Az előző cikkünkben megpróbáltuk elmesélni, hogy miért és hogyan választottuk ki az akku cellát. Node hogyan legózzunk össze belőle egy használható, robusztus akkumulátort?

Alapvető célkitűzésünk, hogy moduláris akkumulátor rendszert hozzunk létre. Minden akkumulátor egység 12 cellát tartalmaz, ez még kezelhető nagyságú tömeget jelent a választott 100Ah kapacitású, 3.3kg tömegű cellák használata esetén. Ezzel egy akkumulátor egység feszültsége névlegesen kb. 40V lesz (33V-44V között töltöttségtől függően).

Egy korábbi írásunkban beszéltünk arról, hogy a cellák feszültségét, hőmérsékletét folyamatosan monitorozni kell. Emellett az esetlegesen kialakuló cella töltöttség különbségek miatt egy töltéskiegyenlítőt is érdemes beépíteni egy akkumulátorba. Ennek megfelelően a 12 cella mellé egy BMS és egy ABS elektronikát is el kell helyezni.

A moduláris rendszert úgy képzeltük el, hogy több akkumulátor egységet is sorba lehessen kötni. A maximálisan kialakítható rendszerfeszültséget 600V-ra korlátoztuk, ennek fényében erre a feszültségszintre kell bizonyos alkatrészeket méretezni.

Hogyan építsünk biztonságos akkumulátort

Alapszabály, hogy az akkumulátor dobozából csak kontaktoron és biztosító betéten keresztül jöhet ki olyan vezeték, amely közvetlenül az akkucellákhoz kapcsolódik. Nyilvánvalóan ez plusz alkatrészeket és több tervezést igényel. Járjuk körbe kicsit ezt a gondolatot a józan paraszti ész logikája mentén.

Első közelítésben elegendő csak két vezetéket kihozni a dobozból, az egyik lesz az akkumulátor pozitív, a másik a negatív csatlakozási pontja.

Ha ezeket a vezetékeket közvetlenül rákötjük a megfelelő cella kivezetéseire, akkor az akkumulátor dobozon kívül folyamatosan ott van a veszély, hogy valaki rövidre zárja az akkut. Ez elég veszélyes játszma, előfordulhat, hogy a zárlat okozásakor a két vezeték összeheged és a zárlati áramot nem tudjuk azonnal megszakítani. A kialakuló áramot az akkucellák belső ellenállása és a vezeték ellenállása határozza meg, az utóbbi általában elhanyagolható. A cellák kb. 1mΩ ellenállásúak, tehát nagyjából 3000-4000A áramerősségre lehet számítani, ami 30-40C értéknek felel meg. Remélem nem kell sokáig firtatni, hogy ez nem tesz jót az akkunak és a vezetékezésnek. Jelen esetben 120-160kW fűtőteljesítményről van szó (1L csapvizet 2-3 másodperc alatt felforralna)! Jobb az ilyen szituációkat elkerülni, ezért be kell iktatni egy biztosító berendezést legalább az egyik vezeték és a hozzá tartozó cella kivezetés közé. Ügyelni kell arra, hogy a védelem meg tudja szakítani a kialakuló zárlati áramot a maximális rendszerfeszültségen is. Mi egy 300A-es 700V-os olvadó biztosítót választottunk, ami 100kA-es megszakító képességgel rendelkezik.

Tegyük fel, hogy a moduláris rendszerben 10 akkut is sorba kötöttünk, a rendszerfeszültség 400V környékén van, amely feszültség a sor két végén található vezetékek között folyamatosan ott van. Ez életveszélyes, nem mellesleg nagymértékben megnehezíti a szerelést, hiszen ha be kell kötni azt a két vezetéket valahova, akkor folyamatosan feszültség alatti munkavégzésként kell a feladatra tekinteni. Az első ötlet lehet, hogy valamiféle kapcsolót iktassunk be a sorban levő legfelső vagy legalsó akku kivezetésébe. Ez a megoldás nem tökéletes. Egyrészt speciális eljárást igényel (a felső vagy legalsó akkuba külön be kell szerelni egy kapcsolóelemet), másrészt ha valamiért a többi akku közötti összeköttetést kell módosítani, akkor ugyanúgy gondot okoz a dobozon kívüli feszültség. Ennek fényében a második ötlet lehet, hogy minden akku dobozába építsünk be a pozitív kivezetést megszakítva 1-1 kapcsolót, amit nevezzünk el AIR-nak (Accumulator Isolation Relay, vagyis akkumulátor leválasztó relé).

