Зачем в системах хранения энергии и BMS используют оптоволоконную изоляцию?

Системы хранения энергии сочетают в себе высоковольтные аккумуляторные батареи, электронику управления батареями, оборудование для преобразования энергии и низковольтные системы управления в одной электрической архитектуре. Эти детали не всегда работают при одном и том же электрическом потенциале и часто располагаются вблизи сильноточных коммутационных цепей, генерирующих значительный электромагнитный шум.

По этой причине связь внутри аккумуляторной системы хранения энергии — это не только вопрос скорости передачи данных или протокола. Во многих местах инженерам также приходится решать, как информация может передаваться между электрически разделенными областями, не создавая нежелательных путей тока, контуров заземления или синфазных помех.

Оптоволоконная связь обеспечивает один из способов пересечь эти границы, поскольку сигнал распространяется по проводящему кабелю как свет, а не как электрический ток. Это делает волокно особенно полезным там, где важна гальваническая развязка, пониженная восприимчивость тракта связи к электромагнитным помехам или разделение между доменами управления высокого и низкого напряжения.

Поэтому инженерный вопрос заключается не просто в том, «Должна ли BMS использовать оптоволокно?»

Лучший вопрос:где система содержит границу изоляции и какой тип канала связи наиболее подходит для пересечения этой границы?

Почему BMS и системы хранения энергии нуждаются в электрической изоляции?

Электрическая изоляция BMS означает разделение цепей связи или управления, которые работают при разных электрических потенциалах, но при этом позволяют информации проходить между ними. Цель состоит в том, чтобы предотвратить протекание нежелательного тока по каналу связи, одновременно позволяя информации пересекаться между электрическими доменами, не связывая напрямую их локальные электрические ссылки.

Это требование вытекает непосредственно из электрической структуры высоковольтного аккумуляторного блока.

Пакеты высоковольтных батарей создают несколько областей электрического потенциала

Высоковольтная батарея обычно создается путем последовательного соединения множества ячеек или модулей. Хотя это создает необходимое напряжение батареи, это также означает, что разные части батареи имеют разные электрические потенциалы относительно земли системы.

Схема мониторинга, подключенная к группе ячеек в нижней части стопки, может работать вблизи нижнего потенциала батареи. Другая схема контроля, расположенная гораздо выше в последовательной цепи, может иметь значительно более высокий потенциал.

С точки зрения измерения обе схемы могут выполнять схожие функции, такие как считывание напряжения ячейки, температуры или диагностической информации. Однако электрически они не привязаны к одному и тому же потенциалу.

Несколько областей электрического потенциала внутри батареи высокого напряжения

Это создает фундаментальную проблему проектирования BMS. Информация должна пройти через аккумуляторную батарею и в конечном итоге достичь центрального контроллера, но задействованная электроника может принадлежать к разным областям напряжения.

Поэтому во многих архитектурах BMS используются составные устройства мониторинга, изолированные последовательные интерфейсы, каналы с трансформаторной связью, изолированный CAN или другие методы для безопасного перемещения данных между доменами.

Оптоволокно — еще один вариант, когда сам путь связи должен оставаться электрически непроводящим.

Граница изоляции между электроникой на стороне батареи и низковольтными контроллерами

Самый важный момент заключается не в том, что аккумулятор является «высоковольтным» в общем смысле. Важным моментом является то, где один электрический домен должен сообщаться с другим.

Например, секция мониторинга батареи может плавать вместе с аккумуляторной батареей, в то время как центральный контроллер BMS работает от низковольтного источника питания, подключенного к шасси или земле управления.

Аналогично, аккумуляторная стойка, система преобразования энергии и диспетчерский контроллер могут иметь свои собственные области заземления и питания.

Всякий раз, когда линия связи пересекает одну из этих границ, интерфейс должен быть спроектирован таким образом, чтобы нормальная связь не становилась непреднамеренно путем прохождения синфазного тока или энергии повреждения.

В этом заключается роль гальванической развязки.

Откуда берутся различия в электромагнитных помехах и потенциале земли в системах хранения энергии?

Системы накопления энергии содержат больше, чем просто аккумуляторные элементы и контролирующую электронику. В их число также входят контакторы, шины постоянного тока, каскады постоянного/постоянного тока, оборудование PCS, инверторы, драйверы затворов, вспомогательные источники питания, системы охлаждения и внешние сети управления.

