Systém správy baterií (bms) pro elektrická vozidla

Ve dnech 7. ^-tého ledna 2013, Boeing 787 letů bylo zaparkováno na údržbu, během té mechanik všiml plamenů a kouře vycházející z pomocné energetické jednotky (lithiové baterie) letu, který se používá k napájení elektronických letových systémů. Úsilí byla přijata uhasit oheň off, ale po 10 dnech před tímto problému by mohl být vyřešen, 16. ^ročník ledna došlo k dalšímu selhání baterie na 787 let provozovaný All Nippon Airways, který způsobil nouzové přistání na japonském letišti. Tyto dvě časté katastrofické poruchy baterie způsobily, že let Boeingu 787 Dreamliners byl neomezeně uzemněn, což poškodilo reputaci výrobce a způsobilo obrovské finanční ztráty.

Po sérii společného vyšetřování ze strany USA a Japonska prošla lithiová baterie B-787 CT skenem a odhalila, že jeden z osmi Li-iontových článků byl poškozen, což způsobilo zkrat, který spustil tepelný únik ohněm. Této události by se dalo snadno zabránit, kdyby byl systém správy baterií Li-ion baterie navržen tak, aby detekoval / zabránil zkratům. Po několika konstrukčních změnách a bezpečnostních předpisech začal B-787 znovu létat, ale incident stále zůstává jako důkaz, který dokazuje, jak nebezpečné lithiové baterie mohou být, pokud nebudou správně zacházeny.

Rychle vpřed 15 let dnes máme elektromobily, které používají stejné Li-ion baterie, které jsou zabaleny do stovek, ne-li tisíců. Tyto masivní baterie s napětím kolem 300 V sedí v autě a během provozu dodávají proud až 300 A (hrubá čísla). Jakákoli nehoda by zde skončila velkou katastrofou, a proto je systém správy baterie v EV vždy kladen důraz. V tomto článku se tedy dozvíme více o tomto systému správy baterií (BMS) a rozdělíme se, abychom porozuměli jeho designu a funkcím, abychom mu porozuměli mnohem lépe. Vzhledem k tomu, že baterie a BMS spolu úzce souvisejí, doporučujeme vám projít si naše předchozí články o elektrických vozidlech a bateriích EV.

Proč potřebujeme systém správy baterie (BMS)?

Lithium-iontové baterie se ukázaly jako baterie zajímavá pro výrobce elektrických vozidel kvůli vysoké hustotě nabití a nízké hmotnosti. Přestože jsou tyto baterie kvůli své velikosti velmi silné, jsou v přírodě velmi nestabilní. Je velmi důležité, aby tyto baterie nikdy nebyly přebíjeny nebo vybíjeny za žádných okolností, které by vedly k potřebě monitorovat jejich napětí a proud. Tento proces je o něco těžší, protože existuje mnoho článků dohromady, aby vytvořily baterii v EV a každý článek by měl být individuálně monitorován z hlediska bezpečnosti a efektivního provozu, který vyžaduje speciální vyhrazený systém zvaný Systém správy baterií. Abychom z akumulátoru získali maximální účinnost, měli bychom úplně nabít a vybít všechny články současně při stejném napětí, které opět vyžaduje BMS. Kromě toho je BMS odpovědná za mnoho dalších funkcí, které budou popsány níže.

Aspekty návrhu systému správy baterie (BMS)

Při navrhování BMS je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů. Úplné úvahy závisí na přesné konečné aplikaci, ve které bude BMS použit. Kromě EV se BMS používají také všude tam, kde se jedná o lithiovou baterii, jako je solární panel, větrné mlýny, elektrické stěny atd. Bez ohledu na použití by návrh BMS měl zohlednit všechny nebo mnoho z následujících faktorů.

Kontrola vybíjení: Primární funkcí BMS je udržovat lithiové články v bezpečné provozní oblasti. Například typický lithiový článek 18650 bude mít podpětí přibližně 3V. Je odpovědností BMS zajistit, aby se žádný z článků v baterii nevybíjel pod 3V.

