Pengantar Sistem Baterai Kendaraan Listrik

Desain kendaraan listrik adalah konsep yang kompleks. Berikut adalah inti dari setiap EV:baterai.

Desain kendaraan listrik adalah konsep yang kompleks. Berikut adalah inti dari setiap EV:baterai.

Bagian mendasar dari setiap kendaraan listrik (EV) adalah baterainya. Baterai harus dirancang untuk memenuhi persyaratan motor dan sistem pengisian yang digunakan kendaraan.

Ini termasuk kendala fisik seperti pengemasan yang efisien di dalam bodi kendaraan untuk memaksimalkan kapasitas. Sebagai kontributor utama bobot dalam sebuah EV, desainer juga harus mempertimbangkan penempatan baterai di dalam kendaraan karena dapat mempengaruhi efisiensi daya dan karakteristik penanganan kendaraan (yang biasanya mengapa Anda akan sering melihat baterai ditempatkan di bawah alas lantai kendaraan) .

Berikut adalah ikhtisar beberapa spesifikasi, pertimbangan keselamatan, dan sistem manajemen yang digunakan dalam desain baterai EV.

Spesifikasi Baterai EV:Tegangan dan Kapasitas

Baterai kendaraan listrik sering kali terdiri dari ratusan sel kecil dan individual yang disusun dalam konfigurasi seri/paralel untuk mencapai tegangan dan kapasitas yang diinginkan dalam kemasan akhir. Paket umum terdiri dari blok 18-30 sel paralel secara seri untuk mencapai tegangan yang diinginkan. Misalnya, paket nominal 400V sering kali memiliki sekitar 96 blok seri (seperti pada Tesla Model 3).

Tegangan paket nominal umum pada kendaraan saat ini berkisar dari 100V-200V untuk kendaraan hybrid/plug-in hybrid dan 400V hingga 800V dan lebih tinggi untuk kendaraan listrik saja. Alasannya adalah tegangan yang lebih tinggi memungkinkan lebih banyak daya untuk ditransfer dengan lebih sedikit kerugian pada diameter (dan massa) kabel tembaga yang sama.

Contoh sistem baterai EV dengan masing-masing sel secara seri.

Kelemahan dari tegangan yang lebih tinggi termasuk kebutuhan untuk komponen dengan nilai tegangan yang lebih tinggi di seluruh sistem. Mereka juga mencegah kemampuan untuk menggunakan stasiun pengisian cepat DC dengan tegangan lebih rendah tanpa memasukkan beberapa jenis konverter boost DC-DC ke pengisi daya terpasang.

Rentang kapasitas baterai umum, di sisi lain, adalah sebagai berikut:

• Kendaraan hibrida: 0,5 hingga 2 kWh
• Kendaraan hibrida plug-in: 4 hingga 20 kWh
• Kendaraan listrik: 30 hingga 100 kWh atau lebih.

Keamanan dalam Baterai EV:Kontaktor (dan Sekring Pyro)

Baterai mewakili banyak tantangan untuk keselamatan dalam hal desain, serta mengenai tegangan tinggi yang ada secara permanen di dalamnya.

Sekering ada di dalam kemasan baterai sebelum konektor keluaran, sering kali di sisi positif dan negatif. Relai arus tinggi khusus yang disegel yang dikenal sebagai kontaktor menghubungkan sekering internal ke baterai itu sendiri.

Serangkaian relai EV Panasonic/kontaktor DC (kiri) dan kerusakan struktur kontaktor. Gambar dari Panasonic

Kontaktor menggabungkan fitur seperti kontak korban untuk mencegah peningkatan resistensi karena lubang kontak. Mereka juga sering menggabungkan kontak bantu untuk mendeteksi pengelasan internal yang mungkin terjadi jika kontaktor sengaja atau tidak sengaja dibuka saat arus besar melewatinya.

Catu daya koil kontaktor biasanya dilewatkan melalui loop interlock tegangan tinggi atau HVIL, yang loop melalui semua komponen tegangan tinggi dalam sistem di samping kabel tegangan tinggi (biasanya dimasukkan ke dalam setiap konektor), sehingga kontaktor tidak dapat menerima daya ke tutup kecuali semua sambungan tegangan tinggi dicolokkan dengan aman ke baterai.

