วิธีการใช้โฟโตคัปเปลอร์เพื่อแยกแรงดันไฟฟ้าสูงเพื่อเพิ่มความปลอดภัยให้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของยานพาหนะไฟฟ้า

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Pārnēsājamas spēkstacijas piegādātājs

ในปัจจุบัน การใช้ยานพาหนะไฟฟ้าล้วนหรือไฮบริด การจัดการชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแรงดันสูงต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย นอกเหนือจากการไม่มีการตรวจสอบ การชาร์จ และการระบายประจุแล้ว ยังจำเป็นต้องแยกชุดแบตเตอรี่ออกจากการจ่ายแรงดันไฟฟ้าหลายร้อยระดับ โดยพิจารณาจากเหตุผลด้านความปลอดภัย เอกสารนี้จะกล่าวถึงความต้องการในการตรวจสอบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยเฉพาะ และจะกล่าวถึงสถาปัตยกรรมและส่วนประกอบศูนย์ที่ใช้โดยระบบการตรวจสอบแบตเตอรี่ ระบบการสื่อสารดิจิทัล และอินเทอร์เฟซแยก ในระบบการจัดการ บอร์ดตรวจสอบแบตเตอรี่จะใช้ระบบย่อยหลักสองระบบเพื่อตรวจสอบสถานะแบตเตอรี่ได้อย่างน่าเชื่อถือและส่งผลลัพธ์ดิจิทัลไปยังระบบควบคุมหลักที่ควบคุมโดยระบบควบคุม เพื่อแยกระบบย่อยเหล่านี้ออกจากกันในวงจรเหนี่ยวนำแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้าสูงและบอร์ด อุปกรณ์สื่อสารใช้อินเทอร์เฟซสัญญาณแยกแสงเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าสูงไม่ส่งผลกระทบต่อระบบย่อยดิจิทัล

ลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ตรงกับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนของยานพาหนะไฟฟ้าในด้านประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และข้อกำหนดความน่าเชื่อถือ และจุดนี้โดยตรงจากลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน วัสดุลิเธียมจะถูกคายประจุ วัสดุลิเธียมมักจะแตกตัวเป็นไอออนในขั้วบวกของกราไฟต์ จากนั้น ไอออนลิเธียมจะถูกอิเล็กโทรไลต์เคลื่อนย้ายโดยอิเล็กโทรไลต์เพื่อไปถึงแคโทด และกระบวนการชาร์จจะเป็นแบบย้อนกลับของโปรแกรมทั้งหมด และไอออนลิเธียมจะถูกนำกลับมาโดยแคโทดผ่านตัวแยก ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของโปรแกรมปฏิกิริยาเคมีนี้ควบคุมโดยอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ปฏิกิริยาเคมีจะช้า ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าของหน่วยแบตเตอรี่จึงต่ำ และความเร็วปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งลิเธียม เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเร็วปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งหน่วยไอออนลิเธียมเริ่มพังทลาย เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 100°เมื่อ C อิเล็กโทรไลต์เริ่มทำการวิเคราะห์ การปล่อยก๊าซซึ่งอาจทำให้เกิดความดันของเซลล์แบตเตอรี่ในการออกแบบ ที่อุณหภูมิสูง หน่วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจปล่อยออกซิเจนเนื่องจากการวิเคราะห์ออกไซด์เมื่อเผชิญกับความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเร็วขึ้นอีก

ดังนั้นเงื่อนไขการทำงานที่ดีที่สุดในการดูแลรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นข้อกำหนดสำคัญของระบบการจัดการแบตเตอรี่ ความท้าทายที่สำคัญในการออกแบบระบบควบคุมและจัดการคือการทำให้แน่ใจว่ามีการรวบรวมข้อมูลและย่อยสลายข้อมูลได้อย่างน่าเชื่อถือเพื่อตรวจสอบสถานะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในรถยนต์ และนี่คือปัญหาลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเอง

ในรถยนต์ไฟฟ้า ChevyVolt ชุดแบตเตอรี่ประกอบด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรูปปริซึม 288 ก้อน แบ่งออกเป็นชุดแบตเตอรี่ 96 ชุด และจ่ายแรงดันไฟฟ้าระบบ 386.6V DC ซึ่งประกอบเป็นแบตเตอรี่หลักสี่ก้อนร่วมกับเซ็นเซอร์อุณหภูมิและชุดทำความเย็น โมดูล สายตรวจจับแรงดันไฟที่เชื่อมต่อกับกลุ่มแบตเตอรี่แต่ละกลุ่มจะเชื่อมต่อกับโมดูลแบตเตอรี่แต่ละโมดูล และขั้วจะได้รับการแก้ไขและเชื่อมต่อกับโมดูลอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่เหนือโมดูลแบตเตอรี่แต่ละโมดูลผ่านขั้วต่อรวมลำแสงตรวจจับแรงดันไฟ 4 โดยใช้สี

โมดูลอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่ที่ระบุทำงานที่ตำแหน่งต่างๆ ของชุดแบตเตอรี่ โดยสอดคล้องกับช่วงแรงดันไฟฟ้าสูงที่เป็นกลางและต่ำของค่าออฟเซ็ตแรงดันไฟฟ้า DC ของโมดูล 4 ตัวตามลำดับ ข้อมูลที่จัดทำโดยโมดูลอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่จะถูกส่งไปยังโมดูลควบคุมพลังงานแบตเตอรี่ จากนั้นส่งสถานการณ์ข้อผิดพลาด สถานะ และข้อมูลการวินิจฉัยไปยังโมดูลควบคุมไฮบริดเพื่อใช้เป็นตัวควบคุมการวินิจฉัยยานพาหนะหลัก โดยระบบทั้งหมดจะทำงานวินิจฉัยระบบมากกว่า 5,000 รายการในเวลาใดก็ได้ โดยการวินิจฉัย 85% มุ่งเน้นไปที่ความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ ส่วนการควบคุมอื่นๆ เช่น ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เป้าหมาย การสลายตัวของประสิทธิภาพแบตเตอรี่ของแผงวงจรหลายชั้นเริ่มต้นในโมดูลควบคุมอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า ChevyVolt โปรดดูรูปที่ 1

1. โดยเฉพาะอย่างยิ่งต้องเผชิญหน้ากับความสมบูรณ์ของสัญญาณสูงโดยใช้แผงวงจรออกแบบสี่ชั้นโดยใช้เทคโนโลยีการจัดวางรอยทาง การแยก การรวมกันของเทคนิคและระนาบกราวด์เพื่อช่วยให้แน่ใจว่าความสมบูรณ์ของสัญญาณในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย โดยที่ชั้นบนสุดมีส่วนประกอบศูนย์ส่วนใหญ่ รวมถึงตัวแยกแสง ระนาบกราวด์ และรอยทางสัญญาณที่มีรูทะลุหลายรู เส้นทางจ่ายไปยังชั้นล่างจะจ่ายด้วยเลเยอร์ที่สอง และแหล่งจ่ายไฟและระนาบกราวด์จะกระจายอยู่ด้านล่างโซนแรงดันไฟฟ้าสูงของแผงวงจร และเลเยอร์ที่สามมีเส้นสัญญาณด้านล่างบริเวณเหล่านี้ อีกด้านหนึ่งของแผงวงจรพิมพ์ นั่นคือ เลเยอร์ที่สี่เป็นระนาบกราวด์และรอยทางสัญญาณและประกอบด้วยส่วนประกอบศูนย์พิเศษบางส่วน รูปที่ 1: แผงวงจรของโมดูลควบคุมอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่ทั้งสี่แผงในรถยนต์ไฟฟ้า ChevyVolt แต่ละแผงประกอบด้วยวงจรเหนี่ยวนำและวงจรการสื่อสาร CAN จำนวนหลายวงจร และแยกขอบของโฟโตคัปเปลอร์ของระบบย่อยการสื่อสาร การแยกสัญญาณ ในการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้า การสื่อสารและการควบคุมเป็นส่วนสำคัญของยานยนต์ เช่น ChevyVolt โดยใช้การแยกเครือข่ายหลายรายการและการปกป้องระบบย่อยอิสระ การใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนเพื่อจัดการกลุ่มแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอิสระและตรวจสอบโมดูลควบคุมอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่พิเศษ ชุดแบตเตอรี่ในแต่ละระบบย่อยที่เหนี่ยวนำ แต่ข้อมูลสำคัญในฐานะการจัดการแบตเตอรี่โดยรวมจะอยู่ในเครือข่ายพื้นที่เฉพาะที่ของตัวควบคุม (CAN, อินเทอร์เฟซสัญญาณบัส ControlraneNetWork และสัญญาณข้อผิดพลาดแรงดันไฟฟ้าสูง ในขณะที่ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบยังปลดการแยกความปลอดภัยของเครือข่ายบัส CAN และวงจรตรวจจับแรงดันไฟฟ้าสูง แม้ว่าการแยกสามารถนำไปใช้ได้โดยใช้หลากหลายวิธีและส่วนประกอบเป็นศูนย์ แต่สภาพแวดล้อมที่ต้องการและข้อบังคับด้านความปลอดภัยหลายประการจำเป็นต้องใช้ตัวเชื่อมต่อออปโตอิเล็กทรอนิกส์จึงเป็นการใช้งานที่ต้องการของประเภทนี้