Řízení nabíjení: Kromě vybíjení by měl být proces nabíjení monitorován také BMS. Většina baterií má tendenci se při nesprávném nabíjení poškozovat nebo snižovat jejich životnost. U nabíječky lithiových baterií se používá dvoustupňová nabíječka. První fáze se nazývá konstantní proud (CC), během kterého nabíječ výstupem konstantního proudu pro nabíjení baterie. Když se baterie téměř nabije, druhý stupeň zvaný Constant Voltage (CV)používá se stupeň, během kterého je do baterie dodáváno konstantní napětí při velmi malém proudu. BMS by se měl ujistit, že napětí i proud během nabíjení nepřekračují propustné limity, aby nedošlo k přebití nebo rychlému nabití baterií. Maximální přípustné nabíjecí napětí a nabíjecí proud naleznete v datovém listu baterie.

Stanovení stavu nabití (SOC): SOC si můžete představit jako indikátor paliva EV. Ve skutečnosti nám říká kapacitu baterie v procentech. Stejně jako ten v našem mobilním telefonu. Ale není to tak snadné, jak to zní. Napětí a nabíjecí / vybíjecí proud sady by měly být vždy sledovány, aby bylo možné předpovědět kapacitu baterie. Jakmile je změřeno napětí a proud, existuje spousta algoritmů, které lze použít k výpočtu SOC baterie. Nejběžněji používanou metodou je metoda počítání coulombů; budeme o tom diskutovat dále v článku. Měření hodnot a výpočet SOC je také odpovědností BMS.

Stanovení zdravotního stavu (SOC): Kapacita baterie závisí nejen na jejím napěťovém a proudovém profilu, ale také na jejím stáří a provozní teplotě. Měření SOH nám říká o stáří a očekávaném životním cyklu baterie na základě její historie používání. Tímto způsobem můžeme vědět, kolik kilometrů (ujetá vzdálenost po úplném nabití) EV se snižuje s věkem baterie, a také můžeme vědět, kdy by měla být baterie vyměněna. SOH by měl být také vypočítán a BMS by jej měl sledovat.

Vyvažování buněk: Další důležitou funkcí BMS je udržování vyvážení buněk. Například v sadě 4 článků zapojených do série by napětí všech čtyř článků mělo být vždy stejné. Pokud je jeden článek menší nebo vyšší napětí než druhý, ovlivní to celé balení, řekněme, že pokud je jeden článek na 3,5 V, zatímco ostatní tři na 4V. Během nabíjení tyto tři články dosáhnou 4,2 V, zatímco druhý by právě dosáhl 3,7 V, podobně jako tento článek vybije první 3 V před ostatními třemi. Tímto způsobem kvůli této jediné buňce nelze použít všechny ostatní buňky v balíčku na maximální potenciál, což by ohrozilo účinnost.

K řešení tohoto problému musí BMS implementovat něco, co se nazývá vyvažování buněk. Existuje mnoho typů technik vyvažování buněk, ale běžně používané jsou vyvažování buněk aktivního a pasivního typu. Při pasivním vyvažování je myšlenka, že články s nadměrným napětím budou nuceny vybíjet přes odpor podobný odporu, aby dosáhly hodnoty napětí ostatních článků. Při aktivním vyvážení budou silnější články použity k nabití slabších buněk, aby se vyrovnal jejich potenciál. Více o vyvažování buněk se dozvíme později v jiném článku.

Tepelná regulace: Životnost a účinnost lithiové baterie výrazně závisí na provozní teplotě. Baterií se vybít rychleji v horkém prostředí ve srovnání s normální pokojové teploty. Přidáním tohoto by spotřeba vysokého proudu dále zvýšila teplotu. To vyžaduje tepelný systém (většinou olej) v baterii. Tento tepelný systém by měl být schopen pouze snížit teplotu, ale měl by být schopen v případě potřeby také zvýšit teplotu v chladném podnebí. BMS je zodpovědný za měření teploty jednotlivých článků a odpovídajícím způsobem řídí tepelný systém tak, aby udržoval celkovou teplotu akumulátoru.

