Introducción de dispositivos electrónicos de control para sistemas de baterías de litio
Se utilizará el mismo hardware electrónico básico tanto en baja como en alta tensión. sistemas de baterías de litio(como Batería de litio del SAI、batería de coche de ión litio etc.).
Incluyen: contactor principal, contactor precargado, bucle de enclavamiento de alto voltaje (HVIL), desconexión manual de servicio (MSD), fusible, bus, placa de enlace de celdas, mazo de cables de bajo voltaje y mazo de cables de alto voltaje. Estos componentes se conocen colectivamente como el Front End de alto voltaje (HVFE).
Sistemas de baterías de litio de alta y baja tensión
La elección de los componentes electrónicos frontales de alta tensión se basa en la tensión de los sistemas de baterías de litio. Los dispositivos de alta tensión deben considerarse para sistemas con tensiones superiores a 60 V, ya que la exposición a tensiones elevadas superiores a 60 V puede provocar lesiones graves o incluso la muerte.
Por lo tanto, los sistemas de alta tensión (AT) requieren precauciones de seguridad adicionales, que deben tenerse en cuenta en el diseño para garantizar la seguridad del operador durante el funcionamiento o el mantenimiento del sistema.
Si el voltaje de los sistemas de baterías de litio es inferior a 60 V, las personas pueden entumecerse al tocarlas, pero no suele ser mortal. Por tanto, un sistema de baterías teóricamente seguro preferiría un diseño de bajo voltaje.
Aunque los sistemas de baterías de litio de baja tensión no requieren componentes de hardware y control tan complejos como los sistemas de alta tensión para garantizar la seguridad, siguen siendo necesarios sistemas de seguridad adecuados.
El pico de tensión para la mayoría de las aplicaciones de automoción ronda los 400 V, mientras que los sistemas de baterías de clase mWH en centrales eléctricas y algunas aplicaciones industriales pueden superar los 1.000 V. El tipo de dispositivo de alta tensión seleccionado debe ser adecuado para la tensión más alta del sistema.
Como se menciona en el artículo sobre el sistema de gestión de baterías (BMS), otra cosa importante en el diseño de baterías es garantizar la compatibilidad electromagnética (EMC) y la resistencia a interferencias electromagnéticas (EMI) del sistema.
Esto incluye el uso adecuado de cableado apantallado, así como la evaluación del diseño y la colocación de PCBS y paneles de control en el sistema. Además, el material de embalaje también ayuda a mejorar la compatibilidad electromagnética y la resistencia a las interferencias electromagnéticas de los sistemas de baterías de litio.
Contactor/relé
El propósito de un interruptor electromecánico o relé es conectar el circuito para permitir que la corriente fluya, o desconectar el circuito para detener el flujo de corriente.
Los interruptores son otro elemento de diseño y seguridad muy importante en los sistemas de baterías de litio, ya que pueden detener o desconectar la salida de corriente y tensión de la batería. Un interruptor se considera un dispositivo electromecánico, que es una operación mecánica.
Los interruptores suelen estar sellados en recipientes herméticos llenos de gases no conductores, que no sólo evitan las chispas cuando se enciende o se daña el circuito, sino que también pueden utilizarse en entornos corrosivos, como en el duro ambiente de los tubos de escape de los automóviles, para evitar la contaminación o la corrosión.
En la actualidad hay muchas grandes empresas que suministran interruptores acabados para sistemas eléctricos. Por lo tanto, la gente prefiere cooperar con el fabricante de estos componentes para elegir el interruptor adecuado para sus sistemas de baterías de litio, en lugar de diseñar el interruptor ellos mismos.
El interruptor suele conectarse mediante un contactor precargado o una resistencia precargada. Se trata de un interruptor auxiliar en paralelo con el interruptor principal. La función de este interruptor es evitar una situación repentina de alta corriente cuando se cierra el interruptor principal.
Es necesario cerrar primero el interruptor secundario para empezar a permitir que fluyan pequeñas corrientes en el sistema, de modo que cuando el interruptor principal esté completamente cerrado para formar un bucle, se pueda evitar que se dañen otros circuitos o que el interruptor principal se funda peligrosamente en la posición cerrada.
La figura que aparece debajo de este párrafo muestra los tres interruptores principales en paralelo con los interruptores de precarga. En la parte superior de la figura, tanto el interruptor principal como el de precarga están desconectados, por lo que no hay corriente en los sistemas de baterías de litio en este momento, es decir, la posición es abierta.
En el diagrama de circuito del medio, el interruptor de precarga está cerrado, por lo que se permite que fluya una pequeña cantidad de corriente en este momento, mientras que el interruptor principal permanece apagado durante un tiempo predeterminado. En el diagrama de circuito final, el interruptor principal también está cerrado, los sistemas de baterías de litio permiten que fluya toda la corriente y el interruptor del sistema está en la posición de encendido.
En la mayoría de los sistemas de baterías de litio, sólo hay un interruptor y un conmutador de precarga. Sin embargo, algunos sistemas de gran tamaño constan de una serie de circuitos en paralelo, cada uno de los cuales tiene su propio interruptor de control para que puedan funcionar de forma independiente bajo su propio control.
Circuito de enclavamiento de alta tensión
Muchos sistemas de baterías de litio de almacenamiento de energía de alto voltaje incluyen un componente de seguridad denominado bucle de enclavamiento de alto voltaje (HVIL), que crea un circuito cerrado cuando el paquete de baterías está empaquetado. Si se abre una parte del paquete de baterías, el interruptor del circuito se apaga y la corriente deja de fluir.
