Systém správy batérií (bms) pre elektrické vozidlá

V dňoch 7. ^-tého januára 2013, Boeing 787 letov bolo zaparkované na údržbu, počas tej mechanik všimol plameňov a dymu vychádzajúce z pomocnej energetickej jednotky (lítiové batérie) letu, ktorý sa používa na napájanie elektronických letových systémov. Úsilie bola prijatá uhasiť oheň off, ale po 10 dňoch pred týmto problému by mohol byť vyriešený, 16. ^ročník januára došlo k ďalšiemu zlyhaniu batérie na 787 rokov prevádzkovaný All Nippon Airways, ktorý spôsobil núdzové pristátie na japonskom letisku. Tieto dve časté katastrofické poruchy batérie spôsobili, že let Boeingu 787 Dreamliners bol na neurčito uzemnený, čo poškodilo reputáciu výrobcu a spôsobilo obrovské finančné straty.

Po sérii spoločných vyšetrovaní zo strany USA a Japonska prešla lítiová batéria B-787 CT skenom a odhalila, že jeden z ôsmich lítium-iónových článkov bol poškodený, čo spôsobilo skrat, ktorý spustil tepelný únik ohňom. Tejto udalosti sa dalo ľahko vyhnúť, ak bol systém správy batérií Li-ion akumulátora navrhnutý tak, aby detekoval / predchádzal skratom. Po niekoľkých konštrukčných zmenách a bezpečnostných predpisoch začal B-787 opäť lietať, incident však stále zostáva ako dôkaz, ktorý dokazuje, ako nebezpečné lítiové batérie môžu dostať, ak sa s nimi nebude zaobchádzať správne.

Rýchly posun vpred o 15 rokov, dnes máme elektrické autá, ktoré používajú rovnaké lítium-iónové batérie, ktoré sú zabalené v stovkách, ak nie v tisícoch. Tieto mohutné akumulátory s napätím okolo 300 V sedia v automobile a počas prevádzky napájajú prúdom až 300 A (hrubé čísla). Akákoľvek nehoda by tu skončila veľkým nešťastím, a preto je v EV vždy kladený dôraz na systém správy batérií. V tomto článku sa teda dozvieme viac o tomto systéme správy batérií (BMS), ktorý si rozdelíme, aby sme lepšie porozumeli jeho dizajnu a funkciám. Pretože batérie a BMS spolu úzko súvisia, odporúčame vám prečítať si naše predchádzajúce články o elektrických vozidlách a batériách EV.

Prečo potrebujeme systém správy batérií (BMS)?

Lítium-iónové batérie sa osvedčili ako batérie zaujímavé pre výrobcov elektrických vozidiel kvôli vysokej hustote nabitia a nízkej hmotnosti. Napriek tomu, že sú tieto batérie svojou veľkosťou veľmi výrazné, sú v prírode veľmi nestabilné. Je veľmi dôležité, aby tieto batérie neboli nikdy nadmerne nabité alebo vybité za žiadnych okolností, ktoré by vyžadovali sledovanie ich napätia a prúdu. Tento proces je o niečo ťažší, pretože existuje veľa článkov zostavených na vytvorenie akumulátora v EV a každý článok by mal byť individuálne monitorovaný z hľadiska bezpečnosti a efektívnej prevádzky, čo si vyžaduje špeciálny vyhradený systém s názvom Systém správy batérií.. Aby sme z akumulátora dosiahli maximálnu účinnosť, mali by sme úplne nabiť a vybiť všetky články súčasne pri rovnakom napätí, ktoré opäť vyžaduje BMS. Okrem toho je BMS zodpovedná za mnoho ďalších funkcií, o ktorých sa bude diskutovať nižšie.

Aspekty návrhu systému správy batérie (BMS)

Pri navrhovaní BMS je potrebné brať do úvahy veľa faktorov. Kompletné úvahy závisia od presnej konečnej aplikácie, v ktorej sa BMS použije. Okrem EV sa BMS používajú aj všade tam, kde je zapojená lítiová batéria, ako napríklad solárne panely, veterné mlyny, elektrické steny atď. Bez ohľadu na použitie by návrh BMS mal brať do úvahy všetky alebo mnohé z nasledujúcich faktorov.

