Introdução aos sistemas de bateria para veículos elétricos

O design de veículos elétricos é um conceito complexo. Esta é uma visão geral de cada EV:a bateria.

O projeto de veículos elétricos é um conceito complexo. Aqui está uma visão geral de cada EV:a bateria.

A peça fundamental de qualquer veículo elétrico (EV) é sua bateria. A bateria deve ser projetada para satisfazer os requisitos do (s) motor (es) e do sistema de carga que o veículo utiliza.

Isso inclui restrições físicas, como embalagem eficiente dentro do corpo do veículo para maximizar a capacidade. Como o principal contribuinte para o peso em um EV, os designers também devem considerar a colocação da bateria dentro de um veículo, pois podem afetar a eficiência energética e as características de manuseio do veículo (que normalmente é o motivo pelo qual você frequentemente verá baterias colocadas sob o piso do veículo) .

Aqui está uma visão geral de algumas das especificações, considerações de segurança e sistemas de gerenciamento que entram no design de bateria EV.

Especificações da bateria EV:tensões e capacidades

Uma bateria de veículo elétrico é freqüentemente composta de muitas centenas de pequenas células individuais dispostas em uma configuração em série / paralela para atingir a voltagem e capacidade desejadas no pacote final. Um pacote comum é composto de blocos de 18-30 células paralelas em série para atingir a voltagem desejada. Por exemplo, um pacote nominal de 400 V geralmente terá cerca de 96 blocos da série (como no Tesla Modelo 3).

As tensões nominais comuns em veículos atuais variam de 100 V-200 V para veículos híbridos / plug-in e 400 V a 800 V e mais para veículos elétricos. A razão para isso é que tensões mais altas permitem que mais energia seja transferida com menos perda no mesmo diâmetro (e massa) do cabo de cobre.

Um exemplo de sistema de bateria EV com células individuais em série.

As desvantagens de tensões mais altas incluem a necessidade de componentes classificados para tensões mais altas em todo o sistema. Eles também impedem a capacidade de usar estações de carregamento rápido CC de uma tensão mais baixa sem incorporar algum tipo de conversor de reforço CC-CC no carregador on-board.

As faixas comuns de capacidade da bateria, por outro lado, são as seguintes:

• Veículos híbridos: 0,5 a 2 kWh
• Veículos híbridos plug-in: 4 a 20 kWh
• Veículos elétricos: 30 a 100 kWh ou mais.

Segurança em baterias EV:contatores (e fusíveis Pyro)

A bateria representa múltiplos desafios para a segurança no que diz respeito ao design, bem como no que diz respeito às altas tensões permanentemente presentes nelas.

Os fusíveis estão presentes dentro da bateria antes do conector de saída, geralmente no lado positivo e negativo. Relés especiais selados de alta corrente, conhecidos como contatores, conectam os fusíveis internos à própria bateria.

Uma série de relés EV / contatores DC Panasonic (à esquerda) e uma quebra da estrutura de um contator. Imagens da Panasonic

Os contatores incorporam recursos como contatos de sacrifício para evitar o aumento da resistência devido à corrosão por contato. Eles também costumam incorporar um contato auxiliar para detectar a soldagem interna que pode ocorrer se o contator for aberto intencionalmente ou não enquanto uma grande corrente estiver passando por ele.

A fonte de alimentação da bobina do contator é geralmente passada por um HVIL ou loop de intertravamento de alta tensão, que circula por todos os componentes de alta tensão no sistema ao lado dos cabos de alta tensão (geralmente incorporados em cada conector), de modo que o contator não pode receber energia para feche, a menos que todas as conexões de alta tensão estejam firmemente conectadas à bateria.

Um contator de pré-carga fecha antes dos contatores principais, para permitir que uma pequena corrente flua para o sistema através de um grande resistor. Isso limita a corrente de partida em todos os grandes capacitores do sistema e permite que o sistema de gerenciamento de bateria detecte curtos-circuitos antes que o caminho de alta corrente seja concluído.

