Az elektromos járművek kihívásai – hatótávolság és biztonság

Az akkumulátorkezelő rendszerek és az érzékelők szerepe

A legújabb érzékelők nemcsak a fedélzeti tüzek minden eddiginél hatékonyabb megelőzésében segítenek, hanem hozzájárulnak az elektromos járművek piacát uraló hatótávolsággal kapcsolatos kihívások kezeléséhez is, és a trendek azt mutatják, hogy rövidesen ennél sokkal többre lesznek képesek.

Amikor az elektromos járművekről (EV-k) esik szó, az első számú téma az, hogy mekkora távolságot képesek megtenni egyetlen töltéssel. Bár a benzin- vagy dízelüzemű járműveket vásárlók többsége számára a teljes tankolással megtett távolság általában messze hátrébb szerepel a szempontok listáján, az elektromos járművek esetében ez az első helyen áll.
Egy nemrégiben végzett felmérés során a járművezetők ragaszkodtak ahhoz, hogy egy elektromos járműtől azt várják el, hogy egyetlen feltöltéssel körülbelül 600 km-t tudjon megtenni. Ami azért különös, mert egy átlagos autóút körülbelül 15-20 km. Természetesen a valóság (e cikk megírásának időpontjában) az, hogy a legtöbb sofőr nem lesz képes megtenni ezt a távolságot egy teljesen feltöltött lítium-ion (Li-Ion) akkumulátorral.
Ez rávilágít az autóipar egyértelmű dilemmájára – az elektromos autókban használt technológia teljesen eltér attól, amit az ügyfelek ismernek, és a belső égésű motorral való összehasonlítás téves.
Van egy másik kritérium is, amely egyre inkább meghatározza az emberek elektromos járművekre vonatkozó döntését: a biztonság – ez a téma várhatóan még nagyobb jelentőséget kap majd az elkövetkező években.
Miért vált a biztonság ilyen fontos kérdéssé? Egyszerűen azért, mert – annak köszönhetően, hogy a modern EV-ket úgy kell megtervezni, hogy gyorsabban töltsenek, és megfeleljenek a korábban leírt követelményeknek – a fedélzeti rendszereknek nagyobb árammal és nagyobb feszültséggel kell megbirkózniuk, és ez nagyobb szigetelést igényel. Az autóipari ágazatban – akár az eredeti gyártók, akár az EV-töltők gyártói, akár a töltőpontok üzemeltetői körében – komoly aggodalomra ad okot, hogy miközben létfontosságú, hogy a járművezetők által elvárt előnyöket biztosítani tudják, abszolút prioritásként kell kezelni a járműveken belüli szivárgás vagy tűz lehetőségének elkerülését.
Az autóipar előtt álló jelentős kihívás 2023-ban (és minden bizonnyal még azt követően is) tehát az lesz, hogy hogyan lehet a teljesítmény, a pontosság, a szén-dioxid-kibocsátás és a biztonság körét „négyzetre emelni”.

A töltés állapota, egészségi állapot

E helyzet kezelésének középpontjában a minden elektromos járműbe beépített akkumulátorkezelő rendszer (BMS – battery management systems) áll. A jármű akkumulátorának fő alkotóelemét képező BMS két alapvető követelményt teljesít a járművezető számára. Először is, értékeli a töltöttségi állapotot (SoC – state of charge), azaz az EV akkumulátor töltöttségi szintjét a kapacitásához képest – ez határozza meg a jármű által elérhető hatótávolságot. Másodszor, a BMS kezeli az akkumulátorcsomag állapotát (SoH – state of health) egy olyan fedélzeti biztonsági funkcióval, amelynek célja a szivárgás vagy tűz megelőzése. Minél pontosabbak ezek az értékelések – és nyilvánvalóan a lehető legpontosabbnak kell lenniük –, annál nyugodtabbak lesznek az autósok a hatótávolsággal és a biztonsággal kapcsolatos aggodalmaik kezelése szempontjából.
Ahhoz, hogy egy BMS ezeket a létfontosságú funkciókat elláthassa, megbízható érzékelő elemeket kell beépítenie. Nem meglepő, hogy a jelenlegi érzékelők, mint bármely BMS kulcsfontosságú elemei, jelentős változásokon mentek keresztül, ahogy az EV-ágazat igényei növekedtek.
Ügyfelei ezen az úton történő kísérésére a LEM a közelmúltban kifejlesztette a harmadik generációs CAB-érzékelősorozatot, amely nagy pontosságú SoC-számokat szolgáltat. A nagy teljesítményű prémium CAB-sorozat első generációját 12 évvel ezelőtt fejlesztették ki a BMS-ek számára, amely az ügyfelek igényeinek változásával együtt fejlődött. Az első modell olyan áttörést hozó technológiával szolgált, amely a mágneses eltolás kiküszöbölésével pontosabb árammérést tett lehetővé, miközben az érintkezés nélküli árammérés is jelentős előnnyel járt. A következő modellt a nagyobb áramtartomány (300…500 A-ig) és a javított biztonsági szintek jellemezték.

