Verdák, Motorosport, Tech

Csak össze kell kötni, nem?

10. MX5-ből villamos hajtású autó

2018. június 22. - proKSA

Villanyautót készíteni bárki tud. Először kell egy akku, ezért összekötögetünk sok cellát, hogy jó nagy legyen a feszültség. Aztán fogjuk a villanymotort, az akksit, meg a motorvezérlőt. Pluszt a pluszra, mínuszt a mínuszra, aztán mehetünk is. „How hard can it be?”

A helyzet természetesen nem ilyen egyszerű.

Emlékszik még valaki a hoverboard-okra? És a Samsung Galaxy Note 7-re? Esetleg pár szerencsétlenebb sorsú Teslára? Ha igen, akkor tudja, hogy nem árt átgondolni ezt az „összekötjük aztán jó lesz” kérdést.

Már volt szó az akkumulátorokról és a Li-Ion cellákról, így már azt is tudjuk, hogy kényesek. Nem szabad őket többek között túltölteni, túlságosan lemeríteni, túlhevíteni, vagy nagyon hidegben tölteni. A nem megfelelő használat miatt jobb esetben csak a kapacitásuk csökken, rosszabb esetben felpuffadhatnak, füstölhetnek, esetleg ki is gyulladhatnak. Szükség van tehát valami megoldásra, ami megvédi a cellákat, és ezzel az akkut használó eszközt is. Az a bizonyos valami pedig az egyszerűnek indult „cellákat összekötöm és kész” akkumulátor, és a szintén „összekötöm és kész” villanyautó telepakolása elektronikával.

Monitoring

 

20180224_1444_tgy4642_xtalin.jpg

BMS elektronika

Az első és talán legfontosabb eszköz az úgynevezett BMS (Battery Monitoring System), vagyis akkumulátorfigyelő rendszer. Ennek feladata a cellák felügyelete, ami jelen esetben a minden cella feszültségének és hőmérsékletének mérését jelenti. Ha a hőmérséklet túl magas, vagy a feszültség kikerül a megengedett tartományból (ez cellatípustól függ), a BMS feladata azonnal leállítani a rendszert. Töltés közben például a BMS által mért adatokból tudjuk, hogy egy cella mikor van tele, és ugyancsak a BMS fogja megakadályozni az akku károsodását, amikor egy majdnem lemerült elektromos járműben túl nagy gázt nyomunk.

Töltöttségbecslés

További probléma a Li-Ion cellákkal (különösen lítium-vas-foszfát esetében), hogy a feszültség-töltöttség karakterisztikájuk erősen nemlineáris. Ez egyszerűen fogalmazva annyit jelent, hogy ha megmérjük a feszültségét, akkor abból jóval nehezebb következtetni a cella töltöttségére, mint egy hagyományos ólom-sav akkumulátor esetében. Azon kívül, hogy emiatt pontosabban kell mérni a feszültséget, a cellák adatlapjaiban megadott karakterisztikák mindig nyugalmi állapotra vonatkoznak. A nyugalmi állapot eléréséhez pedig relatív hosszú időn át tartó terheletlen állapotra is szükség lehet. Ha a cella éppen használatban van, vagy nemrég még használatban volt, a mért feszültség csak saccolásra alkalmas.

olomsav_vs_litium.png

Kékkel egy ólom-sav akkumulátor egy cellájának, sárgával pedig egy lítium-vas-foszfát cellának a feszültség-töltöttség kapcsolata látható. Az ábrán nem is annyira a pontos feszültség értékek az érdekesek (hiszen ezek pl. hőmérséklet függvényében változnak), hanem a görbék alakja. Jól látszik, hogy ólom-sav akkumulátor esetében a feszültség sokkal lineárisabb viszonyban van a töltöttséggel, mint a lítium-vas-foszfát cellánál.

Na de akkor honnan tudja a laptop és a telefon egész stabilan megmondani az akkumulátor töltöttségét? Nyilván onnan, hogy nem (csak) a feszültségből becsül, hanem a másik elterjedt módszert (is) használja, ami a cellák áramának mérésén alapul. Mivel az áram definíció szerint töltések áramlása, ezért ha folyamatosan figyeljük, hogy mennyi áram folyt be illetve ki egy cellába/ból, és tudjuk a cella kapacitását, akkor elméletileg meg tudjuk mondani a pontos töltöttségi szintet.

Az MX5-ben mérni fogjuk a teljes akkumulátor pakk áramát, illetve az egyes cellák feszültségét. Ezt a kettőt kombinálva már egészen pontos képet lehet alkotni a töltöttségről.

