Introduction de dispositifs de contrôle électronique pour les systèmes de batteries au lithium

Le même matériel électronique de base sera utilisé pour la basse et la haute tension. systèmes de batteries au lithium(par exemple Batterie au lithium de l'onduleur、Batterie de voiture au lithium-ion etc.)

Ils comprennent : le contacteur principal, le contacteur prérempli, la boucle de verrouillage haute tension (HVIL), le dispositif de déconnexion manuelle (MSD), le fusible, le bus, la carte de liaison cellulaire, le faisceau de câblage basse tension et le faisceau de câblage haute tension. Ces composants sont collectivement connus sous le nom de partie frontale haute tension (HVFE).

Systèmes de batteries au lithium à basse et haute tension

Le choix des composants électroniques frontaux haute tension est basé sur la tension des systèmes de batteries au lithium. Les dispositifs à haute tension doivent être envisagés pour les systèmes dont la tension est supérieure à 60 V, car l'exposition à des tensions élevées supérieures à 60 V peut entraîner des blessures graves, voire la mort.

Par conséquent, les systèmes à haute tension (HT) nécessitent des précautions de sécurité supplémentaires, qui doivent être prises en compte lors de la conception afin de garantir la sécurité de l'opérateur pendant l'exploitation ou la maintenance du système.

Si la tension des systèmes de piles au lithium est inférieure à 60 V, les gens peuvent s'engourdir lorsqu'ils les touchent, mais cela ne met généralement pas leur vie en danger. Par conséquent, un système de piles théoriquement sûr devrait être conçu de préférence à basse tension.

Bien que les systèmes de batteries au lithium à basse tension ne nécessitent pas un matériel et des composants de contrôle aussi complexes que les systèmes à haute tension pour garantir la sécurité, des systèmes de sécurité appropriés sont tout de même nécessaires.

La tension de pointe pour la plupart des applications automobiles est d'environ 400 V, tandis que les systèmes de batteries de classe mWH dans les centrales électriques et certaines applications industrielles peuvent dépasser 1000 V. Le type de dispositif haute tension sélectionné doit être adapté à la tension la plus élevée du système.

Comme indiqué dans l'article sur le système de gestion de la batterie (BMS), un autre aspect important de la conception de la batterie est de garantir la compatibilité électromagnétique (EMC) et la résistance aux interférences électromagnétiques (EMI) du système.

Il s'agit notamment d'utiliser correctement le câblage blindé et d'évaluer la conception et l'emplacement des PCBS et des panneaux de contrôle dans le système. En outre, le matériau d'emballage contribue également à améliorer la compatibilité électromagnétique et la résistance aux interférences électromagnétiques des systèmes de piles au lithium.

Contacteur/relais

L'objectif d'un interrupteur électromécanique ou d'un relais est de connecter le circuit pour permettre au courant de circuler, ou de déconnecter le circuit pour empêcher le courant de circuler.

Les interrupteurs sont un autre élément de conception et de sécurité très important dans les systèmes de batteries au lithium, car ils peuvent arrêter ou déconnecter le courant et la tension de sortie de la batterie. Un interrupteur est considéré comme un dispositif électromécanique, c'est-à-dire une opération mécanique.

Les interrupteurs sont généralement scellés dans des conteneurs hermétiques remplis de gaz non conducteurs, ce qui permet non seulement d'éviter les étincelles lorsque le circuit est activé ou endommagé, mais aussi d'être utilisés dans des environnements corrosifs, tels que l'environnement hostile des gaz d'échappement des automobiles, afin d'éviter la contamination ou la corrosion.

Il existe aujourd'hui de nombreuses grandes entreprises qui fournissent des interrupteurs finis pour les systèmes électriques. C'est pourquoi les gens préfèrent coopérer avec le fabricant de ces composants pour choisir l'interrupteur approprié pour leurs systèmes de batteries au lithium, plutôt que de concevoir l'interrupteur eux-mêmes.