Многие из этих схем переключают значительное напряжение и ток с высокой скоростью.

Это создает электрически требовательную среду для связи.

Шум переключения PCS, разность потенциалов земли и помехи связи

Силовая электроника с быстрым переключением генерирует синфазный шум

PCS или инвертор работают за счет быстрого переключения полупроводниковых устройств, таких как IGBT или SiC MOSFET. Эти коммутационные переходы создают большие и быстрые изменения напряжения и тока.

В реальном оборудовании всегда присутствуют паразитные емкость и индуктивность.

При быстром изменении напряжения ток смещения может течь через паразитные емкости. При быстром изменении тока паразитные индуктивности могут создавать дополнительные помехи напряжения. В совокупности эти эффекты способствуют возникновению синфазного и дифференциального шума.

В результате не произойдет сбой в работе всех линий электрической связи. Правильно спроектированные CAN, RS-485, SPI и другие электрические интерфейсы могут надежно работать в суровых промышленных условиях.

Однако коммуникационный дизайнер должен учитывать несколько факторов одновременно:

• синфазное напряжение,

• заземление,

• экранирование,

• прокладка кабеля,

• прекращение,

• класс изоляции,

• транзиторный иммунитет,

• и физическое отделение от силовых проводников.

Эти эффекты особенно актуальны в схемах силовой электроники с быстрыми переходами напряжения и тока.

Разница потенциалов земли может стать частью проблемы связи

Два предмета оборудования не обязательно имеют одинаковый потенциал земли.

Батарейную стойку, шкаф PCS, панель управления или пульт дистанционного управления можно подключать через разные пути заземления. Большие токи, полное сопротивление кабеля, переходные процессы переключения или физическое разделение могут привести к разнице напряжений между номинальными точками заземления.

Если среда связи содержит проводящий путь между этими точками, часть этой разницы напряжений может появиться на интерфейсе связи.

Это одна из причин возникновения контуров заземления.

Медную систему связи по-прежнему можно изолировать с помощью изолированных приемопередатчиков или других устройств гальванической развязки. Таким образом, проблема заключается не просто в «меди против оптоволокна».

Разница в том, что оптоволоконный кабель вообще не обеспечивает электрический проводник между двумя конечными точками.

Что меняет изоляцию оптоволокна на физическом уровне?

Основная ценность оптоволоконной изоляции проста:среда связи не проводит электрический ток между двумя конечными точками.

Электрические данные преобразуются в свет на передатчике. Оптический сигнал проходит через волокно. На принимающей стороне свет преобразуется обратно в электрический сигнал.

Поскольку сам кабель непроводящий, передатчик и приемник могут работать в разных электрических областях без установления между ними металлического пути прохождения сигнала.

Медная связь против оптоволоконной изоляции

Волокно удаляет проводящий путь прохождения сигнала

В медной линии электрические сигналы зависят от соотношения напряжений или токов между проводниками.

В оптоволоконной линии информация передается оптически через сердцевину волокна.

Это физическое различие приводит к нескольким полезным последствиям.

Во-первых, волокно не создает гальванической связи между двумя электрическими доменами.

Во-вторых, ток заземления, передаваемый по кабелю, не может течь по оптическому пути.

В-третьих, электромагнитные поля не индуцируют сигнальное напряжение в волокне так, как это происходит в металлических проводниках.

Это делает оптические линии связи особенно привлекательными в системах коммутации высокого напряжения, сильных электромагнитных полях и электрически разделенных областях управления.

Почему это помогает при контурах заземления и синфазных помехах

Проблемы синфазного режима часто усложняются, когда приемник связи должен выдерживать разницу напряжений между его локальным электрическим опорным напряжением и опорным напряжением на стороне передатчика.

Оптоволокно меняет эту ситуацию, поскольку оптический кабель передает информацию, не требуя соединения двух электрических опорных точек.

Вместо того, чтобы проектировать кабельный интерфейс так, чтобы он выдерживал большое синфазное напряжение, разработчик может разделить электрические домены и передавать информацию только оптически.

Это может упростить изоляцию физически разделенного оборудования, особенно когда кабельная трасса проходит через зоны с электрическими помехами.