Kontrola vybíjania: Primárnou funkciou systému BMS je udržiavať lítiové články v bezpečnej prevádzkovej oblasti. Napríklad typický lítiový článok 18650 bude mať podpätie okolo 3V. Je zodpovednosťou BMS zaistiť, aby sa žiadny z článkov v balení nevybíjal pod 3 V.

Kontrola nabíjania: Okrem vybíjania by mal byť proces nabíjania monitorovaný aj BMS. Väčšina batérií sa pri nesprávnom nabití zvyčajne poškodí alebo zníži ich životnosť. Pre nabíjačku lítiových batérií sa používa dvojstupňová nabíjačka. Prvá fáza sa nazýva konštantný prúd (CC), počas ktorého nabíjač výstupom konštantného prúdu pre nabíjanie batérie. Keď sa batéria takmer úplne nabije, druhý stupeň nazývaný konštantné napätie (CV)sa používa stupeň, počas ktorého sa do batérie dodáva konštantné napätie pri veľmi malom prúde. BMS by sa mala ubezpečiť, že napätie aj prúd počas nabíjania neprekračujú priepustné limity, aby nedošlo k nadmernému nabitiu alebo rýchlemu nabitiu batérií. Maximálne prípustné nabíjacie napätie a nabíjací prúd nájdete v údajovom liste batérie.

Stanovenie stavu nabitia (SOC): SOC si môžete predstaviť ako indikátor paliva v EV. V skutočnosti nám udáva kapacitu batérie v percentách. Rovnako ako ten v našom mobilnom telefóne. Ale nie je to také ľahké, ako to znie. Na predpovedanie kapacity batérie by sa malo vždy monitorovať napätie a nabíjací / vybíjací prúd batérie. Len čo sa zmeria napätie a prúd, existuje veľa algoritmov, ktoré možno použiť na výpočet SOC batérie. Najbežnejšie používanou metódou je metóda počítania coulombov; o tom si viac povieme neskôr v článku. Meranie hodnôt a výpočet SOC je tiež zodpovednosťou BMS.

Stanovenie zdravotného stavu (SOC): Kapacita batérie závisí nielen od jej napätia a prúdového profilu, ale aj od jej veku a prevádzkovej teploty. Meranie SOH nám hovorí o veku a očakávanom životnom cykle batérie na základe jej histórie používania. Takto môžeme vedieť, o koľko sa zníži počet kilometrov (vzdialenosť po úplnom nabití) EV, keď batéria starne, a tiež môžeme vedieť, kedy by sa mala batéria vymeniť. Hodnota SOH by mala byť tiež vypočítaná a udržiavaná BMS v obraze.

Bunkové vyváženie: Ďalšou dôležitou funkciou BMS je udržiavanie bunkovej rovnováhy. Napríklad v sérii 4 článkov zapojených do série by malo byť napätie všetkých štyroch článkov vždy rovnaké. Ak je v jednom článku napätie menšie alebo vysoké ako druhé, ovplyvní to celé balenie, napríklad ak má jeden článok napätie 3,5 V, zatiaľ čo ostatné tri majú napätie 4V. Počas nabíjania tieto tri články dosiahnu 4,2 V, zatiaľ čo druhý by práve dosiahol 3,7 V. Podobne bude tento článok ako prvý vybitý na 3 V pred ostatnými tromi. Týmto spôsobom, pretože z tohto jediného článku nie je možné využiť všetky ostatné články v balení na maximum, je možné tak ohroziť účinnosť.

Na riešenie tohto problému musí BMS implementovať niečo, čo sa nazýva vyvažovanie buniek. Existuje mnoho typov techník vyvažovania buniek, ale bežne používané sú vyvažovanie buniek aktívnym a pasívnym typom. Pri pasívnom vyvažovaní sa predpokladá, že články s nadmerným napätím budú nútené vybíjať sa cez odpor podobný odporu, aby dosiahli hodnotu napätia ostatných článkov. Počas aktívneho vyváženia sa silnejšie články použijú na nabitie slabších článkov, aby sa vyrovnal ich potenciál. Viac o vyvážení buniek sa dozvieme neskôr v inom článku.

Tepelná kontrola: Životnosť a účinnosť lítiovej batérie veľmi závisí od prevádzkovej teploty. Batérií sa vybiť rýchlejšie v horúcom prostredí v porovnaní s normálnou izbovej teploty. Ak by sa k tomu pridala spotreba vysokého prúdu, teplota by sa ešte zvýšila. Vyžaduje si to tepelný systém (väčšinou olej) v batérii. Tento tepelný systém by mal byť schopný iba znížiť teplotu, ale v prípade potreby by mal byť schopný aj zvýšiť teplotu v chladnom podnebí. BMS je zodpovedný za meranie teploty jednotlivých článkov a podľa toho riadi tepelný systém tak, aby udržiaval celkovú teplotu akumulátora.

