Was ist ein Batteriesicherheitsmanagementsystem?
Sicherheitsmanagement
Das Batteriesicherheitsmanagementsystem gewährleistet in erster Linie den sicheren und effizienten Betrieb des Batteriepakets und verhindert, dass es aufgrund hoher Temperaturen in Brand gerät oder aufgrund niedriger Temperaturen ausfällt. Da es sich bei dem Batteriesatz um ein Hochspannungsgerät handelt, ist ein Hochspannungsisolationsschutzsystem unerlässlich, um die Sicherheit von Fahrzeuginsassen und Fußgängern zu gewährleisten. Das Batteriesicherheitsmanagementsystem muss in der Lage sein, die Leistung sowohl der Batterie als auch des Fahrzeugs zu maximieren und gleichzeitig einen sicheren Fahrzeugbetrieb zu gewährleisten. Die Entwicklung von Batteriesicherheitsmanagementsystemen ist von großer Bedeutung, um die Sicherheit von Leben und Eigentum zu gewährleisten und die Entwicklung von Elektrofahrzeugen voranzutreiben.
Hochspannungs-Isolationsprüfsystem
Die Energiespeicher in Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel Power-Akkus, Brennstoffzellen oder Superkondensatoren, arbeiten mit Spannungen, die weit über dem sicheren Spannungsbereich für den menschlichen Körper liegen; Einige Elektrobusse verfügen sogar über Batteriepakete, die mit 600 V betrieben werden. Die Isolationsleistung der Isoliermaterialien im Fahrzeug lässt im Laufe der Nutzung aufgrund von Abnutzung allmählich nach, und erhöhte Luftfeuchtigkeit verringert auch die Isolationsleistung zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Fahrgestell. Wenn die Isolationsschicht der Plus- und Minuspole der Batterie abgenutzt ist und mit dem Chassis in Kontakt kommt, entsteht eine Leckstromschleife, die den Betrieb der Motorsteuerung und anderer Niederspannungs-Elektrogeräte beeinträchtigt und sogar die Sicherheit der Passagiere gefährdet. Wenn die Isolierung zwischen mehreren Punkten des Batteriepack-Schaltkreises und dem Gehäuse altert, kommt es zu Selbstentladung und Energieansammlung, was in schweren Fällen möglicherweise zu einem Brand führen kann. Um den sicheren Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten, muss ein Isolationsleistungserkennungsgerät installiert werden, das den Isolationswiderstand zwischen dem Hochspannungssystem und dem Fahrgestell in Echtzeit überwacht.
Zu den häufig verwendeten Isolationsprüfmethoden gehören:
1. Direkte Leckage-Messmethode
In Gleichstromsystemen ist dies die einfachste und praktischste Methode. Stellen Sie ein Multimeter auf den Strombereich ein und schließen Sie es in Reihe zwischen dem Pluspol des Akkupacks und dem Gerätegehäuse (oder Masse) an. Dadurch wird der Leckstrom zwischen dem Minuspol des Akkupacks und dem Gehäuse erkannt. Ebenso kann es in Reihe zwischen dem Minuspol und dem Gehäuse geschaltet werden, um den Leckstrom zwischen dem Pluspol und dem Gehäuse zu erfassen. Diese Methode ist einfach und leicht zu implementieren und wird häufig bei der -Fehlererkennung vor Ort und routinemäßigen Fahrzeuginspektionen eingesetzt.
2. Stromerfassungsmethode
Ein Hall-Effekt-Stromsensor ist eine gängige Methode zur Erkennung von Leckagen in Hochspannungs-Gleichstromsystemen. Die positiven und negativen Stromschienen des Batteriesystems werden gemeinsam in der gleichen Richtung durch den Stromsensor geführt. Wenn kein Leckstrom vorhanden ist, ist der vom Pluspol fließende Strom gleich dem zum Minuspol zurückfließenden Strom. Daher ist der durch den Stromsensor fließende Strom Null und die Ausgangsspannung des Stromsensors ist Null. Wenn eine Leckage auftritt, ist die Ausgangsspannung des Stromsensors nicht Null. Anhand des Vorzeichens dieser Spannung kann weiter bestimmt werden, ob der Leckstrom vom Plus- oder Minuspol der Stromversorgung stammt. Diese Testmethode erfordert jedoch, dass der zu testende Akku betriebsbereit ist und Strom ein- und ausfließt. Die Isolationsleistung des Batteriesystems gegenüber Erde unter Leerlaufbedingungen kann nicht beurteilt werden.