Kontaktor pra-pengisian ditutup sebelum kontaktor utama, untuk memungkinkan arus kecil mengalir ke sistem melalui resistor besar. Hal ini membatasi arus masuk ke semua kapasitor besar dalam sistem dan memungkinkan sistem manajemen baterai mendeteksi korsleting sebelum jalur arus tinggi selesai.

Isolasi terus dipantau, biasanya di kedua sisi kontaktor utama, dan gangguan akan terjadi jika isolasi dari kedua sisi sistem tegangan tinggi ke sasis turun menjadi kurang dari 500 ohm per volt.

Tesla juga memasukkan perangkat keamanan baru ke dalam Model 3 dan paket yang lebih baru, yang dikenal sebagai sekering piro. Perangkat ini dapat meledak terbuka dengan muatan piroteknik kecil jika kontaktor menjadi dilas, yang memungkinkan mereka untuk menggunakan kontaktor yang kurang kuat. Resistor pelepasan dan kontaktor terkadang disertakan di seluruh keluaran baterai untuk memungkinkan sistem dikosongkan secara aktif ke tegangan aman setelah dimatikan.

PCB Pemantau Baterai EV

Blok sel baterai perlu dipantau dan dijaga keseimbangannya dan papan sirkuit khusus disertakan dalam paket untuk melakukan tugas ini. Board ini harus menyertakan antarmuka komunikasi yang terisolasi, karena referensi ground setiap board akan berbeda ratusan volt satu sama lain dan dari BMS (sistem manajemen baterai) utama.

Papan ini memantau tegangan dan suhu setiap blok serta suhu interkoneksi antar blok. Mereka juga berisi kelompok kecil resistor untuk melakukan tugas penyeimbangan.

Blok sel di dalam paket harus disimpan dalam beberapa milivolt satu sama lain untuk memungkinkan daya maksimum ditransfer masuk dan keluar dari paket. Karena perbedaan alami dalam pembuatan sel, beberapa blok akan mengisi atau mengeluarkan sedikit lebih cepat daripada yang lain. Untuk mengatasi hal ini, selama pengisian, penyeimbangan dilakukan yang menguras sejumlah kecil daya dari blok bertegangan tertinggi untuk mendekatkan blok dengan blok lainnya.

Papan pemantau blok ini juga menyediakan fitur keamanan tambahan dari paket, yang memungkinkan suhu sel dan titik interkoneksi di dalam paket untuk dipantau dengan sangat tepat. Dalam kasus, katakanlah, sel yang rusak, ini berarti bahwa kesalahan dapat dimunculkan sebelum kerusakan serius atau bahkan kebakaran dapat terjadi.

Sistem Manajemen Baterai (BMS)

Terakhir, Sistem Manajemen Baterai, atau BMS seperti yang biasa dikenal, mengelola tugas memantau dan mengendalikan semua aspek paket baterai.

Shunt saat ini melaporkan berbagai informasi ke BMS, termasuk total biaya yang ditransfer masuk dan keluar dari paket. Pengukuran tegangan sebelum dan sesudah kontaktor memungkinkan pemantauan tegangan sistem paket. Kontrol kontaktor dan sirkuit economizer mengatur penutupan kontaktor dan meminimalkan arus statis melalui kumparan setelah kontak ditarik.

BMS juga terus berkomunikasi dengan papan manajemen blok untuk memantau voltase dan suhu sel serta mengontrol keseimbangan.

Diagram blok desain referensi untuk baterai 400V. Gambar dari Texas Instruments

Sistem keseluruhan dan suhu konektor dimonitor untuk mendeteksi koneksi dengan resistansi tinggi yang disebabkan oleh konektor atau baut yang kendor.

Isolasi sistem dan paket juga terus dipantau, dan fitur keselamatan lain yang berpotensi berlebihan dapat digabungkan. BMS juga memperlihatkan antarmuka komunikasi ke seluruh kendaraan—seringkali melalui ethernet otomotif atau bus CAN—di mana ia berkomunikasi dengan inverter, pengisi daya, dan sistem lainnya. Alat ini menghitung dan memberikan batas arus pengisian dan pengosongan, kondisi paket dan kondisi pengisian daya, serta memberi tahu sistem lain saat kontaktor harus terbuka sehingga idealnya kontaktor dapat dibuka tanpa beban.