Napájanie zo samotnej batérie: Jediným zdrojom napájania dostupným v EV je samotná batéria. Systém BMS by mal byť navrhnutý tak, aby bol napájaný rovnakou batériou, ktorú má chrániť a udržiavať. Môže to znieť jednoducho, ale zvyšuje to obtiažnosť návrhu systému BMS.

Menej ideálny výkon: Systém BMS by mal byť aktívny a bežiaci, aj keď je auto v prevádzke alebo sa nabíja, alebo v ideálnom režime. Vďaka tomu bude obvod BMS napájaný nepretržite, a preto je nevyhnutné, aby BMS spotreboval oveľa menej energie, aby sa batéria veľmi nevybíjala. Ak zostane EV nenabitý niekoľko týždňov alebo mesiacov, BMS a ďalšie obvody majú tendenciu samy vybiť batériu a nakoniec je potrebné ich pred ďalším použitím zalomiť alebo nabiť. Tento problém stále zostáva bežný dokonca aj u populárnych automobilov, ako je Tesla.

Galvanická izolácia: Systém BMS funguje ako most medzi batériou a ECU EV. Všetky informácie zhromaždené BMS sa musia odoslať do ECU, aby sa mohli zobraziť na prístrojovom paneli alebo na prístrojovej doske. Takže BMS a ECU by mali nepretržite komunikovať väčšinou prostredníctvom štandardného protokolu, ako je komunikácia CAN alebo zbernica LIN. Konštrukcia BMS by mala byť schopná poskytnúť galvanické oddelenie medzi batériou a ECU.

Protokolovanie dát: Pre BMS je dôležité mať veľkú pamäťovú banku, pretože musí ukladať veľa dát. Hodnoty ako SOH pre zdravie sa dajú vypočítať, iba ak je známa história nabíjania batérie. Preto musí BMS sledovať nabíjacie cykly a čas nabíjania batérie od dátumu inštalácie a podľa potreby tieto údaje prerušiť. To tiež pomáha pri poskytovaní popredajného servisu alebo pri analýze problému s EV pre inžinierov.

Presnosť: Keď sa článok nabíja alebo vybíja, napätie na ňom sa zvyšuje alebo klesá postupne. Krivka vybíjania (napätie vs. čas) lítiovej batérie má bohužiaľ ploché oblasti, takže zmena napätia je veľmi malá. Túto zmenu je potrebné merať presne, aby sa mohla vypočítať hodnota SOC alebo aby sa mohla použiť na vyvažovanie buniek. Dobre navrhnutý BMS môže mať presnosť až ± 0,2 mV, ale minimálna presnosť by mala byť 1 mV - 2 mV. Spravidla sa v procese používa 16-bitový ADC.

Rýchlosť spracovania: BMS elektromobilu musí pre výpočet hodnoty SOC, SOH atď. Urobiť veľké množstvo problémov. Existuje veľa algoritmov, ako to urobiť, a niektoré dokonca na dokončenie úlohy používajú strojové učenie. Toto robí z BMS zariadenie náročné na spracovanie. Okrem toho musí tiež merať napätie článkov na stovkách článkov a takmer okamžite zaznamenať jemné zmeny.

Stavebné bloky BMS

Na trhu existuje veľa rôznych typov BMS, môžete si ich navrhnúť sami alebo si kúpiť integrovaný integrovaný obvod, ktorý je ľahko dostupný. Z hľadiska štruktúry hardvéru existujú iba tri typy BMS založené na jeho topológii, sú to Centralizované BMS, distribuované BMS a Modulárne BMS. Funkcia týchto BMS je však podobná. Všeobecný systém správy batérií je zobrazený nižšie.