O isolamento é monitorado continuamente, geralmente em ambos os lados dos contatores principais, e uma falha ocorrerá se o isolamento de qualquer um dos lados do sistema de alta tensão para o chassi cair para menos de 500 ohms por volt.

A Tesla também incorporou um novo dispositivo de segurança em seus pacotes Modelo 3 e mais recentes, conhecido como fusível pirotécnico. Este dispositivo pode ser aberto por uma pequena carga pirotécnica se os contatores forem soldados, o que permite o uso de contatores menos robustos. Um resistor de descarga e contator às vezes são incluídos na saída da bateria para permitir que o sistema seja descarregado ativamente para uma tensão segura após o desligamento.

PCBs de monitoramento de bateria EV

Os blocos de células da bateria precisam ser monitorados e mantidos em equilíbrio e placas de circuito especializadas estão incluídas no pacote para executar esta tarefa. Essas placas devem incluir uma interface de comunicação isolada, já que a referência de aterramento de cada placa será centenas de volts diferente uma da outra e do BMS (sistema de gerenciamento de bateria) principal.

Essas placas monitoram a tensão e a temperatura de cada bloco, bem como a temperatura das interconexões entre os blocos. Eles também contêm pequenos grupos de resistores para realizar a tarefa de balanceamento.

Os blocos de células dentro do pacote devem ser mantidos a poucos milivolts uns dos outros para permitir que a potência máxima seja transferida para dentro e para fora do pacote. Devido às diferenças naturais na fabricação das células, alguns blocos serão carregados ou descarregados um pouco mais rápido do que outros. Para combater isso, durante o carregamento, é executado um equilíbrio que drena uma pequena quantidade de energia dos blocos de tensão mais alta para aproximá-los dos outros.

Essas placas de monitoramento de bloco também fornecem um recurso de segurança adicional da embalagem, que permite que a temperatura das células e os pontos de interconexão dentro da embalagem sejam monitorados com muita precisão. Em casos de, digamos, células danificadas, isso significa que uma falha pode ser levantada antes que danos sérios ou até mesmo um incêndio possam ocorrer.

Sistemas de gerenciamento de bateria (BMS)

Finalmente, o Sistema de Gerenciamento de Bateria, ou BMS como é comumente conhecido, gerencia a tarefa de monitorar e controlar todos os aspectos da bateria.

Os shunts atuais relatam várias informações ao BMS, incluindo a carga total transferida para dentro e para fora da embalagem. As medições de tensão antes e depois dos contatores permitem o monitoramento das tensões do sistema de pack. Os circuitos de controle do contator e do economizador gerenciam o fechamento do contator e minimizam a corrente estática através das bobinas depois que os contatos são puxados.

O BMS também está em comunicação constante com as placas de gerenciamento de bloco para monitorar a tensão e a temperatura das células e controlar o equilíbrio.

Diagrama de blocos do projeto de referência para uma bateria de 400V. Imagem da Texas Instruments

As temperaturas gerais do sistema e do conector são monitoradas para detectar qualquer conexão de alta resistência causada por conectores ou parafusos soltos.

O isolamento do sistema e do pacote também é monitorado continuamente, e outros recursos de segurança potencialmente redundantes podem ser incorporados. O BMS também expõe uma interface de comunicação para o resto do veículo - geralmente por Ethernet automotiva ou barramento CAN - onde se comunica com o inversor, carregador e outros sistemas. Ele calcula e fornece limites de corrente de carga e descarga, estado de integridade e de carga do pacote e notifica outros sistemas quando os contatores devem abrir de forma ideal que possam abrir sem a presença de uma carga.

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Isso conclui nossa exploração no coração do veículo elétrico, a bateria. Deixe-nos saber nos comentários abaixo se você gostaria de aprender mais sobre a anatomia dos EVs!