CAB 1500 – a LEM CAB-család új tagja

A mai újdonság a csúcskategóriás CAB-1500, amelynek áramtartománya ±1500 A-ig terjed. A funkcionális biztonság szempontjából ez az ASIL (automotive safety integrity level – autóipari biztonsági integritási szint) C készülék megfelel az ISO26262 szabványnak, és a két belső független csatornának köszönhetően lehetővé teszi a redundáns árammérést, amely a BMS-ben egy pár helyett csak egyetlen áramérzékelőt használ. A CAB 1500-ba épített biztonságirányítást szolgáló elektromos funkciók közé tartozik a túláram-érzékelés, amelynek belső hibajelzője 1600 A feletti áram esetén 1-re áll. További jellemző a biztonsági cél megsértésének 1-re állított flag-je (az analóg és digitális csatornák közötti plauzibilitási ellenőrzés eredményeitől függően), egy szek­ven­ciaszámláló és egy CRC-ellenőrzés a végponttól végpontig (E2E) terjedő kommunikáció védelmére.
A plug-and-play CAB 1500 azonos helyigény mellett képes az áramtartomány megháromszorozására, és a -40 °C és +85 °C közötti hőmérséklet-tartományban a kategória legjobb, 0,5%-os pontosságát nyújtja. A rendkívül alacsony ofszet mellett, amely pontos Coulomb-számlálást tesz lehetővé a SoC becslésekhez, az új érzékelő a nem-intruzív mérési elvet használja, miközben teljes galvanikus szigetelést és 800 V-os alkalmazásokkal való kompatibilitást kínál. A CAB 1500 további fontos jellemzői közé tartozik a sínre vagy panelre szerelhetőség és az egypólusú +12 V-os akkumulátoros tápellátás. A fluxgate-érzékelőfej is indukciós tekercsből készült, amely nagyon nagy permeabilitást és alacsony remanenciát (Hc) ötvöz, így biztosítva a lineáris és a telített állapot közötti gyors átmenetet. A fluxgate ideális technológia a nagy teljesítményű BMS-ek számára, mivel a kategóriájában legjobb, akár 0,1%-os felbontást, a kategóriájában legjobb Ip max és ofszet­pontosságot, beavatkozásmentes mérést és 2,5 kV-ig terjedő szigetelést, valamint a sönttechnológiához képest alacsony energiafogyasztást kínál.