Es importante tener en cuenta que, en el diseño de la batería, no sólo se pueden instalar los elementos HVIL en la batería, sino que también es necesario instalar otros componentes y unidades de control en los sistemas de baterías de litio, pero la batería sólo se puede abrir si el HVIL está dañado.
El motivo es garantizar la seguridad del personal que enciende el sistema de baterías durante el mantenimiento o la reparación del paquete de baterías.
Una forma de hacerlo es conectar el cable del coche eléctrico al circuito de enclavamiento e informar de este estado al controlador de la batería. En este tipo de sistemas de baterías de litio, cuando el controlador BMS reconoce que uno de los circuitos de enclavamiento está encendido, el controlador de la batería dará a los interruptores un mensaje para obligarlos a desconectarse, de modo que el bus de alta tensión se descarga y la batería se enciende de forma segura.
Otra forma de conseguirlo es conectarse a la fuente de alimentación de alta tensión a través de un dispositivo MSD (Manual Service Disconnect) con fusible de alta tensión incorporado y enclavamiento de alta tensión. En el cortocircuito externo cuando el fusible corta el circuito de alta tensión;
Cuando es necesario desconectar manualmente la alta tensión, primero se desconecta el enclavamiento de alta tensión y, a continuación, se desconecta el circuito de alta tensión. MSD desconecta físicamente el pack de baterías de la alta tensión externa, garantizando la seguridad del personal de mantenimiento.
Fusible
Como ya se ha mencionado, la mayoría de los sistemas de baterías de litio de almacenamiento de energía de alto voltaje en vehículos disponen de FDS, que se diseñan como parte del HVIL. Los cables de alimentación de alta tensión se conectan a través de la HDSM.
Por ejemplo, en un pack de baterías de 100 cadenas, las FDS suelen instalarse en el centro del pack de baterías de 50 cadenas.
Para garantizar que la desconexión funciona para reducir la tensión total, ésta se corta en varios segmentos de menor tensión para reducir los posibles riesgos de seguridad.
Dependiendo del tipo de batería, a veces se pueden tener en cuenta otros fusibles al diseñar un MSD. Por lo general, las baterías de bajo voltaje no necesitan tener en cuenta el MSD, pero es posible que se necesiten uno o varios fusibles en función del diseño de los sistemas de baterías de litio.
Y cuando se funde un fusible, algunos fabricantes de equipos originales (OEM) han integrado pequeños fusibles directamente en el panel de control. Esto proporciona una seguridad adicional en caso de fallo de una célula o de una célula en paralelo, o de sobretensión.
Es posible que los grandes sistemas de almacenamiento de energía no dispongan de fusibles MSD, pero normalmente se incorporan otros tipos de fusibles en la batería para garantizar la seguridad. Los fusibles también suelen estar integrados en las unidades de desconexión de baterías (BDU) de los grandes sistemas de baterías de litio.
Unidad de desconexión de la batería
En la mayoría de los híbridos, la electrónica y los subsistemas se encuentran en algún lugar de la batería. De hecho, algunos proveedores de componentes y fabricantes de equipos originales los montan en una unidad física independiente denominada BDU (unidad de desconexión de la batería).
Aunque el BMS suele instalarse por separado de la BDU, ésta puede proporcionar servicios de comunicación para los detectores electrónicos, los controladores del coche y el exterior del vehículo.
Algunos proveedores de componentes los diseñan como una serie de unidades de tipo producto acabado estándar que pueden adquirirse como unidades individuales e instalarse en los sistemas de baterías de litio de almacenamiento de energía. Los interruptores principales, los interruptores de precarga, los fusibles, el HVIL y demás hardware electrónico pueden ser una sola unidad.
Empresas como Delphi y Tyco Electronics pueden suministrar unidades de alta tensión listas para usar basadas en la experiencia eléctrica del cliente y en los requisitos de la aplicación, lo que ahorra mucho tiempo a los equipos de ingeniería y mejora su eficacia.
Conector
Otro componente importante que hay que tener en cuenta al diseñar sistemas de control y baterías de litio es el conector. Dado que el industria de las baterías de ión litio está empezando y está menos estandarizado, es probable que haya muchas soluciones disponibles, cada una con costes y beneficios diferentes, y no todas compatibles.
Además, los conectores utilizados en muchos dispositivos electrónicos portátiles no han demostrado cumplir los requisitos de fiabilidad del sector del automóvil.
Los conectores deben cumplir los requisitos de embalaje de las baterías, soportar entornos adversos, blindaje EMI y cumplir los requisitos de corriente, tensión y comunicación sin aumentar significativamente los costes del sistema.
Los conectores que unen módulo-módulo y célula-célula son muy importantes. Algunos fabricantes de conectores han desarrollado diseños de conexión que facilitan la instalación y el mantenimiento.
El conector "Radsok" de Amphenol, por ejemplo, es fácil de instalar y desmontar. Su único inconveniente es que cuesta más que los conectores convencionales.
Los conectores y el cableado están asegurados por un diseño de pestillo incorporado, que no sólo es necesario para los paquetes de baterías de potencia en aplicaciones de transporte, sino que se recomienda tener en cuenta en todos los sistemas de baterías de litio.
Mediante la integración de conectores de enclavamiento, se garantiza que estas conexiones no se suelten ni se desprendan con el paso del tiempo. Además, se utilizan cables amarillos de alta tensión, tal como especifica la norma SAE J1673, para distinguirlos de los cables eléctricos del automóvil.
