1 и Р1.2 реле Р1, обмотка которого запитывается вместе со стоп-сигналом, переключают две половины ТАБ в параллельное соединение. Это позволяет обеспечить эффективное рекуперативное торможение до достаточно низкой скорости автомобиля (до 18 км/ч). Контакты Р2.1 реле Р2, размыкаясь на время, пока происходит переключение реле Р1, обеспечивают через резистор R сглаживание бросков тока перезаряда конденсатора С, который необходим для блокирования индуктивности соединительных проводов между ТАБ и управляемым трехфазным мостом инвертора ВЭД. Зарядное устройство ЗУ подключают к сети переменного тока для медленной зарядки ТАБ. Принципиальная схема устройств балансирования и контроля БК1 – БК14 приведена на рисунке 7.

 

Рисунок 7 Принципиальная схема устройства балансирования и контроля

 

Подключаемая через транзистор VT3 к клеммам +А и –А аккумуляторного элемента нагрузка состоит из мощных резисторов R9 – R11. Резисторы рассчитаны на ток около 3,5А. Эти резисторы подключаются параллельно аккумуляторному элементу через транзистор VT3. Транзистор VT3 открывается через транзисторы VT1 и VT2 когда появляется проводимость между анодом и катодом. трехвыводного стабилитрона U1. Это происходит когда напряжение на управляющем электроде U1 достигает 2,5В. Подключение нагрузки из мощных резисторов R9 – R11 необходимо, когда напряжение на клеммах +А и –А достигнет предельного значения, номиналы делителя из резисторов R1 и R2 подобраны так, чтобы на резисторе R2 напряжение было равно 2,5В при напряжении на клеммах +А и - А равном 3,9 – 4,0В. Транзистор VT2 обеспечивает не только базовый ток для VT3, но и одновременно создает ток через оптрон U2, который выдает на выход ЗК, ЗЭ подключенный через блок БИУЗ к устройству управления ВЭД сигнал для уменьшения тока в обмотке возбуждения ОВ, что приведет к уменьшению тока заряда ТАБ в режиме рекуперации. Кроме того этот сигнал используется при медленном заряде от сети для того чтобы индицировать полную зарядку ТАБ, которая наступает после того, как полностью зарядится последний элемент батареи. Поскольку при полной зарядке сумма всех напряжений на элементах батареи практически сравняется с напряжением, поддерживаемым зарядным устройством на своем выходе, ток заряда снизится до незначительной величины. Это обстоятельство позволяет держать ТАБ на подзарядке сколь угодно долго. Трехвыводной стабилитрон U3 при нормальной работе ТАБ открыт и запирается когда напряжение на управляющем электроде опустится ниже 1,25 В. Соответственно номиналы делителя из резисторов R14 и R15 подобраны так, чтобы на резисторе R15 напряжение было равно 1,25В при напряжении на клеммах +А и - А равном 2,7 – 2,8В. В случае снижения напряжения на аккумуляторном элементе ниже это величины, через оптрон U4 выдает сигнал для блока БОР для прекращения работы ВЭД, и, следовательно, дальнейшего разрядке ТАБ.

Практическая реализация рассмотренной системы балансировки ТАБ для подзаряжаемого гибридного автомобиля подтвердила хорошее выравнивание заряда литий-ионной ТАБ при медленном заряде от сети, что обеспечивает доступную емкость разряда ТАБ, близкую к полной емкости ТАБ.


 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе исследовательской работы были получены следующие результаты:

· Рассмотрен вопрос об электромобиле и его актуальности в наше время.

· Были рассмотрены перспективы развития и особенности конструкций гибридных грузовиков.

· Проведен обзор грузового электромобиля MAN TGL 12.220 Hybrid.

· Рассмотрен принцип работы автоматизированной системы контроля заряда и разряда литий-ионных аккумуляторных батарей для грузовых электромобилей. Даная концепция и схемотехника, позволяет обеспечить простое и надежное решение проблемы автоматизированной балансировки заряда тяговой аккумуляторной батареи.


 

Список литературы

 

1. Texas Instruments [Електронный ресурс]: Выравнивание заряда батарей обеспечивает долгое время работы и продлевает срок службы. — Электрон. текстовые данные. — Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/articles/2003/03klinko.htm.

 

2. Все об мобильной энергии: Особенности зарядки последовательных аккумуляторов. — Режим доступа: http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=293.

 

3. Перспективы развития, особенности конструкций и моделей гибридных грузовиков. Режим доступа: http://www.transport-center.ru/news/gibridnyye_gruzoviki.

 

4. Тест-драйв "Параллельный грузовой гибрид". — Режим доступа: http://transler.ru/content/arxiv_perevozhic/perevozhik_11/perevozhik_125/Test-drayv_Parallelnyi_gibrid.

 

5. Теория электрической тяги. / Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. -М.: Транспорт, 1983. -328 с.

 

6. Государственная информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. — Режим доступа: https://gisee.ru/articles/experience/38678.

 

7. Ефремов И.С., Гурьянов Д.И., Павлов H.A. Построение систем управления электромобилем по критерию минимума потерь // Пятая всесоюз. конф. по управлению в механических системах. Тезисы докл. - Казань: КАИ, 1985.-с.Ю.







ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.