Hay muchos desafíos asociados con la gestión de pilas de baterías de iones de litio de alto voltaje en aplicaciones de vehículos totalmente eléctricos o híbridos. Los ciclos de carga y descarga deben monitorearse y controlarse, y las pilas de baterías que entregan cientos de voltios a menudo deben aislarse de los problemas de seguridad. Específicamente, este documento técnico examina los requisitos para el monitoreo de celdas de iones de litio y revisa la arquitectura y los componentes utilizados en el subsistema de monitoreo de celdas, el subsistema de comunicación digital y la interfaz de aislamiento.
prólogo
Hay muchos desafíos asociados con la gestión de pilas de baterías de iones de litio de alto voltaje en aplicaciones de vehículos totalmente eléctricos o híbridos. Los ciclos de carga y descarga deben monitorearse y controlarse, y las pilas de baterías que entregan cientos de voltios a menudo deben aislarse de los problemas de seguridad. Específicamente, este documento técnico examina los requisitos para el monitoreo de celdas de iones de litio y revisa la arquitectura y los componentes utilizados en el subsistema de monitoreo de celdas, el subsistema de comunicación digital y la interfaz de aislamiento.
Dentro del sistema de gestión, la placa de control de la batería utiliza dos subsistemas principales para controlar de forma fiable el estado de las celdas y proporcionar resultados digitales al procesador principal, que coordina el funcionamiento del sistema. La interfaz de señal que separa estos subsistemas emplea optoaislamiento entre el circuito de detección de batería de alto voltaje y los dispositivos de comunicación a bordo, lo que garantiza que los altos voltajes no pongan en peligro los subsistemas digitales.
Características de las baterías de iones de litio
Los sistemas electrónicos avanzados necesarios para cumplir con los requisitos de rendimiento, seguridad y confiabilidad de los vehículos eléctricos se derivan esencialmente directamente de las propiedades de las baterías de iones de litio. En una batería de iones de litio en descarga, el litio (normalmente) se ioniza en el ánodo de grafito y los iones de litio migran a través del electrolito, a través del separador y hacia el cátodo, lo que da como resultado un flujo de carga. El proceso de carga invierte el flujo, moviendo los iones de litio desde el cátodo a través del separador hasta el ánodo.
El rendimiento y la confiabilidad de este proceso químico dependen de la temperatura y el voltaje de la celda. A temperaturas más bajas, las reacciones químicas se ralentizan y el voltaje de la celda cae. A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de reacción aumenta hasta que los componentes de la batería de iones de litio comienzan a descomponerse. A temperaturas superiores a 100°C, el electrolito puede comenzar a descomponerse, liberando gas y creando presión en celdas diseñadas sin un mecanismo de alivio de presión. A temperaturas suficientemente altas, las celdas de iones de litio pueden experimentar una fuga térmica a medida que los óxidos se descomponen y liberan oxígeno, acelerando aún más el aumento de temperatura.
Por lo tanto, mantener las condiciones óptimas de funcionamiento de las celdas de iones de litio es un requisito clave para los sistemas de gestión de baterías. Un desafío en el diseño de sistemas de control y gestión es garantizar la recopilación y el análisis de datos confiables para monitorear y controlar el estado de las baterías de iones de litio en los vehículos. Este problema se ve agravado por la naturaleza de la propia batería de iones de litio.
En vehículos eléctricos como el Chevy Volt, el paquete de baterías contiene 288 celdas prismáticas de iones de litio, que se dividen en 96 grupos de celdas de batería y se conectan para proporcionar un voltaje del sistema de 386,6 V CC. Estos grupos de celdas de batería se combinan con sensores de temperatura y elementos de refrigeración y se integran en los cuatro módulos de batería principales. Las líneas de detección de voltaje unidas a cada grupo de celdas terminan en conectores en la parte superior de cada módulo de batería, y los arneses de detección de voltaje conectan los conectores a los módulos de interfaz de batería en la parte superior de cada módulo de batería. Aquí, cuatro módulos de interfaz de batería codificados por colores funcionan en diferentes posiciones dentro de la pila de baterías, correspondientes a los rangos de voltaje bajo, medio y alto de las compensaciones de voltaje de CC de los cuatro conjuntos de módulos.
