Elektronika akumulátorové baterie
Akumulátorová baterie je jednou z nejsložitějších částí naší elektrické formule. O maximální využití energie uložené ve stovkách bateriových článků se stará elektronický řídicí systém vlastního návrhu. Elektronika určená k řízení akumulátorové baterie má několik specifik, je to zejména důraz na spolehlivost a bezpečnost celého systému. Je třeba si uvědomit, že baterie pro elektromobil je velmi tvrdý zdroj vysokého napětí (v našem případě 600 V), toto napětí je na baterii přítomno neustále a v případě poruchy se akumulátor může stát životu nebezpečným. S tímto vědomím se snažíme co nejbezpečněji navrhnout veškeré části našeho trakčního akumulátoru.
Každý akumulátor musí dle pravidel FS obsahovat dvě vysokonapěťová relé (tzv. AIR – Accumulator Insulation Relay) oddělující kladný i záporný pól baterie od výstupního konektoru a také nadproudovou ochranu v podobě pojistky. Samotnou elektroniku lze rozdělit do tří částí: BMS (Battery Management System), DC/DC měnič a řidicí jednotka AMS (Accumulator Management System).
Obrázek 1: Jeden bateriový segment s BMS
Battery Management System musí nepřetržitě monitorovat napětí všech bateriových článků (resp. všech paralelních n-tic) a teplotu alespoň 30 % všech článků. Při naměření kritické hodnoty napětí či teploty na článcích (dle pravidel FS maximálně 60 °C) musí být neprodleně vypnut vysokonapěťový pohonný systém. Další nezbytnou součástí BMS je funkce balancování napětí článků s přesností na jednotky mV, jedině s dobře vybalancovaným akumulátorem je možné využít maximum jeho energie. Celý akumulátor je rozdělen na několik sériově spojených bateriových segmentů o max. napětí 120 V, které lze v případě potřeby rozpojit – práce či údržba na akumulátoru je díky tomu bezpečnější. Každý tento segment je vybaven BMS, ten v závislosti na typu baterií a jejich mechanické zástavbě sestává ze 2 až 3 desek plošných spojů připojených přímo na baterie.
Možností, jak napájet nízkonapěťové systémy formule je několik – separátní baterie o dostatečné kapacitě, kombinace menší baterie a DC/DC měniče (baterie napájí vůz jen do doby, než naběhne měnič a převezme napájení) nebo pouze DC/DC měnič. My jsme se rozhodli implementovat pouze DC/DC měnič, hlavní motivací byla úspora hmotnosti za nízkonapěťovou baterii a tento systém se již osvědčil na našem prvním autonomním monopostu DV.01. DC/DC měnič uložený v boxu trakčního akumulátoru konvertuje vysoké napětí (600 V) na napětí 24 V pro napájení všech nízkonapěťových systémů formule. Hlavními parametry, na které klademe důraz je dostatečný výkon (alespoň 500 W), vysoká účinnost (přes 90 %) a malé rozměry.
Obrázek 2: Jednotka AMS s dvěma moduly DC/DC měniče
Jednotka AMS je hlavní řídicí jednotkou trakčního akumulátoru formule. Jejím úkolem je komunikovat s BMS a vyhodnocovat informace o teplotách a napětích bateriových článků, dále měří odebíraný či dodávaný proud z akumulátoru a jeho napětí na vnější a vnitřní straně AIRů. Jednotka přímo ovládá hlavní akumulátorová relé (AIRy), implementuje obvod PRECHARGE (řízené nabíjení vstupních kapacit trakčních měničů před sepnutím AIRů), dále také nezávisle detekuje přítomnost vysokého napětí na výstupním konektoru akumulátorového boxu a vykonává několik dalších bezpečnostních funkcí. Se zbytkem řídicích jednotek ve formuli komunikuje pomocí dvou sběrnic CAN. Vzhledem k tomu, že jednotka AMS kombinuje funkce na vysoko i nízko napěťovém systému je třeba při návrhu plošného spoje pečlivě dbát na separaci těchto dvou částí a jejich galvanické oddělení.
Obrázek 3: Zařízení IMD
Poslední elektronickou součástí je tzv. IMD (Insulation Monitoring Device) – zařízení pro nepřetržité měření izolačního stavu mezi nízko a vysoko napěťovým systémem, klesne-li izolační odpor pod bezpečnou mez, AMS zareaguje rozpojením AIRů. Chtěli bychom poděkovat firmě GHV Trading za dodání kvalitních součástí pro IMD, na které se můžeme spolehnout, že vydrží i podmínky, které na ně klade naše použití v závodní formuli.
Dobře fungující systém elektroniky řízení akumulátorové baterie je základem pro úspěšné fungování našeho monopostu. Díky ní jsme schopni maximálně využít potenciálu baterií a pohánět tak naši formuli vstříc úspěchům na závodních tratích.
Obrázek 4: Deska plošných spojů jednotky AMS