3. Messmethode des Isolationswiderstandsmessgeräts
Bei dieser Methode wird ein Isolationswiderstandsmessgerät verwendet, um den Widerstandswert der Isolierung zu messen. Ein Isolationswiderstandsmessgerät, allgemein als Megaohmmeter bekannt, wird oft von einem handgekurbelten Generator angetrieben und wird daher auch als Megaohmmeter bezeichnet. Seine Skala basiert auf dem Isolationswiderstand und ist ein häufig verwendetes Messgerät in der Elektrotechnik. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 8-29 dargestellt.
Das Instrument funktioniert, indem es das zu prüfende Gerät oder Netzwerk mit einer Spannung anregt, dann den durch die Erregung erzeugten Strom misst und das Ohmsche Gesetz zur Messung des Widerstands verwendet. Das Isolationswiderstandsmessgerät besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: einem handgekurbelten Generator und einem magnetoelektrischen Verhältnismesser. Durch Drehen des Griffs erzeugt der handgekurbelte Generator eine Wechselstrom-Hochspannung, die durch eine Diode gleichgerichtet wird, um eine Gleichstrom-Hochspannung für die Messung bereitzustellen. Das magnetoelektrische Verhältnismessgerät misst dann das Verhältnis des Stroms in der Spannungsspule und der Stromspule, und der Zeiger zeigt die Widerstandsskala an.
Die oben genannten drei Methoden verwenden alle proprietäre Geräte zur Prüfung des Leckstroms und des Isolationswiderstands, was gewisse Schwierigkeiten bei der Integration in Batteriemanagementsysteme mit sich bringt. Schaltungsmessmethoden werden häufiger in Batteriemanagementsystemen eingesetzt. Das Prinzip der häufig verwendeten Gleichspannungs-Isolationsmessung ist in Abbildung 8-30 dargestellt.
In diesem Blockdiagramm sind R₁, R₂, R₃ und R₄ hochohmige Widerstände (z. B. 500 kΩ oder höher), die sicherstellen, dass der Isolationspegel während der Messung nicht künstlich abnimmt. Rₙ und Rₚ sind die Isolationswiderstände der positiven bzw. negativen Anschlüsse des Leistungsbatteriesatzes zur Fahrzeugkarosserie. R' und R" sind Spannungsteilerwiderstände mit kleinen Widerständen (z. B. etwa 2000 Ω), wodurch der A-D-Umwandlungschip über sie analoge mV--Pegelsignale erhalten kann.
Wenn sich Schalter S im ausgeschalteten Zustand befindet, können die Spannungswerte an Rₙ und Rₚ über den Messchip ermittelt werden, was zu folgender Gleichung führt:
In der Formel stellen V₁ und V₂ die Spannungen der positiven und negativen Sammelschienen gegen Erde dar, wenn der Schalter S geöffnet ist.
In ähnlicher Weise kann bei geschlossenem Schalter S eine andere Gleichung erhalten werden:
In der Formel stellen V'₁ und V'₂ die positiven und negativen Sammelschienenspannungen zur Erde dar, wenn S geschlossen ist.
Da die Widerstandswerte der Reihenwiderstände R₁, R₂, R₃, R₄, R und R' bekannt sind, kann das Gleichungssystem (8-5) und (8-6) zur Lösung nach R₊ und R₋ verwendet werden.
Weitere Methoden zur Messung des Isolationswiderstands, die in Batteriemanagementsystemen verwendet werden, umfassen die Methode der symmetrischen Brücke, die Methode der Hochfrequenzsignalinjektion und die Methode der Hilfsstromversorgung. Da die Spannung von Leistungsbatterien steigt und ihre Anwendungen immer weiter verbreitet werden, wird die Isolationssicherheit von Elektrofahrzeugen immer wichtiger, und Forscher entwickeln und validieren kontinuierlich verschiedene Methoden zur Isolationsüberwachung.