Однако оптический канал лишь изолирует путь связи.

Электроника передатчика, электроника приемника, источники питания, разводка печатной платы, пути утечки и зазоры, заземление, защита от перенапряжения и конструкция ЭМС должны быть спроектированы правильно.

Таким образом, оптоволокно не делает всю систему BMS или PCS невосприимчивой к электромагнитным помехам. Это удаляет один важный проводящий путь связи.

Оптоволокно не заменяет любой другой метод изоляции

Цифровые изоляторы, изолированные приемопередатчики CAN, изолированные интерфейсы RS-485, связь с трансформаторной связью, оптопары, а также емкостная или магнитная изоляция остаются приемлемыми инженерными вариантами.

Для короткой изоляции на уровне печатной платы эти подходы могут быть проще и экономичнее, чем установка оптического приемопередатчика и оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно становится более привлекательным, когда граница изоляции распространяется на физический участок кабеля, когда два домена физически разделены или когда маршрут связи проходит через среду с сильными электромагнитными помехами.

Правильная технология зависит от физического расположения изолирующего барьера и требований к каналу связи.

Где могут использоваться оптоволоконные каналы в системе BMS или архитектуре хранения энергии?

Оптоволокно не требует замены каждого канала связи внутри системы хранения энергии.

Его наибольшая роль обычно проявляется в местах, где электрическое разделение обеспечивает очевидную ценность на уровне системы.

Где оптоволоконные каналы подходят для BMS и архитектуры хранения энергии

Батарейная стойка или модуль связи

Внутри аккумуляторной стойки или шкафа можно использовать короткие оптические каналы между контроллерами или блоками мониторинга, когда требуется электрическая изоляция между секциями системы.

Это особенно актуально, когда электроника распределена по разным областям напряжения.

Требуемое расстояние может составлять всего несколько метров или несколько десятков метров, но линия связи все равно может выиграть от полного электрического разделения.

Для этих приложений компактные промышленные оптические каналы могут оказаться более подходящими, чем оптоволоконные сети дальней связи телекоммуникационного типа.

Система аккумуляторов к ПКС или центральному контроллеру

Еще одним важным местом является граница связи между аккумуляторной системой и PCS или диспетчерским контроллером.

Сторона батареи может содержать плавающую высоковольтную электронику контроля, а PCS содержит мощные переключающие ступени. Центральный контроллер может работать в отдельной низковольтной среде.

Если путь связи пересекает эти области, волокно может помешать самому сигнальному кабелю стать электрическим соединением между ними.

Таким образом, преимущество заключается не только в улучшении шумовых характеристик.

Более фундаментальным преимуществом является разделение электрических доменов.

Почему POF может хорошо работать для изолированных каналов BMS на короткие расстояния?

Пластиковое оптическое волокно, особенно POF с большой сердцевиной, используемое в промышленных приемопередатчиках видимого света, хорошо подходит для многих коротких внутренних оптических каналов.

Его роль отличается от роли оптоволокна дальней связи.

Короткие внутрисистемные каналы и каналы на уровне стойки

Промышленные системы POF обычно используются на расстояниях, измеряемых метрами или десятками метров.

Этот диапазон соответствует многим внутренним путям связи на уровне машины, шкафа, стойки и оборудования.

В системе хранения энергии это может включать связь между:

• отдельные платы контроллера,

• аккумуляторные стойки,

• местные подразделения мониторинга,

• шкафы управления,

• или изолированные интерфейсы между высоковольтными и низковольтными секциями.

Не существует единого универсального максимального расстояния для POF.

Фактическое достижимое расстояние зависит от всей оптической линии связи, включая выходную мощность передатчика, чувствительность приемника, скорость передачи данных, затухание волокна, потери в разъеме, рабочую температуру, качество установки и требуемый расчетный запас.

По этой причине POF следует рассматривать какпромышленная оптическая платформа ближнего действия, а не как тип волокна с одним фиксированным пределом расстояния.

Оптоволокно с большой сердцевиной, вопросы подключения и установки

Одной из практических характеристик промышленного POF является его относительно большой оптический сердечник.

Большой сердечник может упростить выравнивание и оконцевание в подходящих системах разъемов, что полезно для оптических каналов на уровне оборудования, где важны практичность сборки и удобство обслуживания.

