Univerzálny balansovací systém trakčných batérií elektromobilov – Projekt Nadacia VW

Grantový program

ROZVÍJAŤ TECHNIK(O)U

Projekt podporený nadáciou Volkswagen Slovakia je riešený na Katedre mechatroniky a elektroniky. Projekt sa zoberá aktuálnou témou životnosti a bezpečnost batérií na báze lítia. V súčasnosti sa výrobcovia trakčných lítiových batérií zaoberajú najmä zvýšením energetickej hustoty batériových článkov. Hlavným cieľom projektu je vyvinúť univerzálny aktívny systém balansovania batérií, ktorý bude schopný na základe riadenia toku energie medzi článkami zvýšiť životnosť a bezpečnosť batérií EV.
Ciele projektu:

  • Výber testovacích batérií
  • Návrh topológie balansera
  • Návrh algoritmu rozpoznania pripojených batérií
  • Návrh pasívnej a aktívnej časti balansera
  • Overenie na el. štvorkolke

Jednotlivé ciele projektu boli rozdelené do nasledovných úloh:

  • Výber testovacích batérií
  • Výber topológie balansera
  • Návrh algoritmu pre rozpoznávanie typov batérií
  • Testovanie algoritmu pre rozpoznávanie batérií
  • Návrh DPS
  • Návrh mechanických komponentov
  • Zostavenie finalnej vzorky balancera
  • Testovanie balansera

Výber batérií

Vybrané trakčné batérie pre testovanie – batérie boli financované z GP Rozvíjať technik(o)u

LiFeYPO4 3,2V/75/40Ah trakčné batérie – využívané pre meranie dynamických vlastností balanserov

Trakčné Lítium-Ion batérie 3,7V/47,5Ah

Pasívny balanser

V projekte bol v prvom kroku testovaný pasívny balanser schopný pracovať so 16 batériami. Balanser má balansovací prúd 75mA, čo nepostačuje pri použití pre batérie s viac ako 5Ah. Výsledkom meraní a testovaní bol návrh špeciálneho typu pasívneho balancera so spínaním pasívnych prvkov pomocou MOSFET tranzistorov

LiFeYPO4 trakčné batérie pospájané sériovo s pasívnym balanserom

Pasívny balanser pre 12 LiFeYPO4 článkov s balansovacím prúdom 72mA±5mA, balanser obsahuje tepelnú, nadprúdovú, prepäťovu a podpäťovú ochranu.

Aktívny balanser

Navrhnutá topológia aktívneho balansera je typu flyback. Maximálny vyrovnávací prúd balansera je 10A, t.j. pri 70Ah batérii je 10% rozdiel vyrovnaný za 42 minút. Balanser obsahuje komunikačný obvod s PC a monitoring batérií. Monitoring batérií zisťuje napätia článkov a riadi balansovanie. Obvod obsahuje aj monitoring prebitia/podbitia batérií.

Toplógia aktívneho balansera – 1. verzia

Testovanie aktívneho balansera na šiestich LiFeYPO4 3,2V/40Ah trakčných batériách

LiFeYPO4 3,2V/75Ah trakčné batérie, na prepojkách sú osadené dištančné stĺpiky pre pripojenie aktívneho meničového balansera.

Testovanie aktívneho balansera na šiestich LiFeYPO4 3,2V/75Ah trakčných batériách na elektrickej štvorkolke.

Výsledky

Navrhnutý aktívny balanser dokáže balansovať vysokým prúdom čím je zabezpečená krátka doba balansovania batérií, môže ale balansovať max. 6 batérií. V ďalšom výskume bude realizovaná vzorka aktívneho balansera pre max 12 batérií (2×6) s planárnymi transformátormi.

Návrh plošného spoja pre aktívny transformátorový balanser s planárnymi transformátormi

Merania

Merania boli realizované na batériách LiFeYPO4 s pasívnym a aktívnym balanserom.

Balansovanie aktívnym balanserom.

Balansovanie pasívnym balanserom.

Grantový program

ROZVÍJAŤ TECHNIK(O)U