Spitzenleistung
SOP (State of Power) ist die maximale Leistung, die eine Batterie innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls abgeben oder aufnehmen kann. Die Spitzenleistung wird verwendet, um die Lade- und Entladegrenzen einer Leistungsbatterie bei verschiedenen Ladezuständen zu bewerten. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Abstimmung zwischen der Leistungsbatterie und der Fahrzeugleistung sowie bei der Maximierung der regenerativen Bremsfunktion des Elektromotors. Es hat auch einen erheblichen theoretischen und praktischen Wert für die rationelle Nutzung von Batterien, die Vermeidung von Überladung oder Tiefentladung, die Verbesserung der Batteriesicherheit und die Verlängerung der Batterielebensdauer. Allerdings unterliegt die Spitzenleistung der Batterie zahlreichen Sicherheitsbeschränkungen; Nur Spitzenleistungen innerhalb dieser Sicherheitsgrenzen haben praktische Bedeutung. In diesem Abschnitt werden einige Batterieparameter besprochen, die die Spitzenleistung begrenzen, und die Beziehung zwischen Batteriesicherheit und Spitzenleistung untersucht.
1. Temperatur-basierte Einschränkungen
Die Leitfähigkeit des Elektrolyten und die Aktivität der Anoden- und Kathodenmaterialien ändern sich mit der Temperatur und beeinflussen so die Obergrenze der Lade- und Entladeleistung der Batterie. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektroden nimmt mit sinkender Temperatur ab. Die Temperatur beeinflusst auch die Transportgeschwindigkeit von Ionen und Elektronen im Elektrolyten. Diese Raten steigen mit steigender Temperatur und umgekehrt. Wenn die Temperatur außerdem zu hoch ist und den angegebenen Temperaturgrenzwert überschreitet, wird das chemische Gleichgewicht innerhalb der Batterie gestört, was zu Problemen bei der Batteriesicherheit führt.
Wie in Abbildung 8-31 dargestellt, ändert sich die Spitzenleistung der Batterie mit der Temperatur und zeigt eine deutlich nichtlineare Kurve. Die Spitzenleistung nimmt mit sinkender Temperatur ab und ändert sich bei niedrigen Temperaturen langsam. Die Spitzenleistung steigt mit steigender Temperatur, aber zu hohe Temperaturen erschweren die Wärmeableitung, was sich negativ auf die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie auswirkt.
2. Ladezustand (SOC)-Basierende Einschränkungen
Die SOC-Beschränkung für SOP (Start of Operation) soll ein Überladen und Tiefentladen der Leistungsbatterie während des Betriebs verhindern und so die Batteriesicherheit gewährleisten. Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen Spitzenleistung und SOC muss auch der Einfluss von Faktoren wie Temperatur und Lade-/Entladerate auf den SOC berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der SOC-Messung zu verbessern. Wie in Abbildung 8-32 dargestellt, steigt mit zunehmendem Ladezustand (SOC) die Entladeleistung, während die Ladeleistung abnimmt. Wenn beispielsweise innerhalb desselben SOC-Bereichs der SOC von 10 % auf 90 % ansteigt, steigt die Spitzenentladeleistung von 222 W auf 693 W, während die Spitzenladeleistung von 675 W auf 300 W sinkt. Durch die Untersuchung der Spitzenleistung unter verschiedenen SOC-Bedingungen können die Lade- und Entladefähigkeiten der Batterie abgeschätzt werden, wodurch Daten und technische Unterstützung für den Einsatz in Elektrofahrzeugen bereitgestellt werden.
3. Einschränkungen basierend auf dem Ohmschen Widerstand
Wie in Abbildung 8-33 dargestellt, ist die Spitzenleistung einer Batterie ungefähr umgekehrt proportional zu ihrem ohmschen Innenwiderstand. Je kleiner der ohmsche Innenwiderstand ist, desto größer und schneller ist die Spitzenleistungsabgabe; umgekehrt gilt: Je größer der ohmsche Innenwiderstand, desto kleiner und langsamer ist die Spitzenleistungsabgabe.
Die Temperatur, der Ladezustand (SOC) und der Innenwiderstand der Batterie stehen in engem Zusammenhang mit ihrem Sicherheitsstatus. Daher muss der Betriebszustand (SOP) der Batterie die durch diese drei Faktoren auferlegten Einschränkungen erfüllen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu verlängern.