Это может быть полезно в промышленном оборудовании, где оптический канал необходимо собирать, заменять или обслуживать без сложных процедур обработки оптоволокна.

Окончательная конструкция кабеля по-прежнему имеет значение.

Материал оболочки, номинальная температура, характеристики изгиба, прочность на разрыв, конструкция разъема, характеристики воспламенения и долговременная механическая стабильность — все это может повлиять на надежность.

Само волокно является лишь частью готового канала связи.

Когда следует использовать HCS или стекловолокно вместо POF?

POF полезен, но не является правильным выбором для каждого оптического канала.

По мере увеличения требований к расстоянию, температуре, пропускной способности или окружающей среде другие типы волокон могут обеспечить больший запас.

Когда HCS обеспечивает больший запас связи или расстояние

В твердом кремнеземе, или HCS, используется оптическая сердцевина из диоксида кремния со структурой полимерной оболочки.

По сравнению с типичным POF с большим ядром HCS обычно обеспечивает более низкое оптическое затухание и может поддерживать более длинные промышленные соединения с совместимыми трансиверами.

Это делает HCS полезным, когда приложение по-прежнему использует надежную промышленную оптическую архитектуру, но требует большего расстояния передачи или дополнительного оптического запаса.

В некоторых семействах промышленных трансиверов одна и та же общая коммуникационная платформа может поддерживать более короткие каналы POF и значительно более длинные каналы HCS.

Точное расстояние зависит от трансивера.

Температурные возможности также важны. Некоторые конструкции HCS могут поддерживать более широкий рабочий диапазон, чем типичные конструкции кабелей POF, что делает их подходящими для более требовательных условий эксплуатации оборудования.

Когда обычное стекловолокно становится более подходящим

Стандартное стеклянное многомодовое или одномодовое волокно становится более актуальным, когда требования к связи выходят за рамки внутренней изоляции линии оборудования.

Типичные причины включают в себя:

• большее расстояние передачи,

• более высокая пропускная способность,

• стандартизированные Ethernet или сетевые интерфейсы,

• интеграция с существующей LC, SC, ST или аналогичной инфраструктурой,

• или связь между шкафами, комнатами или объектами, а не внутри одного оборудования.

Это создает полезное инженерное различие.

POF часто привлекателен для коротких внутренних производственных связей.

HCS обеспечивает золотую середину там, где требуется больший радиус действия или дополнительный экологический запас.

Традиционное оптоволокно становится более подходящим, когда система начинает напоминать промышленную сеть, а не внутренний изолированный канал управления.

Как инженерам следует выбирать оптоволокно для изоляции канала хранения энергии?

Выбор волокна следует начинать с полного удовлетворения требований к связи, а не только с материала волокна.

Инженерные факторы при выборе оптоволоконной изоляции

Расстояние и бюджет оптической линии связи

Расстояние никогда не следует оценивать только по затуханию волокна.

Работа оптического канала зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, потерь в разъемах, соединений или интерфейсов, температурных эффектов, старения и технических запасов.

Волокно с меньшим затуханием может поддерживать более длинный канал, но только если пара приемопередатчиков рассчитана на работу с этим волокном.

Скорость передачи данных и совместимость трансивера

Требуемая скорость связи должна соответствовать оптическому передатчику и приемнику.

Короткое волокно не означает автоматически, что любая комбинация трансиверов будет работать.

Длина волны передатчика, чувствительность приемника, тип волокна, геометрия разъема и скорость передачи данных должны образовывать совместимую систему.

Температура и условия окружающей среды

Рабочую температуру волокна не следует рассматривать самостоятельно.

Полная линия связи включает в себя оптоволокно, оболочку кабеля, разъем, передатчик, приемник и окружающую электронику.

Если один компонент имеет более низкий допустимый диапазон температур, чем другие, этот компонент может стать ограничивающим фактором для всей линии связи.

Разъемы, подключение и обслуживание

Выбор разъема влияет не только на вносимые потери.

Это также влияет на скорость установки, процедуры технического обслуживания, удобство эксплуатации, механическое удержание, повторяемость и чувствительность к загрязнению.