Získavanie údajov BMS

Poďme analyzovať vyššie uvedený funkčný blok z jeho jadra. Primárnou funkciou systému BMS je monitorovať batériu, pri ktorej je potrebné merať tri dôležité parametre, ako je napätie, prúd a teplota z každého článku v batérii.. Vieme, že batérie sú tvorené spojením mnohých článkov v sérii alebo v paralelnej konfigurácii, podobne ako Tesla má 8 256 článkov, v ktorých je 96 článkov zapojených do série a 86 je zapojených paralelne, aby vytvorili balíček. Ak je sada článkov zapojená do série, potom musíme merať napätie na každej bunke, ale prúd pre celú sadu bude rovnaký, pretože prúd bude rovnaký v sériovom obvode. Podobne, keď je sada článkov pripojená paralelne, musíme merať iba celé napätie, pretože napätie v každej bunke bude rovnaké, ak je zapojené paralelne. Na nasledujúcom obrázku je znázornená sada článkov zapojených do série. Môžete si všimnúť, že sa merajú napätie a teplota pre jednotlivé články a prúd balenia sa meria ako celok.

"Ako merať napätie článkov v BMS?"

Pretože typický elektromobil má veľké množstvo článkov prepojených dohromady, je trochu náročné merať napätie jednotlivých článkov akumulátora. Ale iba ak poznáme individuálne napätie článku, môžeme vykonať vyváženie buniek a poskytnúť ich ochranu. Na čítanie hodnoty napätia článku sa používa ADC. Zložitosť je však veľká, pretože batérie sú zapojené do série. To znamená, že svorky, cez ktoré sa meria napätie, sa musia zakaždým zmeniť. Existuje mnoho spôsobov, ako to urobiť, vrátane relé, muxov atď. Okrem toho existuje aj niekoľko integrovaných obvodov na správu batérií, ako napríklad MAX14920, ktoré sa dajú použiť na meranie napätia jednotlivých článkov viacerých článkov (12-16) zapojených do série.

"Ako merať teplotu bunky pre BMS?"

Okrem teploty článkov musí BMS niekedy merať aj teplotu zbernice a teplotu motora, pretože všetko funguje na vysokom prúde. Najbežnejší prvok používaný na meranie teploty sa nazýva NTC, čo znamená Negative temperature Co-efficient (NTC). Je to podobný odpor, ale mení (znižuje) svoj odpor na základe teploty v okolí. Meraním napätia na tomto prístroji a pomocou jednoduchého ohmovho zákona môžeme vypočítať odpor, a tým aj teplotu.

Multiplexovaný analógový front-end (AFE) na meranie napätia a teploty článkov

Meranie napätia článku môže byť zložité, pretože si vyžaduje vysokú presnosť a môže tiež spôsobiť vstrekovanie spínacích zvukov z multiplexora, okrem toho je každý článok pripojený k rezistoru prostredníctvom prepínača na vyvažovanie článkov. Na prekonanie týchto problémov sa používa predný integrovaný obvod AFE. AFE má vstavaný Mux, buffer a ADC modul s vysokou presnosťou. Môže ľahko merať napätie a teplotu v bežnom režime a prenášať informácie do hlavného mikrokontroléra.

"Ako merať prúd balenia pre BMS?"

Batéria EV môže napájať veľkú hodnotu prúdu až 250 A alebo dokonca vysokú, okrem toho musíme tiež merať prúd každého modulu v balení, aby sme sa uistili, že je záťaž rozložená rovnomerne. Pri navrhovaní snímacieho prvku prúdu musíme zabezpečiť aj izoláciu medzi meracím a snímacím zariadením. Najbežnejšie používanou metódou na snímanie prúdu sú Shuntova metóda a metóda založená na Hallovom senzore. Obidve metódy majú svoje klady a zápory. Predchádzajúce posunovacie metódy sa považovali za menej presné, ale vzhľadom na nedávnu dostupnosť vysoko presných posunovacích návrhov s izolovanými zosilňovačmi a modulátormi sú uprednostňované skôr ako metóda založená na Hallovom senzore.

Odhad stavu batérie

Hlavná výpočtová sila systému BMS je určená na odhad stavu batérie. Zahŕňa to meranie SOC a SOH. SOC možno vypočítať pomocou napätia, prúdu, nabíjacieho profilu a vybíjacieho profilu článku. SOH možno vypočítať pomocou počtu nabíjacích cyklov a výkonu batérie.

"Ako merať SOC batérie?"

Existuje veľa algoritmov na meranie SOC batérie, z ktorých každý má svoje vlastné vstupné hodnoty. Najčastejšie používanou metódou pre SOC je metóda Coulomb Counting aka metóda vedenia účtov. Budeme diskutovať