Kiegyenlítés

Amikor a cellák nincsenek használatban, egy kis mértékben mindenképpen merülnek (szivárognak). Mivel a cellák nem tökéletesek, nem is tökéletesen egyformák. Előfordulhat, hogy ennek a szivárgásnak a mértéke nagyon picit eltér, ami huzamosabb tárolás esetén eltérő mértékben meríti le az egyes cellákat. Ilyenkor hiába töltődnek, vagy sülnek ki utána egyszerre, mindenképpen maradni fog valamekkora eltérés közöttük. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az akkumulátort nem tudjuk teljesen feltölteni, vagy teljesen kisütni, mert amit a legtöltöttebb, vagy leginkább lemerült cella eléri a feszültségkorlátot, a BMS lekapcsol. Ilyenkor értékes kapacitást pazarolunk el. Képzeljük el, hogy egy kiegyenlítetlen akkuval rajthoz álló elektromos versenyautó a kockás zászló előtt a célegyenesben áll le, csupán azért, mert a leggyengébb cella elérte az alsó feszültségkorlátot. Hiába van még az akkumulátorban bőven elegendő energia a célba éréshez, a cellák töltöttsége közötti különbségek miatt a csapat mégis elveszti a versenyt.

Mi erre a megoldás? Kiegyenlítő elektronikát kell készíteni.

Működési elvüket tekintve kétféle kiegyenlítőt szokás használni: aktívat és passzívat. A passzív kiegyenlítés az egyszerűbb, ott a rendszer csak kisütni (“energiát eldisszipálni”) tud egy-egy cellából, szelektíven tölteni nem. Itt arról van szó, hogy bizonyos feszültségszint felett a leginkább feltöltött cellát (vagy meghatározott algoritmus szerint a legalacsonyabb cellánál jobban feltöltött cellákat) elkezdjük kis terheléssel egy ellenálláson keresztül kisütni. Így előbb-utóbb – inkább utóbb – minden cella egyformán lesz feltöltve. Pontosan ez történik akkor, amikor egy Tesla pár óra alatt eléri a 99%-os töltöttséget, majd utána akár 10-12 órára is szüksége van a 100%-ig. A kiegyenlítés sebessége a kiegyenlítő áram cellakapacitáshoz viszonyított nagyságától függ. Ha azt akarjuk, hogy az autó ne időzzön 99%-on egy fél napot, akkor nagyobb kiegyenlítő áramot kell használni. Nagyobb áramhoz azonban nagyobb hőtermelés is tartozik, amit egy zárt dobozban nehézkesen, de leginkább a hőelvezető felület növelésével lehet kordában tartani. Nagyobb felület nagyobb méretet és nagyobb tömeget eredményez, így marad a kompromisszumos megoldás...

20180224_1438_tgy4630_xtalin.jpg

Aktív kiegyenlítő

A másik lehetőség a jóval bonyolultabb, cserébe gyorsabb aktív kiegyenlítés. Itt a cellákban tárolt energiát nem pazaroljuk el és alakítjuk hővé, mint a passzív esetben – persze a hatásfok itt sem lehet 100%-os, tehát kicsit azért fűtünk –, hanem a túlságosan feltöltött cellákból a túlságosan lemerült cellákba közvetlenül töltjük át. Lehet érezni, hogy a rendszer miért sokkal bonyolultabb: míg a passzív esetben “csak pár ellenállás és kapcsolóelem szükséges”, addig itt egy több be- és kimenetű DC/DC konvertert kell megvalósítani úgy, hogy közben lehetőleg a hatásfok is jó legyen.

A Mazda akkumulátoraiba az utóbbi, aktív kiegyenlítő rendszer kerül.

Kötöződoboz + Töltésvezérlés

Eddig az akkuba közvetlenül bekerülő elektronikákról volt szó. Viszont az akkumulátorra nem csak a motorvezérlőt, hanem a töltő csatlakozóját és a 12 voltos rendszert tápláló DC/DC konvertert is rá kell kötni. Ezt az elosztó dobozt találóan kötöződoboznak (junction box) nevezi az elektromos járműves ipar.

Ide fut be az akkumulátoroktól jövő vezeték, és innen ágazik szét a rendszer többi része felé. Na jó, persze itt is igaz, hogy mindenki máshogy csinál, és máshogy nevez egyes részeket.

20180224_1432_tgy4624_xtalin.jpg

Junction box

A töltő felé futó vezetékek végére klasszikus esetben egy szabványos elektromos autós töltőcsatlakozó kerül, aminek a kivezetésein viszont nem lenne szerencsés, ha akkor is megjelenne az életveszélyes feszültség, amikor a töltő nincs is bedugva. Újabb kapcsoló alkatrészek kellenek tehát a kötöződobozba, amikkel el lehet választani a töltőcsatlakozót a rendszer többi részétől. Természetesen ezeket a kontaktorokat is vezérelni kell a töltőcsatlakozó segédérintkezőjének állapota és a cellafeszültségek függvényében.

