Relaisoplossingen in batterijbeschermingsplaten: principes, voordelen en toepassingen

In batterijbeheersystemen is de kernfunctie van een beveiligingskaart het onmiddellijk uitschakelen van het circuit wanneer zich abnormaliteiten zoals overbelasting, overontlading, overstroom of kortsluiting voordoen, waardoor de veiligheid van zowel de batterij als de gebruiker wordt gewaarborgd. Momenteel zijn de twee reguliere beschermingsbenaderingen de MOSFET-oplossing en de relaisoplossing. Dit artikel richt zich op de werkingsprincipes, technische kenmerken en geschikte toepassingen van de relaisoplossing.

De relaisoplossing verwijst naar een batterijbeschermingskaart die een elektromagnetisch relais gebruikt als schakelapparaat voor het hoofdcircuit, dat de verbinding en ontkoppeling van het batterijpakket regelt door de relaisspoel te bekrachtigen of uit te schakelen. In tegenstelling tot de MOSFET-oplossing is een relais eenmechanische schakelaardat afhankelijk is van elektromagnetische kracht om zijn contacten te openen of te sluiten.

Een typisch op relais gebaseerd beveiligingsbord bestaat uit een batterijbeheerchip (of MCU), een stuurcircuit, het relais zelf, stroomgevoelige weerstanden en andere hulpcomponenten.

De beveiligingskaart bewaakt voortdurend parameters zoals accuspanning, stroom en temperatuur. Wanneer alle parameters binnen het normale bereik blijven, bekrachtigt de MCU of beveiligingschip de relaisspoel via het stuurcircuit, sluiten de contacten en kan het accupakket normaal worden opgeladen of ontladen.

Wanneer er een afwijking wordt gedetecteerd:

• Overmatige ontlading: spanning daalt tot onder de onderste drempel

• Overladen: spanning stijgt boven de bovenste drempel

• Overstroom/kortsluiting: stroom overschrijdt de ingestelde limiet

Het besturingssysteem schakelt onmiddellijk de stroom naar de relaisspoel uit, de contacten gaan open en het hoofdcircuit wordt losgekoppeld. Zodra de fout is verholpen, kan het systeem het relais opnieuw sluiten via een extern laadsignaal of een resetcommando.

Relaiscontacten hebben een extreem lage weerstand (meestal in het milliohm-bereik), waardoor minimale warmte ontstaat onder omstandigheden met hoge stroomsterkte. Dit maakt relais bijzonder geschikt voor toepassingen die meer dan 100 A vereisen, zoals elektrische vorkheftrucks, energieopslag in campers en elektrische voertuigen met lage snelheid. MOSFET's ervaren daarentegen aanzienlijke verwarming als gevolg van spanningsval bij hoge stromen.

Er is fysieke isolatie tussen de relaisspoel en zijn contacten, waardoor geen extra isolatiecircuits nodig zijn. Dit voldoet uiteraard aan de eisen voor veiligheidsisolatie aan de hoogspannings- en laagspanningszijde, waardoor het ontwerp wordt vereenvoudigd.

Relaiscontacten zijn bestand tegen aanzienlijke stootstromen tijdens kortsluiting zonder gemakkelijk beschadigd te raken, terwijl MOSFET's gevoelig zijn voor lawine-uitval onder overstroomomstandigheden. Relais hebben een inherent voordeel in termen van "robuustheid".

Wanneer de relaiscontacten open zijn, resulteert de luchtspleet ertussen in een verwaarloosbare lekstroom, waardoor relais veiliger en betrouwbaarder worden voor accupakketten die langdurige opslag nodig hebben.

Relais zijn ongevoelig voor de stroomrichting. De contacten bieden een puur resistief pad, in tegenstelling tot MOSFET's die een back-to-back serieverbinding vereisen om bidirectionele uitschakeling te bereiken. Dit resulteert in een eenvoudiger structuur.

Natuurlijk is de relaisoplossing niet zonder nadelen:

• Beperkte mechanische/elektrische levensduur: Mechanische contacten verslijten bij herhaaldelijk schakelen. De elektrische levensduur ligt doorgaans in het bereik van duizenden tot tienduizenden cycli, waardoor relais ongeschikt zijn voor frequente schakeltoepassingen.