วิธี. โฟโตคัปเปลอร์มีคุณสมบัติในการลดสัญญาณรบกวนที่มีค่าสัมประสิทธิ์สูง และโดยพื้นฐานแล้วมีการปรับปรุงสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าในระดับสูง เช่น EMC และ EMI ในยานยนต์ นอกจากนี้ การแยกความสูงของอุปกรณ์ประเภทนี้ยังเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟ DC ของชุดแบตเตอรี่ที่เผชิญในระยะยาวอีกด้วย การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟสูงชั่วขณะอย่างรวดเร็วในโพรบ การเชื่อมต่อการชาร์จ การถอดออก และการแปลง DC-DC ถือเป็นสิ่งสำคัญ

เมื่อทำการเลือกส่วนประกอบกุญแจศูนย์นี้ ข้อกำหนดที่ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์ของรถยนต์จะรวมถึงแพ็คเกจที่เหมาะสมและข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน แม้ว่าข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพเช่น ความเร็ว อัตราข้อมูล และการใช้พลังงานจะยังคงเข้มงวด แต่ EMI จะถูกพิจารณาสำหรับการสลับที่รวดเร็วและการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟสูง ความต้องการสำหรับอุปกรณ์ความเร็วสูงพิเศษจะถูกจำกัด จึงหันไปปรับปรุงข้อกำหนดความยืดหยุ่นที่สูงขึ้นสำหรับการปรับอัตราคลื่นการบีบอัดและประสิทธิภาพการจำกัด EMI เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของสภาพแวดล้อมการใช้งานรถยนต์ AVAGO จึงจัดหาผลิตภัณฑ์ออปโตคัปเปลอร์หลายชุด ซึ่งสามารถใช้ในการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ ซึ่งจะนำอินเทอร์เฟซการสื่อสารข้อมูลและการแยกความปลอดภัยอื่นๆ มาไว้ด้วยกัน ตารางที่ 1 แหล่งจ่ายที่สอดคล้องกับผลิตภัณฑ์ออปโตคัปเปลอร์ต่างๆ สำหรับการใช้งานในรถยนต์ ตารางที่ 1: โฟโตคอนดักเตอร์ต่างๆ ที่เหมาะสำหรับตัวอย่างโฟโตคัปเปลอร์ยานยนต์ โฟโตคัปเปลอร์ ACPL-M43T ของ AVAGO จ่ายแผงวงจรโมดูลควบคุมอินเทอร์เฟซแบตเตอรี่ที่จะแยกออก เนื่องจาก ACPL-M43T เป็นหนึ่งในสมาชิกของซีรีส์ Avagor2Coupler จึงเป็นแพ็คเกจ SO-5JEDEC 5 พินขนาดกะทัดรัด เหมาะสำหรับออปโตคัปเปลอร์ดิจิทัลช่องเดียวแบบติดตั้งบนพื้นผิว

นอกเหนือจากการเสริมความแข็งแกร่งให้กับความสามารถในการเป็นฉนวนแล้ว ผลิตภัณฑ์ R2Coupler ของ Avago ยังใช้สายคู่เพื่อเสริมการเชื่อมต่อฟังก์ชันหลัก ดังที่แสดงในรูปที่ 2 นอกจากนี้ โฟโตคัปเปลอร์แบบปิดผนึกยังแสดงให้เห็นความน่าเชื่อถือที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น และช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างขึ้น ซึ่งเหนือกว่าผลิตภัณฑ์โฟโตคัปเปลอร์ที่ใช้ LED ระดับผู้บริโภคมาก ผลิตภัณฑ์ของ AVAGO ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้ในยานยนต์ โดยใช้ไฟ LED ระดับรถยนต์ ผลิตขึ้นตามระบบคุณภาพ ISO / TS16949 และเป็นไปตามข้อกำหนด AEC-Q100

รูปที่ 2: Avago ใช้การเชื่อมต่อฟังก์ชันคีย์เสริมสองสายกับผลิตภัณฑ์โฟโตคอนเดนเซอร์ ACPL-M43T (จุดเด่นในรูป) อุปกรณ์นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับความต้องการชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟประกอบด้วยแรงดันไฟทำงานต่อเนื่อง 567V, แรงดันไฟเกินชั่วขณะสูงสุด 6000V, ระยะห่างตามผิวน้ำ 5 มม. และระยะห่างทางไฟฟ้า 5 มม. เป็นต้น

เมื่อป้อนกระแสไฟ 10mA ไม่ว่าจะมีเอาต์พุตตรรกะระดับสูงหรือระดับต่ำที่มีการรบกวนทันทีโหมดทั่วไป 30 kV/s ก็สามารถลดโอกาสที่ระบบรถยนต์อื่นจะเปลี่ยนแปลงไปในเครือข่ายสายส่ง CAN ได้