A jelen rendszerben ez a bizonyos junction box vezérlő elektronika az, amelyik összegyűjti az akkumulátorok adatait, koordinálja a rendszer be és kikapcsolásának folyamatát, vezérli a töltőt csatlakoztató kontaktorokat, méri a teljes rendszer feszültségét és áramát egy szenzor segítségével, valamint olyan védelmi funkciókat is ellát, mint a szigetelés vizsgálata, és a nagyfeszültségű busz - vagyis minden olyan kábel vagy sínezés, ami az akkumulátorokat összekapcsolja a töltővel és a hajtásrendszerrel - feszültségmentesítése.

Védelmek

Egy elektromos autóban nem a cellák okozta tűz az egyetlen biztonsági kockázat. Mivel nagyfeszültségről van szó, fokozott figyelmet kell fordítani a szigetelésre és az értintésvédelemre. Ha például megsérül az egyik kábel szigetelése, azt azonnal automatikusan észlelni kell, és le kell állítani a rendszert mielőtt még nagyobb baj történne. Vagy például ha egy óvatlan szerelő leveszi az egyik elektronika dobozának fedelét, ugyancsak le kell állni, és meg kell gátolni, hogy hozzáérhessen még feszültség alatt lévő pontokhoz.

A Mazdánkban a kábelek szigetelésének automatikus vizsgálatát egy külön modul végzi, amely a kötöződoboz elektronika része. Ez az eszköz képes a nagyfeszültségű busz és a rendszer kisfeszültségű elemei közti szigetelési ellenállás mérésére, és a szigetelés megfelelőségének hardveres jelzésére.

A különböző modulok fedélnyitásának észlelésére pedig egy-egy doboznyitás-érzékelő kapcsoló került beépítésre.

Hogyan történik maga a beavatkozás a hiba észlelése után? Az akkumulátor celláit a jármű többi részétől galvanikusan elválasztó kontaktorok kapcsolására végig van vezetve a járműben egy vezeték (úgynevezett safety circuit) melyet az összes olyan elektronika meg tud szakítani, ami valamilyen kritikus hibát tud észlelni. A kontaktorok táplálását így bármely elektronika meg tudja szüntetni, a többi részegység működőképességétől függetlenül.

Rendszer ilyen lekapcsolása a teljes biztonsághoz önmagában nem elég, mivel a nagyfeszültségű buszon általában találhatók kondenzátorok - tipikusan a motorvezérlőben -, melyek az akkumulátorok leválasztása után még feltöltött állapotban vannak. Ugyan a rendszer már nincs bekapcsolva, mégis életveszélyes belenyúlni.

A kötöződobozban lévő feszültségmentesítő elektronika (discharge) az akkumulátorok leválasztása után aktiválódik, és kisüti ezeket a kondenzátorokat. Így a nagyfeszültségű busz érintése az akkumulátorok leválasztása után legfeljebb 5 másodperccel már nem veszélyes. Mivel a kisütő elektronika is biztonságkritikus elem, fontos, hogy akkor is működőképes legyen, ha amúgy a kötöződoboz vezérlő elektronikája ki van kapcsolva, vagy meghibásodott. Ezt a leghatékonyabban úgy lehet elérni, ha nem tartalmaz szoftveres megoldást.

Egy ilyen, sok elektronikával okosított akkumulátoros rendszer megbízhatóan és biztonságosan használható alapot ad az elektromos átalakításunknak.

A projektről:

Vállalatok K+F+I tevékenységének támogatása” felhívás keretében támogatást nyert KFI_16-1-2016-0031 azonosítószámú „Nagykapacitású lítium- vas-foszfát (LiFePO4) akkumulátorok intelligens cellavezérlő rendszerének kifejlesztése és gyártásra való előkészítése, elsődlegesen elektromos járművekben való felhasználásra” című pályázat finanszírozásával megvalósuló projekt.

A bejegyzés trackback címe:

https://apexnews.blog.hu/api/trackback/id/tr4414055706

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

greatz 2018.07.12. 10:26:00

Innentől kezdve minden adófizetőnek is érdeke, hogy a projekt sikeres legyen! :) Hajrá!

pneumónia 2018.09.18. 21:55:50

Engem az érdekelne, hogy már miért nem LTO cellák? Sokkal bonyolultabb lenne?