So verwenden Sie einen Optokoppler zur Isolierung hoher Spannungen, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen zu verbessern

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Portable Power Station supplementum

Beim Einsatz in vollelektrischen oder Hybridfahrzeugen ist die Verwaltung von Hochspannungs-Lithium-Ionen-Akkupacks derzeit mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Neben der Nichtüberwachung von Lade- und Entladezyklen ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, die Akkupacks von der Bereitstellung von Hunderten von Spannungen zu isolieren. In diesem Dokument werden insbesondere die Überwachungsanforderungen von Lithium-Ionen-Batterien erörtert sowie die Architektur- und Nullkomponenten erörtert, die von Batterieüberwachungssystemen, digitalen Kommunikationssystemen und Isolationsschnittstellen verwendet werden. Im Managementsystem verwendet die Batterieüberwachungsplatine zwei wichtige Subsysteme, um den Batteriestatus zuverlässig zu überwachen und digitale Ergebnisse an das vom Steuerungssystem betriebene Hauptsteuerungssystem zu liefern. Um diese Subsysteme zu trennen, verwendet das Kommunikationsgerät in Hochspannungsbatterie-Induktionsschaltungen und -platinen eine optische Isolationssignalschnittstelle, um sicherzustellen, dass die Hochspannung das digitale Subsystem nicht beeinträchtigt.

Die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien entsprechen hinsichtlich Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit nicht den komplexen elektronischen Systemen von Elektrofahrzeugen. Aus den Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien lässt sich direkt schließen, dass das Lithiummaterial entladen wird. Normalerweise wird das Lithiummaterial in der Graphitanode ionisiert. Anschließend werden diese Lithiumionen durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert. Der Ladevorgang läuft in umgekehrter Reihenfolge ab, und die Lithiumionen werden durch den Separator von der Kathode zurückgebracht. Die Leistung und Zuverlässigkeit dieses chemischen Reaktionsprogramms wird durch die Temperatur und Spannung der Batterieeinheit gesteuert. Bei niedrigeren Temperaturen ist die chemische Reaktion langsam, so dass die Spannung der Batterieeinheit niedrig ist und die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt, bis Lithium mit steigender Temperatur, die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt, bis Lithium Die Ioneneinheit beginnt abzustürzen, wenn die Temperatur überschreitet 100°Wenn C beginnt, wird der Elektrolyt analysiert, und es kann zur Freisetzung von Gasen kommen, die den Druck in den Batteriezellen erhöhen können. Bei hohen Temperaturen kann die Lithium-Ionen-Batterieeinheit aufgrund der außer Kontrolle geratenen thermischen Oxidanalyse Sauerstoff freisetzen, was den Temperaturanstieg weiter beschleunigt.

Daher sind optimale Betriebsbedingungen zur Erhaltung der Lithium-Ionen-Batterie eine zentrale Anforderung an das Batteriemanagementsystem. Die entscheidende Herausforderung bei der Entwicklung von Steuerungs- und Managementsystemen besteht darin, eine zuverlässige Datenerfassung und -zerlegung sicherzustellen, um den Status der Lithium-Ionen-Batterien im Auto zu überwachen. Und das ist das charakteristische Problem der Lithium-Ionen-Batterie selbst.

Im Elektrofahrzeug ChevyVolt enthält der Batteriesatz 288 prismenförmige Lithium-Ionen-Batterien, aufgeteilt auf 96 Batteriepakete, und liefert 386,6 V Gleichstrom-Systemspannung, die in Verbindung mit Temperatursensoren und Kühleinheiten vier Hauptbatterien bilden. Modul, die mit jeder Batteriegruppe verbundene Spannungserfassungsleitung ist mit jedem Batteriemodul verbunden, und der Anschluss ist gelöst und über den kombinierten Spannungserfassungsbalkenanschluss (4 Farben) mit dem Batterieschnittstellenmodul über jedem Batteriemodul verbunden.

Das angegebene Batterieschnittstellenmodul arbeitet an verschiedenen Positionen des Batteriepacks und entspricht jeweils dem Niederspannungs-, Hochspannungs- und Neutralisierungsspannungsbereich von 4 Modulen. Die vom Batterieschnittstellenmodul bereitgestellten Daten werden an das Batterieenergiesteuermodul gesendet und dann werden Fehlersituation, Zustand und Diagnoseinformationen an ein Hybridsteuermodul als primären Fahrzeugdiagnosecontroller übermittelt. Das gesamte System kann jederzeit mehr als 5.000 Systemdiagnosen ausführen, wobei sich 85 % der Diagnosen auf die Sicherheit des Batteriesatzes konzentrieren, andere auf die Leistung und Lebensdauerkontrolle der Zielbatterie. Der Leistungsabfall der Batterie auf der Mehrschichtplatine beginnt im Batterieschnittstellen-Steuermodul, das in den Elektrofahrzeugen von ChevyVolt verwendet wird (siehe Abb.).