Tökéletes! Gondolhatnánk. Tegyük fel, hogy a 400V-os rendszerünkben valamiért zárlat van a kimeneten, de nem tudunk róla és bekapcsoljuk a reléket. A bekapcsolás nyilván nem fog pontosan egyszerre bekövetkezni, lesz bizonyos késés egymáshoz képest, még ha egyszerre is kapcsoljuk őket. Az utolsó bekapcsoló relé bekapcsolás előtt nem folyik áram a rendszerben, viszont a bekapcsolás pillanatában zárlatra kapcsolja az akkumulátor rendszerünket. Mondanom sem kell, hogy ez miféle fény és hangjelenségekkel jár. Tegyük fel, hogy a kapcsolás pillanatában a relé érintkezői összehegednek, innentől kezdve nem lehet kikapcsolni. Ez azt jelenti, hogy a korábbi életveszélyes szituáció újra előjön, hiszen nem tudjuk minden akkumulátor egyik vezetékét megszakítani. Ezt a problémát úgy tudjuk orvosolni, ha minden akkumulátor mindkét kivezetését megszakítjuk 1-1 kapcsolóelemmel. Ezzel létrehozunk egy úgynevezett “egy hiba tűrő rendszert”, vagyis ha egy kontaktor összeég, akkor még mindig biztonságban vagyunk, életveszélyes feszültséget nem érinthetünk. A mi megoldásunkban is két 500A-es mágneskapcsolót használunk az olvadóbiztosító mellett.

A karmester

Nyilvánvalóan ezeket a kontaktorokat valahogyan kapcsolgatni is kell, ezt a feladatot egy BMS Masternek keresztelt elektronika végzi. Plusz funckiójaként képes az AIR-ok összeégését detektálni, így a dobozon kívülről folyamatosan képet kaphatunk a kontaktorok állapotáról, anélkül, hogy le kelljen venni a doboz fedelét.

Általában az akku kimenetére közvetlenül rá van kötve valamilyen elektronika, hajtásrendszerekben például a motorovezőrlő(k), amelyek bemenetén sokszor elég nagy kapacitású kondenzátorok vannak. Ha hirtelen rákapcsolnánk az akkufeszt a kondikra, akkor a kapcsolás pillanatában elég nagy áram alakulna ki, amíg a kondenzátorok fel nem töltődnek. A kontaktorok nem szeretnek nagy áramot kapcsolni (pontosabban az élettartamuk eléggé lecsökken ilyen használat mellett), ezért valahogy meg kell oldani, hogy csak akkor kapcsoljunk, ha már ezek a kondenzátorok fel vannak töltve. Erre szolgál a precharge (előtöltő) elektronika. A bekapcsoláskor egy ellenálláson keresztül elkezdi feltölteni a kondenzátorokat és a rendszerfeszültség elérése után kapcsoljuk csak be az összes AIR-t. A precharge elektronikát is a BMS Master vezérli, hiszen neki van ráhatása az AIR-okra. A BMS Master teremti meg a kapcsolatot a külvilág és az akku belvilága között egy CAN kommunikációs interfész segítségével. Az akku bekapcsolásához csak egy üzenetet kell küldeni neki és a kapcsolgatást, előtöltést, minden egyebet lemenedzsel.

Hátravan még egy szempont, amit figyelembe kell vennünk. Ha több ilyen akku egységet kötünk sorba, akkor előfordulhat, hogy az egységek töltöttsége különbözik egymáshoz képest. Az ABS elektronikák a fenti ábrán látható konstrukcióban csak a dobozon belüli cellákat tudja kiegyenlíteni. Emiatt mi az ABS-t úgy terveztük meg, hogy a sorban felette levő akkuval kapcsolatban legyen és energiát tudjon ide-oda tölteni, ha szükséges. Ez azzal jár, hogy még két vezetéket ki kell vinni a dobozból, ezúttal mindkettőt meg kell biztosítózni és persze kontaktorokra is szüksége lesz. A dolog másik szépséghibája, hogy csak megfelelő sorrendben szabad a négy kontaktort kapcsolni, különben előfordulhat olyan állapot, amikor az ABS megkapja a teljes rendszerfeszültséget, aminek nem fog örülni.