Napájení ze samotné baterie: Jediným zdrojem energie dostupným v EV je samotná baterie. Takže BMS by měla být navržena tak, aby být poháněn stejným akumulátorem, který se má chránit a udržovat. Může to znít jednoduše, ale zvyšuje to obtížnost konstrukce BMS.

Méně ideální výkon: Systém BMS by měl být aktivní a funkční, i když je auto v provozu nebo se nabíjí nebo v ideálním režimu. Díky tomu bude obvod BMS napájen nepřetržitě, a proto je povinné, aby BMS spotřebovával velmi málo energie, aby se baterie příliš nevybíjela. Pokud je EV ponechán nenabitý několik týdnů nebo měsíců, BMS a další obvody mají tendenci samy vybíjet baterii a nakonec je nutné je před dalším použitím zalomit nebo nabít. Tento problém stále zůstává běžný dokonce i u populárních automobilů, jako je Tesla.

Galvanická izolace: Systém BMS funguje jako most mezi baterií a ECU EV. Všechny informace shromážděné BMS musí být odeslány do ECU, aby se zobrazily na sdruženém přístroji nebo na palubní desce. Takže BMS a ECU by měly nepřetržitě komunikovat nejvíce prostřednictvím standardního protokolu, jako je CAN komunikace nebo LIN sběrnice. Konstrukce BMS by měla být schopna zajistit galvanické oddělení mezi bateriovým modulem a ECU.

Protokolování dat: Pro BMS je důležité mít velkou paměťovou banku, protože musí ukládat velké množství dat. Hodnoty, jako je SOH pro zdraví, lze vypočítat, pouze pokud je známa historie nabíjení baterie. Takže BMS musí sledovat z nabíjecích cyklů Doba nabíjení akumulátoru od data instalace a přerušit tyto údaje v případě potřeby. To také pomáhá při poskytování poprodejního servisu nebo analýze problému s EV pro inženýry.

Přesnost: Při nabíjení nebo vybíjení článku se napětí na něm postupně zvyšuje nebo snižuje. Bohužel výbojová křivka (napětí vs. čas) lithiové baterie má ploché oblasti, takže změna napětí je velmi malá. Tuto změnu je třeba přesně změřit, aby bylo možné vypočítat hodnotu SOC nebo ji použít k vyvažování buněk. Dobře navržená BMS může mít přesnost až ± 0,2 mV, ale měla by mít minimálně přesnost 1 mV - 2 mV. Obvykle se v procesu používá 16bitový ADC.

Rychlost zpracování: BMS elektromobilu musí pro výpočet hodnoty SOC, SOH atd. Udělat velké množství problémů. Existuje mnoho algoritmů, jak toho dosáhnout, a některé dokonce k dokončení úkolu používají strojové učení. Díky tomu je BMS zpracovávající hladové zařízení. Kromě toho musí také měřit napětí článků napříč stovkami článků a téměř okamžitě zaznamenat jemné změny.

Stavební bloky BMS

Na trhu je k dispozici mnoho různých typů BMS, můžete si je buď navrhnout sami, nebo si koupit integrovaný integrovaný obvod, který je snadno dostupný. Z hlediska struktury hardwaru existují pouze tři typy BMS založené na jeho topologii, jsou to centralizované BMS, distribuované BMS a modulární BMS. Funkce těchto BMS je však podobná. Níže je uveden obecný systém správy baterie.