1. Insbesondere bei hoher Signalintegrität wird eine Leiterplatte mit vierschichtigem Design verwendet. Dabei werden eine Technologie zur Leiterbahnanordnung, Isolierung und Masseflächen verwendet, um die Signalintegrität in anspruchsvollen Umgebungen sicherzustellen. Die oberste Schicht enthält die meisten Nullkomponenten, darunter optische Isolatoren, Masseflächen und Signalspuren mit mehreren Durchgangslöchern. Der Versorgungspfad zur unteren Schicht wird von der zweiten Schicht versorgt. Die Stromversorgung und die Massefläche sind unterhalb der Hochspannungszone der Leiterplatte verteilt. Die dritte Schicht enthält die Signalleitungen unter diesen Bereichen. Die vierte Schicht auf der anderen Seite der Leiterplatte dient als Massefläche und Signalspur und enthält einige zusätzliche Nullkomponenten. Abbildung 1: Jede der vier Leiterplatten des Batterieschnittstellen-Steuermoduls im Elektrofahrzeug ChevyVolt enthält mehrere Induktionsschaltungen und CAN-Kommunikationsschaltungen und isoliert die Optokopplerränder des Kommunikationssubsystems. Signalisolierung Bei der Verwendung von Elektrofahrzeugen sind Kommunikation und Steuerung ein wichtiger Bestandteil des Fahrzeugs. Beispielsweise verwendet ChevyVolt mehrere isolierte Netzwerke und schützt unabhängige Subsysteme. Mithilfe komplexer Algorithmen werden unabhängige Lithium-Ionen-Batteriegruppen verwaltet und spezielle Batterieschnittstellen-Steuermodule überwacht. Die Batteriepakete in jedem induzierten Subsystem sind jedoch die wichtigsten Daten für das gesamte Batteriemanagement im Controller-LAN (LAN, CAN, ControlraneNetWork-Bussignalschnittstelle und Hochspannungsfehlersignal). Für die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit ist auch die Sicherheitsisolierung des CAN-Busnetzwerks und der Hochspannungserfassungsschaltung erforderlich. Obwohl die Isolierung mithilfe verschiedener Methoden und Nullkomponenten implementiert werden kann, erfordern die anspruchsvollen Umgebungen und zahlreichen Sicherheitsvorschriften, dass Optokoppler dieser Art bevorzugt verwendet werden.

Verfahren. Der Optokoppler bietet Rauschunterdrückung mit hohem Koeffizienten und ist grundsätzlich für die elektrische Rauschverstärkung wie EMV und EMI im Automobilbereich von großer Bedeutung. Darüber hinaus ist die hohe Isolierung dieser Art von Geräteversorgung mit der langfristigen Gleichspannungsbelastung des Batteriepacks verbunden. Und der schnelle Hochspannungsübergangswechsel in der Sonde, beim Anschließen und Entfernen des Ladevorgangs sowie bei der DC-DC-Umwandlung ist von entscheidender Bedeutung.

Bei der Auswahl dieser wichtigen Nullkomponente umfassen die kritischen Anforderungen des Autos geeignete Paket- und Betriebsspannungsspezifikationen. Obwohl die Leistungsspezifikationen wie Geschwindigkeit, Datenrate und Stromverbrauch immer noch eng sind, wird die EMI für das schnelle Schalten und die Änderung hoher Ströme berücksichtigt. Die Nachfrage nach ultraschnellen Geräten wird eingeschränkt, wodurch die Anforderungen an die höhere Flexibilität bei der Anpassung der Kompressionswellenrate und der Einschränkung der EMI-Leistung verbessert werden. Um die strengen Anforderungen der Autonutzungsumgebung zu erfüllen, bietet AVAGO mehrere Serien von Optokopplerprodukten an, die bei der Spannungsinduktion des Batteriepacks verwendet werden können, wodurch die Datenkommunikationsschnittstelle und andere Sicherheitsisolierungen bereitgestellt werden. Tabelle 1 Versorgung im Einklang mit verschiedenen Optokopplerprodukten für die Verwendung im Auto. Tabelle 1: Verschiedene für Beispiele von Optokopplern in der Automobilindustrie geeignete Fotoleiter. Der Optokoppler ACPL-M43T von AVAGO versorgt die zu trennende Leiterplatte des Batterieschnittstellen-Steuermoduls. Als Mitglied der Avagor2Coupler-Serie ist ACPL-M43T ein kompaktes 5-poliges SO-5JEDEC-Paket, das für oberflächenmontierte digitale Einkanal-Optokoppler geeignet ist.

Zusätzlich zur Verbesserung der Isolationseigenschaften nutzen die R2Coupler-Produkte von Avago Doppelleitungen, um wichtige Funktionsverbindungen zu verbessern, wie in Abbildung 2 dargestellt. Darüber hinaus weist der versiegelte Optokoppler eine höhere Zuverlässigkeit und einen größeren Betriebstemperaturbereich auf, der den Optokoppler-Produkten mit LEDs in Verbraucherqualität weit überlegen ist. Die speziell für den Einsatz in der Automobilindustrie entwickelten Produkte von AVAGO verwenden LEDs auf Fahrzeugniveau, werden nach dem Qualitätssystem ISO/TS16949 hergestellt und entsprechen den AEC-Q100-Spezifikationen.

Abbildung 2: Avago verwendet eine verstärkte Zweidraht-Tastenfunktionsverbindung mit ACPL-M43T-Fotokondensatorprodukten. (Hervorhebungen in der Abbildung) Dieses Gerät ist ideal für die Anforderungen von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge. Die Versorgung umfasst eine Dauerbetriebsspannung von 567 V, eine maximale vorübergehende Überspannung von 6000 V, eine Kriechstrecke von 5 mm und einen elektrischen Abstand von 5 mm usw.

Wenn ein Strom von 10 mA eingegeben wird und ein logischer High- oder Low-Level-Ausgang mit einer Gleichtaktstörung von 30 kV/s vorliegt, kann dies die Wahrscheinlichkeit von Änderungen in anderen Fahrzeugsystemen im CAN-Übertragungsleitungsnetzwerk verringern.