Végezetül szerettük volna megóvni az illetéktelen behatolót az áramütéstől, ezért a fedélnyitást érzékeljük egy kapcsoló segítségével. Fedélnyitás esetén a BMS Master megszakítja a kontaktorokat, így csak az akkuban levő cellák feszültsége veszélyezteti a dobozt kinyitó személyt.

Rendezkedjünk!

Miután végtelen kukacoskodás és megfontolások sora után kiötlöttük a rendszer tervét nincs más hátra: meg kell tervezni a dobozt és az alkatrészek elhelyezkedését.

Mindenképpen vízálló megoldást szerettünk volna. A műanyag fröccsöntött doboz magas költsége miatt nem jöhetett szóba. A tömeggel érdemes vigyázni, az akku a cellák miatt már 40kg, ezért a fémek közül az alumínium lett szimpatikus. A legegyszerűbb, ha hegesztett dobozban gondolkodunk, amelyet egyszerű lemezekből lehet összerakni. Biztosan szükség lesz fedélre vagy fedelekre (hiszen valahogyan össze is kell szerelni illetve szervizelni is kell az akkut), ezeket tömítésekkel és csavarozással könnyedén vízállóvá lehet varázsolni. A kábeleket vagy csatlakozón vagy tömszelencén keresztül érdemes kivezetni. Mivel a nagyáramú és nagyfeszültségű csatlakozók borsos áron szerezhetők csak be, ezért ezeknél a vezetékeknél tömszelencét alkalmazunk, a BMS Master-külvilág közötti vezetékeket csatlakozóval szereljük a doboz falára.

Az alumínium doboz a hőleadás és robosztusság szempontjából is előnyös. Kezdetben elgondolkoztunk, hogy vízhűtéses akkumulátort építünk, de végül elegendőnek tűnt a fémház hőleadó képessége is.

Mivel fémből készül a doboz, ezért különösen ügyelni kell a megfelelő szigetelésre. A házat mindenképpen földelni kell, ezért minden belső cellához kapcsolódó vezetéket úgy kell méretezni, hogy a házhoz képest 600V-os potenciál van rajta. A szabványokban előírt szigetelési távolságot tartani kell.

Jópár iteráció után jutottunk el az alábbi képeken látható elrendezéshez. A biztosító betétek pont olyan pozícióban vannak, hogy a tömszelencén átmenő kábelek egyenesen fussanak, ezzel könnyű szerelést biztosítva.

Természetesen nem csak CAD modelleket tudunk mutogatni, itt van pár kép az elkészült akkuról.

Kicsi kocsi, kevés hely

Az elkészült akku konstrukciót szerettük volna életszerű szituációkban letesztelni, lehetőleg látványos, szokatlan módon. Ezért döntöttünk úgy, hogy egy MX5 jó alany lehet. Sokat filóztunk rajta, hogy hogyan fogunk bepréselni elegendő akkudobozt a kocsiba, végül a méricskélések során kiderült, hogy a csomagtartóba a kaszni megbontása nélkül csak egy akkudoboz fog elférni. Azzal nem megyünk messzire…

Rákényszerültünk arra, hogy a motortérbe suvaszunk be két pakkot. Akárhogy sergettük-forgattuk a modellt, nem akartak beférni. Végül úgy döntöttünk, hogy készítünk egy 22 cellás akkudobozt, ami a 12 cellás felskálázott változata. Ugyanazokat az elektronikákat használjuk fel mint a kisebb pakkokban, nyilvánvalóan így 2 BMS, 2 ABS kell a dobozba. A többi alkatrészből nem kell több (biztosító betétek, kontaktorok), így egy BMS Master is pontosan elegendő lesz a működtetéshez.

Ezzel az autóban összesen 34 cella lesz, a rendszerfeszültség névlegesen 112V. A cellák 3C árammal folyamatosan terhelhetők, 10C árammal pedig pár másodpercig megbírkóznak. Ez teljesítménybe átszámolva 33kW-ot és 112kW-ot jelent. Nem túl nagy számok egy villamos autó szempontjából, de nem is ez a cél, hanem az akkurendszer és az elektronikák tesztelése.