A legkorszerűbb akkumulátorkezelő érzékelők

A BMS áramérzékelés hosszú múltjára támaszkodva a LEM olyan megoldások létrehozására törekedett, amelyek műszakilag és gazdaságilag optimalizáltak. A vállalat folyamatosan feszegeti a technológiai határokat, hogy az OEM-ek és az EV-ágazat más szereplői olyan termékeket fejleszthessenek ki, amelyek nemcsak a jelenlegi igényeket elégítik ki, hanem az EV-felhasználók számára is előremozdítják azokat, és világszerte növelik a környezetre minimális lábnyomot hagyó járművek elterjedését – ma és a jövőben is.
A BMS-fejlesztőknek nyújtott szakértelem és tapasztalat kombinációja révén a LEM úgy véli, hogy a legfejlettebb áramérzékelők új termékterveikbe történő beépítésével a mérnökök a piac előtt járhatnak. Az egyre intelligensebbé váló érzékelőkkel a fejlesztők fejlettebb szoftvereket tudnak beépíteni, amelyek megkönnyítik a nagyobb mennyiségű adat összegyűjtését és feldolgozását egyetlen eszközben. Ezzel egyidejűleg a tervezők lehetővé teszik ügyfeleik számára, hogy az általuk kínált EV-ket a teljesítmény, a költségek és a biztonság tekintetében a piac élvonalába helyezzék.
A magasabb biztonsági szintek iránti igényt megelőzve a LEM jelenleg aktívan dolgozik két új koncepción, amelyek az OEM-gyártókkal folytatott intenzív megbeszéléseken és a piaci ismereteken alapulnak. Az első koncepció főként a funkciók bővítését tartalmazza, mivel az érzékelő többfunkciós lesz, és az akkumulátorleválasztó egységen belül többféle tényező érzékelésében vállal szerepet. Például, míg egy áramérzékelő hagyományosan csak az akkumulátorcsomag áramát érzékeli, ma már elvárás, hogy a csomag feszültségét is figyelje különböző helyeken, valamint észlelje az esetleges forró pontokat. Egyre népszerűbbek az olyan kiegészítő funkciók is, mint például a pirobiztosíték (Pyrofuse) kioldása túláram esetén, vagy a nagyfeszültségű csomag szigetelésének figyelése annak biztosítása érdekében, hogy az akkumulátorcsomag és az autó alvázának tömege között valódi szigetelés legyen. Ténylegesen ez a tendencia az áramérzékelőt a BMS szolgálatában lévő érzékelő csomóponttá teszi.
A második koncepció, amelyen a LEM mérnökei dolgoznak, két különböző technológián alapul az áram érzékelésére. A „sönt + Hall” egyetlen csomagba helyezése talán nem forradalmi, de nagyon versenyképes megoldást jelent, mivel a vállalat 50 éves, a nyílt hurok technológián alapuló érzékelési tapasztalatának és egy friss, új ASIC-nek a kombinációjából profitál, ami lehetővé teszi a redundáns útvonal nagyon magas pontossági szintjének elérését. Ez a különböző változatokra bontott koncepció önálló modulként vagy a többpontos érzékelőmodul kiegészítéseként használható, mivel optimalizált és robusztus érzékelőfejet kínál, amely könnyen kompatibilis a legmagasabb biztonsági szinttel, az ASIL D-vel.

Egy kvantumugrás

Összefoglalva, az autóipari ágazaton belüli igények egyre nagyobb teret hódítanak a kielégítésükhöz szükséges technológiai fejlődés számára, és az iparág egyes szereplői folyamatosan „zárkóznak fel”. A kijózanító hír számukra az, hogy az igények csak erősödni fognak és egyre nagyobb kihívást jelentenek, és csak úgy kerülhetnek előnyös helyzetbe, ha olyan technológiát alkalmaznak, amely lehetővé teszi számukra, hogy „kvantumugrást” érjenek el a piacon. Az EV-ágazat ezen előrelépéseinek középpontjában a kifinomult akkumulátorkezelő rendszerek részeként működő áramérzékelők állnak majd, amelyek teljesen új szintre emelik az elektromos járműveket.
A jövőre nézve a jelenlegi érzékelő a BMS intelligenciájának kulcsfontosságú részévé válik, ahol az adatokat egyszerre kell majd átadni a BMS-nek. A költség és a mechanikai integráció szintén kulcsfontosságú tényezők lesznek a piac előrehaladtával, mivel a BMS-nek és az akkumulátorcsomagnak kisebbnek és könnyebbnek kell lennie. A LEM készen áll arra, hogy a szenzorok világában szerzett széles körű szakértelmét és know-how-ját felhasználva olyan életképes megoldásokat kínáljon, amelyek maximalizálják az akkumulátorkezelő rendszerek teljesítményét a gyorsan fejlődő elektromos járművek piacán.

Szerző: Jérémie Piro – Globális termékmenedzser BMS,
LEM International SA

LEM International SA
Route du Nant-d’Avril, 152.
1217 Meyrin, Switzerland
Tel.: +41 22 706 11 11
www.lem.com