Для оборудования, которое может обслуживаться в полевых условиях, эти практические факторы могут быть столь же важны, как и номинальные оптические характеристики.

Запас надежности на протяжении всего срока службы

Связь, которая работает в прототипе при комнатной температуре, автоматически не является надежной производственной конструкцией.

Оптический бюджет должен включать достаточный запас для:

• вариация компонентов,

• перепады температур,

• потеря разъема,

• старение,

• изгиб,

• загрязнение,

• и допуск на установку.

Это особенно важно в системах хранения энергии, рассчитанных на длительный срок эксплуатации.

POF против HCS против обычного стекловолокна для изоляции накопителей энергии

POF, HCS и обычное стекловолокно для промышленной изоляции Lin

Эти категории не следует рассматривать как жесткие границы.

Правильный выбор зависит от всей оптической архитектуры, а не только от материала волокна.

Инженерный вывод

В системах хранения энергии не используется оптоволокно просто потому, что оптоволокно быстрое или потому что батареи имеют высокое напряжение.

Настоящая причина более фундаментальна.

BMS, высоковольтная аккумуляторная система, PCS и диспетчерский контроллер могут содержать несколько областей электрического потенциала. Когда информация должна пересекать эти домены, путь связи должен быть спроектирован таким образом, чтобы он непреднамеренно не создавал проводящих соединений, путей заземления или проблем синфазных помех.

Оптоволокно решает эту конкретную проблему физического уровня, передавая информацию оптически, а не электрически.

Для коротких линий внутренней изоляции POF может быть практичным решением, поскольку он сочетает в себе гальваническую развязку с промышленным оптическим интерфейсом с большим сердечником.

Там, где требования к расстоянию, температуре, оптическому запасу или полосе пропускания возрастают, более подходящим может оказаться HCS или обычное стекловолокно.

Поэтому правильный выбор начинается с четырех вопросов:

Где граница изоляции? Какое расстояние должен пройти сигнал? В какой среде должна выжить ссылка? А какой запас надежности необходим в течение срока службы системы?

Эти вопросы определяют, необходимо ли волокно, и если да, то какой тип волокна имеет инженерный смысл.

Часто задаваемые вопросы

Зачем BMS необходима электрическая изоляция?

BMS может включать в себя схемы, работающие при разных электрических потенциалах, особенно в блоках высоковольтных батарей. Изоляция позволяет информации мониторинга и управления пересекать эти домены, не создавая между ними нежелательных проводящих путей.

Зачем использовать оптоволокно вместо медной связи в высоковольтной BMS?

Волокно не обеспечивает металлический электрический путь между передатчиком и приемником. Это позволяет устранить контуры заземления, создаваемые кабелем, и снизить подверженность канала связи синфазным помехам. Медные каналы также можно изолировать, но для этого требуется метод электрической изоляции на интерфейсе.

Можно ли использовать пластиковое оптоволокно для связи BMS?

Да. POF может подойти для коротких внутренних каналов связи BMS или накопителей энергии, где важны гальваническая развязка и пониженная восприимчивость к электромагнитным помехам. Практическое расстояние зависит от передатчика, приемника, скорости передачи данных, температуры, затухания волокна, разъемов и бюджета оптической линии.

Когда следует использовать HCS вместо POF?

HCS может быть предпочтительнее, когда требуемое расстояние или оптический запас превышает то, что может обеспечить канал POF, или когда рабочая среда требует конструкции волокна с более широкими температурными или механическими характеристиками.

Устраняет ли волоконно-оптическая связь проблемы электромагнитных помех в системе хранения энергии?

Нет. Оптоволокно удаляет токопроводящие пути из кабеля связи и предотвращает возникновение электромагнитных помех в самой оптической среде, как это делают металлические проводники. Электронные схемы на обоих концах по-прежнему могут подвергаться воздействию электромагнитных помех, поэтому расположение печатной платы, заземление, экранирование, изоляция питания и конструкция защиты остаются необходимыми.

Что должны проверять инженеры при выборе оптоволокна для связи BMS-PCS?

Основными факторами являются расстояние связи, скорость передачи данных, бюджет оптической линии, рабочая температура, разъем и метод подключения, механическая среда, граница изоляции и долгосрочный запас надежности. Полную линию следует оценивать как систему, а не выбирать волокно отдельно.