Sběr dat BMS

Pojďme analyzovat výše uvedený funkční blok z jeho jádra. Primární funkcí BMS je monitorovat baterii, u které potřebuje měřit tři důležité parametry, jako je napětí, proud a teplota z každého článku v baterii. Víme, že baterie jsou tvořeny spojením mnoha článků v sérii nebo v paralelní konfiguraci, stejně jako Tesla má 8 256 článků, ve kterých je 96 článků zapojeno do série a 86 je zapojeno paralelně, aby vytvořily balíček. Pokud je sada článků zapojena do série, musíme měřit napětí napříč každou buňkou, ale proud pro celou sadu bude stejný, protože proud bude stejný v sériovém obvodu. Podobně, když je sada článků připojena paralelně, musíme měřit pouze celé napětí, protože napětí v každé buňce bude stejné, pokud je připojeno paralelně. Níže uvedený obrázek ukazuje sadu článků zapojených do série, můžete si všimnout, že se měří napětí a teplota pro jednotlivé články a proud balení se měří jako celek.

"Jak měřit napětí článků v BMS?"

Vzhledem k tomu, že typický elektromobil má velký počet článků propojených dohromady, je trochu náročné měřit napětí jednotlivých článků akumulátoru. Ale pouze pokud známe napětí jednotlivých článků, můžeme provést vyvažování buněk a poskytnout ochranu buněk. Ke čtení hodnoty napětí článku se používá ADC. Složitost je ale velká, protože baterie jsou zapojeny do série. To znamená, že svorky, přes které se měří napětí, je třeba pokaždé změnit. Existuje mnoho způsobů, jak toho dosáhnout, včetně relé, muxů atd. Kromě toho existuje také několik integrovaných obvodů pro správu baterií, jako je MAX14920, které lze použít k měření napětí jednotlivých článků více článků (12-16) zapojených do série.

"Jak měřit teplotu buňky pro BMS?"

Kromě teploty článků musí BMS někdy měřit také teplotu sběrnice a teplotu motoru, protože vše funguje na vysokém proudu. Nejběžnější prvek používaný k měření teploty se nazývá NTC, což je zkratka pro Negative temperature Co-efficient (NTC). Je to podobný odpor, ale mění (snižuje) jeho odpor na základě teploty kolem něj. Měřením napětí na tomto zařízení a pomocí jednoduchého ohmového zákona můžeme vypočítat odpor, a tím i teplotu.

Multiplexovaný analogový front-end (AFE) pro měření napětí a teploty článků

Měření napětí článku může být složité, protože vyžaduje vysokou přesnost a může také přivádět spínací zvuky od multiplexeru, kromě toho je každý článek připojen k rezistoru přes přepínač pro vyvažování článku. K překonání těchto problémů se používá rozhraní AFE - Analog Front end IC. AFE má vestavěný Mux, buffer a ADC modul s vysokou přesností. Mohlo by snadno měřit napětí a teplotu v běžném režimu a přenášet informace do hlavního mikrokontroléru.

"Jak měřit proud balení pro BMS?"

Akumulátor EV může napájet velkou hodnotu proudu až 250 A nebo dokonce vysokou, kromě toho musíme také měřit proud každého modulu v balíčku, abychom zajistili rovnoměrné rozložení zátěže. Při navrhování prvku pro snímání proudu musíme také zajistit izolaci mezi měřicím a snímacím zařízením. Nejběžněji používanou metodou pro snímání proudu jsou metoda Shunt a metoda založená na Hallově senzoru. Obě metody mají své klady a zápory. Dřívější metody bočníku byly považovány za méně přesné, ale vzhledem k nedávné dostupnosti vysoce přesných návrhů bočníků s izolovanými zesilovači a modulátory jsou preferovány více než metoda založená na Hallově senzoru.

Odhad stavu baterie

Hlavní výpočetní výkon BMS je určen k odhadu stavu baterie. To zahrnuje měření SOC a SOH. SOC lze vypočítat pomocí napětí článku, proudu, profilu nabíjení a profilu vybití. SOH lze vypočítat pomocí počtu nabíjecích cyklů a výkonu baterie.

"Jak měřit SOC baterie?"

Existuje mnoho algoritmů pro měření SOC baterie, z nichž každý má své vlastní vstupní hodnoty. Nejčastěji používanou metodou pro SOC se nazývá Coulomb Counting aka metoda vedení knihy. Prodiskutujeme