L'interrupteur est généralement connecté à l'aide d'un contacteur préchargé ou d'une résistance préchargée. Il s'agit d'un interrupteur auxiliaire en parallèle avec l'interrupteur principal. La fonction de cet interrupteur est d'éviter une situation soudaine de courant élevé lorsque l'interrupteur principal est fermé.

L'interrupteur secondaire doit être fermé en premier pour permettre à de petits courants de circuler dans le système, de sorte que lorsque l'interrupteur principal est complètement fermé pour former une boucle, d'autres circuits ne peuvent pas être endommagés ou l'interrupteur principal peut être dangereusement protégé par un fusible en position fermée.

La figure ci-dessous montre les trois interrupteurs principaux en parallèle avec les interrupteurs de précharge. En haut de la figure, l'interrupteur principal et l'interrupteur de précharge sont tous deux déconnectés, de sorte qu'il n'y a pas de courant dans les systèmes de batteries au lithium à ce moment-là, c'est-à-dire que la position est ouverte.

Dans le schéma du milieu, l'interrupteur de précharge est fermé, de sorte qu'une petite quantité de courant est autorisée à circuler à ce moment-là, tandis que l'interrupteur principal reste éteint pendant une durée prédéterminée. Dans le schéma final, l'interrupteur principal est également fermé, les systèmes de batteries au lithium laissent passer tout le courant et l'interrupteur du système est en position de marche.

Dans la plupart des systèmes de batteries au lithium, il n'y a qu'un seul interrupteur et un interrupteur de précharge. Toutefois, certains grands systèmes sont constitués d'une série de circuits parallèles, chacun d'entre eux étant doté de son propre interrupteur de commande, de sorte qu'ils peuvent fonctionner indépendamment sous leur propre contrôle.

Circuit de verrouillage haute tension

De nombreux systèmes de stockage d'énergie haute tension à base de batteries au lithium comprennent un composant de sécurité appelé boucle de verrouillage haute tension (HVIL), qui crée un circuit fermé lorsque le bloc-batterie est emballé. Si une partie de la batterie est ouverte, l'interrupteur du circuit est désactivé et le courant cesse de circuler.

Il est important de noter que dans la conception du bloc-batterie, non seulement les éléments HVIL peuvent être installés dans le bloc-batterie, mais d'autres composants et unités de contrôle doivent être installés dans les systèmes de batteries au lithium, mais le bloc-batterie ne peut être ouvert que si la HVIL est endommagée.

La raison en est d'assurer la sécurité du personnel qui met en marche le système de batterie pendant l'entretien ou la réparation du bloc-batterie.

Une façon de procéder consiste à connecter le câble de la voiture électrique au circuit de verrouillage et à signaler cet état au contrôleur du bloc-batterie. Dans ce type de systèmes de batteries au lithium, lorsque le contrôleur BMS reconnaît que l'un des circuits de verrouillage est activé, le contrôleur de batterie envoie un message aux interrupteurs pour les forcer à se déconnecter, de sorte que le bus haute tension est déchargé et que la batterie est mise en marche en toute sécurité.

Une autre façon d'y parvenir est de se connecter à l'alimentation haute tension via un dispositif MSD (Manual Service Disconnect) doté d'un fusible haute tension intégré et d'un verrouillage haute tension. En cas de court-circuit externe, le fusible coupe le circuit haute tension ;

Lorsque la haute tension doit être déconnectée manuellement, le verrouillage de la haute tension est d'abord déconnecté, puis le circuit de haute tension est déconnecté. MSD déconnecte physiquement la batterie de la haute tension externe, assurant ainsi la sécurité du personnel de maintenance.

Fusible

Comme indiqué précédemment, la plupart des systèmes de batteries au lithium de stockage d'énergie à haute tension dans les véhicules ont des fiches signalétiques, qui sont conçues comme faisant partie de la HVIL. Les fils d'alimentation haute tension sont connectés par l'intermédiaire de la fiche signalétique.

Les fiches de données de sécurité sont généralement installées au milieu du bloc-batterie. Par exemple, dans un bloc-batterie de 100 cordes, les fiches de données de sécurité sont généralement installées au milieu du bloc-batterie de 50 cordes.