• Langzamere responstijd: De ophaal- en vrijgavetijden van relais zijn doorgaans enkele tot tientallen milliseconden, aanzienlijk langzamer dan MOSFET's (microseconden). Voor extreem snelle kortsluitbeveiliging kunnen zekeringen nodig zijn.

• Risico op contactlassen: Bij zeer hoge kortsluitstromen kunnen de contacten samensmelten, waardoor de beveiliging mislukt.

• Grootte en kosten: Hoogstroomrelais zijn relatief groot en hun kosten kunnen hoger zijn dan die van gelijkwaardige MOSFET-oplossingen.

• Hoorbaar geluid: Relais produceren een hoorbare "klik" bij het schakelen, wat ongewenst kan zijn bij geluidsgevoelige toepassingen.

Gezien deze kenmerken is de relaisoplossing het meest geschikt voor:

1. Energieopslagbatterijen met hoge capaciteit(bijv. energieopslag thuis, noodstroomvoorziening voor telecom): Hoge bedrijfsstroom maar lage schakelfrequentie, minder belastend voor de levensduur van de cyclus.

2. Hulpbatterijen voor campers/boten: Vereist ondersteuning voor omvormers met hoog vermogen en een zeer laag statisch stroomverbruik (relais verbruiken geen stroom wanneer ze open zijn).

3. Elektrische voertuigen met lage snelheid(bijv. elektrische golfkarretjes, toeristische voertuigen): hoge stroomsterkte en relatief zware gebruiksomstandigheden.

4. Batterijen voor industriële apparatuur(bijv. AGV's, vorkheftrucks): Hoge betrouwbaarheid en slagvastheid zijn van cruciaal belang.

5. Reparatie- of testarmaturen voor batterijen: Relais bieden een eenvoudige en betrouwbare manier om het hoofdcircuit handmatig of op afstand te ontkoppelen.

Als u een op relais gebaseerde beveiligingskaart ontwerpt of selecteert, houd dan rekening met het volgende:

• Contactbeoordeling: Zorg voor voldoende marge. Kies een relais dat geschikt is voor minimaal 1,5 keer de verwachte continue stroom. Het kortsluitvastheidsvermogen moet ook overeenkomen met de werkelijke omstandigheden.

• Stroomverbruik spoel: DC-relaisspoelen verbruiken doorgaans tussen 0,5 W en 3 W. Een goed ontwerp van het aandrijfcircuit en een goede warmteafvoer zijn belangrijk.

• Contactmateriaal: Contacten van zilverlegering zijn geschikt voor algemene toepassingen; zilvertinoxide (AgSnO₂) en zilvernikkel (AgNi) bieden betere anti-lasprestaties.

• Afdichtingsgraad: Kies voor vochtige of trillende omgevingen afgedichte of in epoxy ingekapselde relais.

• Hulpcontacten: Sommige relais zijn voorzien van hulpcontacten die de actuele contactstatus kunnen signaleren, waardoor de systeemveiligheid wordt verbeterd.

De relaisoplossing blijft onvervangbaar in toepassingen die een hoge stroomsterkte, een lage schakelfrequentie en een hoge veiligheidsisolatie vereisen. Hoewel ze misschien minder 'slim' en 'snel' zijn dan MOSFET-oplossingen, worden relais nog steeds veel gebruikt in energieopslag, industriële apparatuur en speciale voertuigen vanwege hun eenvoud, betrouwbaarheid en duurzaamheid.

De keuze tussen relais en MOSFET hangt uiteindelijk af van de eisen van uw product. Voor kleine batterijen in het bereik van honderd watt zijn MOSFET's geschikter. Voor grote accupakketten in het kilowatt- of zelfs tientallen kilowattbereik zijn relais vaak de meer pragmatische keuze.

Ik hoop dat dit artikel u een uitgebreid inzicht geeft in relaisoplossingen voor batterijbeschermingskaarten. Als je praktische ontwerpervaring hebt of vragen hebt, laat dan gerust een reactie achter.