Los datos del módulo de interfaz de la batería viajan aguas arriba al módulo de control de energía de la batería (Figura 1). Este módulo pasa las condiciones de falla, el estado y la información de diagnóstico al módulo de control del tren motriz híbrido. El módulo de control del tren de fuerza híbrido actúa como controlador principal para el diagnóstico a nivel del vehículo. Se ejecutan más de 500 diagnósticos cada décima de segundo en todo el sistema en un momento dado. El 85 % de estos diagnósticos se centran en la seguridad de la batería y el resto en el rendimiento y la vida útil de la batería.
tablero multicapa
El análisis posterior del rendimiento de la batería comienza con un módulo de control de interfaz de batería como el que se usa en el Chevy Volt (Figura 2). Diseñado para una alta integridad de la señal, el PCB de 4 capas utiliza una combinación de técnicas de diseño de trazas, técnicas de aislamiento y planos de tierra para ayudar a garantizar la integridad de la señal en este entorno desafiante. La capa superior contiene la mayoría de los componentes, como optoaisladores, planos de tierra y trazas de señales con múltiples vías que proporcionan conexiones a las capas inferiores. En la segunda capa, los planos de alimentación y tierra se extienden por debajo de las áreas de alto voltaje de la PCB. La tercera capa contiene rastros de señales que pasan por debajo de estas áreas. El otro lado de la placa de circuito impreso, la capa 4, se usa para planos de tierra y trazas de señales y contiene algunos componentes adicionales.
separación de señales
En los vehículos eléctricos, la comunicación y el control son fundamentales para el funcionamiento del vehículo, y en automóviles como el Volt, varias redes aíslan y protegen los subsistemas individuales. Un algoritmo complejo administra grupos de celdas de iones de litio individuales y monitorea los paquetes de baterías dentro de cada subsistema de detección de un módulo de control de interfaz de batería específico. Sin embargo, en última instancia, los datos críticos necesarios para la gestión general de la batería están contenidos en la interfaz de señal del bus CAN (Red de área de control) y en las señales de falla de alto voltaje. Al mismo tiempo, la seguridad y la confiabilidad del sistema dependen del aislamiento seguro de la red de bus CAN del circuito de detección de alto voltaje. El aislamiento se puede diseñar utilizando una variedad de métodos y componentes, pero los entornos hostiles y las múltiples normas de seguridad hacen que los optoacopladores sean la solución preferida para este tipo de aplicación.
Los optoacopladores ofrecen una alta inmunidad al ruido de modo común y son inherentemente inmunes a EMC y EMI asociados con entornos eléctricamente ruidosos, como los automóviles. Además, este tipo de dispositivos ofrecen un alto nivel de aislamiento. Esto es esencial cuando se enfrenta a tensión de CC a largo plazo de paquetes de baterías y transitorios rápidos de alto voltaje que pueden ocurrir durante la prueba, la conexión/desconexión del cargador y la carga. Conversión CC/CC.
Los requisitos clave para las aplicaciones automotrices al seleccionar este componente crítico incluyen el empaque adecuado y las especificaciones de voltaje operativo. Las especificaciones de rendimiento como la velocidad, la tasa de datos y el consumo de energía siguen siendo importantes, pero las preocupaciones sobre la EMI debido a los tiempos de conmutación rápidos y los transitorios de alta corriente tienden a limitar la necesidad de dispositivos de muy alta velocidad, reduciendo en cambio la velocidad de respuesta. para una mayor flexibilidad en el ajuste de la Rendimiento para limitar aún más la EMI.
Para cumplir con las estrictas especificaciones requeridas para los entornos automotrices, Avago ofrece múltiples familias de optoacopladores que pueden manejar la detección de voltaje del paquete de baterías, proporcionar aislamiento en las interfaces de comunicación de datos y servir para otras aplicaciones. Consulte la Tabla 1 para obtener una descripción general de los optoacopladores disponibles calificados para entornos automotrices.
Optoacoplador de grado automotriz
Por ejemplo, el optoacoplador ACPL-M43T de Avago Technologies proporciona aislamiento para la PCB del módulo de control de la interfaz de la batería. Miembro de la familia R2Coupler de Avago, el ACPL-M43T es un optoacoplador digital de un solo canal de grado automotriz alojado en un paquete compacto Jedec SO-5 de 5 conductores diseñado para montaje en superficie. Los dispositivos Avago R2Coupler, como el ACPL-M43T, utilizan enlaces de doble cable para reforzar las almohadillas funcionales críticas junto con un aislamiento mejorado (Figura 3). Además, los optoacopladores herméticos demuestran una mayor confiabilidad y amplios rangos de temperatura mucho más allá de lo que está disponible con los optoacopladores basados en LED de grado de consumo. Los productos Avago para aplicaciones automotrices utilizan LED de grado automotriz, se fabrican de acuerdo con el sistema de calidad ISO/TS16949 y cumplen con las especificaciones AEC-Q100.
El dispositivo es ideal para los requisitos de paquetes de baterías EV con especificaciones que incluyen voltaje de trabajo continuo de 567 V, sobrevoltaje transitorio máximo de 6000 V, fuga de 5 mm y espacio libre de 5 mm. El dispositivo cuenta con inmunidad transitoria de modo común de 30 kV/μs para una salida lógica alta o baja a una corriente de entrada directa de 10 mA, lo que permite que los transitorios de otros subsistemas automotrices pasen a través de la red de transmisión CAN.
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