Pour s'assurer que la déconnexion fonctionne de manière à réduire la tension totale, celle-ci est coupée en plusieurs segments de tension inférieure afin de réduire les risques éventuels pour la sécurité.

Selon le type de batterie, d'autres fusibles peuvent parfois être pris en compte lors de la conception d'un MSD. Les batteries à basse tension n'ont généralement pas besoin d'être prises en compte dans les DMS, mais un ou plusieurs fusibles peuvent être nécessaires en fonction de la conception des systèmes de batteries au lithium.

Et lorsqu'un fusible saute, certains OEM (Original Equipment Manufacturers) ont intégré de petits fusibles directement dans le panneau de commande. Cela offre une sécurité supplémentaire en cas de défaillance d'une cellule unique ou parallèle ou de surtension.

Les grands systèmes de stockage d'énergie peuvent ne pas être équipés de fusibles MSD, mais d'autres types de fusibles sont généralement intégrés à la batterie pour garantir la sécurité. Les fusibles sont également souvent intégrés dans les unités de déconnexion de la batterie (BDU) pour les grands systèmes de batteries au lithium.

Unité de déconnexion de la batterie

Dans la plupart des véhicules hybrides, l'électronique et les sous-systèmes sont situés quelque part dans le bloc-batterie. En fait, certains fournisseurs de composants et équipementiers les assemblent dans une unité physique distincte appelée BDU (Battery disconnect Unit).

Bien que le BMS soit généralement installé séparément de l'EDR, cette dernière peut fournir des services de communication aux détecteurs électroniques, aux contrôleurs de la voiture et à l'extérieur de la voiture.

Certains fournisseurs de composants les conçoivent comme une série d'unités standard de type produit fini qui peuvent être achetées en tant qu'unités individuelles et installées dans les systèmes de batteries au lithium de stockage d'énergie. Les interrupteurs principaux, les interrupteurs de précharge, les fusibles, le HVIL et d'autres composants électroniques peuvent constituer une seule et même unité.

Des entreprises telles que Delphi et Tyco Electronics peuvent fournir des unités haute tension prêtes à l'emploi en fonction de l'expérience électrique du client et des exigences de l'application, ce qui permet aux équipes d'ingénieurs de gagner du temps et d'améliorer l'efficacité de l'ingénierie.

Connecteur

Un autre élément important à prendre en compte lors de la conception de systèmes de contrôle et de batteries au lithium est le connecteur. Étant donné que le connecteur l'industrie des batteries lithium-ion n'en est qu'à ses débuts et est moins normalisé, il est probable que de nombreuses solutions soient disponibles, chacune ayant des coûts et des avantages différents et n'étant pas toutes compatibles.

En outre, les connecteurs utilisés dans de nombreux appareils électroniques portables n'ont pas prouvé qu'ils répondaient aux exigences de fiabilité du secteur automobile.

Les connecteurs doivent répondre aux exigences d'emballage des batteries, résister aux environnements difficiles, au blindage EMI et satisfaire aux exigences en matière de courant, de tension et de communication sans augmenter de manière significative les coûts du système.

Les connecteurs qui relient les modules et les cellules entre elles sont très importants. Certains fabricants de connecteurs ont mis au point des modèles de connexion qui facilitent l'installation et la maintenance.

Le connecteur "Radsok" d'Amphenol, par exemple, est facile à installer et à démonter. Son seul inconvénient est qu'il coûte plus cher que les connecteurs conventionnels.

Les connecteurs et le câblage sont sécurisés par un système de verrouillage intégré, qui n'est pas seulement nécessaire pour les batteries d'alimentation dans les applications de transport, mais qui est recommandé pour tous les systèmes de batteries au lithium.

L'intégration de connecteurs à verrouillage garantit que ces connexions ne se détachent pas au fil du temps. En outre, des fils haute tension jaunes, conformément à la norme SAE J1673, sont utilisés pour les distinguer des fils électriques de la voiture.