Система за управление на батерията (bms) за електрически превозни средства

На 7 ^-ия януари 2013 г. с полет на Boeing 787 бил паркиран за поддръжка, по време, че механик забелязани пламъци и дим, идващ от спомагателен енергиен агрегат (литиева батерия Pack) на полета, който се използва за захранване на електронните системи за полетите. Усилията са взети да се сложи в огъня на разстояние, но по-късно от 10 дни преди този проблем може да бъде решен, на 16 ^-ти януари друга повреда на батерията се развива при 787 полет на All Nippon Airways, което е причинило аварийно кацане в японската летището. Тези две чести катастрофални повреди на батериите накараха полета на Boeing 787 Dreamliners да бъде заземен за неопределено време, което омаловажи репутацията на производителя, причинявайки огромни финансови загуби.

След поредица от съвместни разследвания от САЩ и Япония, литиевата батерия B-787 премина през CT сканиране и разкри, че една от осемте литиево-йонни клетки е повредена, причинявайки късо съединение, което предизвиква топлинен избягване с пожар. Този инцидент би могъл лесно да бъде избегнат, ако системата за управление на батерията на Li-ion батерията е проектирана да открива / предотвратява късо съединение. След някои промени в дизайна и разпоредбите за безопасност B-787 започна да лети отново, но все пак инцидентът остава като доказателство за това колко опасни литиеви батерии могат да получат, ако не се обработват правилно.

Бързо напред 15 години, днес имаме електрически автомобили, използващи същите литиево-йонни батерии, които са събрани на сто, ако не и хиляди. Тези масивни батерийни комплекти с напрежение около 300V седят в колата и доставят ток до 300A (груби цифри) по време на работа. Всяка злополука тук би довела до голямо бедствие, поради което системата за управление на батериите винаги е подчертана в EV. Така че в тази статия ще научим повече за тази система за управление на батериите (BMS) и ще разделим, за да разберем нейния дизайн и функции, за да я разберем много по-добре. Тъй като батериите и BMS са тясно свързани, препоръчително е да преминете през предишните ни статии за електрическите превозни средства и батериите на EV.

Защо се нуждаем от система за управление на батерията (BMS)?

Литиево-йонните батерии се оказаха батерията, интересуваща производителите на електрически превозни средства, поради високата си плътност на зареждане и ниското тегло. Въпреки че тези акумулатори се опаковат в много удари за размера си, те са силно нестабилни по природа. Много е важно тези батерии никога да не бъдат презаредени или разредени при каквито и да било обстоятелства, които водят до необходимост от наблюдение на неговото напрежение и ток. Този процес става малко по-труден, тъй като има много клетки, събрани заедно, за да образуват акумулаторна батерия в EV, и всяка клетка трябва да бъде индивидуално наблюдавана за нейната безопасност и ефективна работа, което изисква специална специализирана система, наречена Система за управление на батерията. Също така, за да постигнем максимална ефективност от батерия, трябва напълно да зареждаме и разреждаме всички клетки едновременно при същото напрежение, което отново изисква BMS. Освен това BMS носи отговорност за много други функции, които ще бъдат разгледани по-долу.

Съображения за проектиране на системата за управление на батерията (BMS)

Има много фактори, които трябва да се имат предвид при проектирането на BMS. Пълните съображения зависят от точното крайно приложение, в което ще се използва BMS. Освен BMS на EV се използват и навсякъде, където е включена литиева батерия, като соларни панели, вятърни мелници, електрически стени и др. Независимо от приложението, BMS дизайнът трябва да вземе предвид всички или много от следните фактори.

Контрол на разреждането: Основната функция на BMS е да поддържа литиевите клетки в безопасната работна зона. Например типична клетка от литий 18650 ще има номинал под напрежение около 3V. Отговорността на BMS е да се увери, че никоя от клетките в опаковката не се разрежда под 3V.

Контрол на зареждането: Освен разреждането процесът на зареждане трябва да се следи и от BMS. Повечето батерии са склонни да се повредят или да намалят живота си при неправилно зареждане. За зарядно устройство с литиева батерия се използва двустепенно зарядно устройство. На първия етап се нарича постоянен ток (НК), през който зарядното подава постоянен ток за зареждане на батерията. Когато батерията се напълни почти вторият етап, наречен Постоянно напрежение (CV)се използва етап, по време на който към батерията се подава постоянно напрежение при много нисък ток. BMS трябва да се увери, че както напрежението, така и токът по време на зареждане не надвишават пропускливите граници, за да не се зареждат или бързо зареждат батериите. Максимално допустимото напрежение на зареждане и токът на зареждане могат да бъдат намерени в листа с данни на батерията.

Определяне на състояние на зареждане (SOC): Можете да мислите за SOC като индикатор за гориво на EV. Всъщност ни казва капацитета на батерията на пакета в проценти. Точно като този в нашия мобилен телефон. Но това не е толкова лесно, колкото звучи. Напрежението и зарядът / разрядният ток на пакета трябва винаги да се следят, за да се предвиди капацитетът на батерията. След измерване на напрежението и тока има много алгоритми, които могат да се използват за изчисляване на SOC на батерията. Най-често използваният метод е методът за преброяване на кулоните; ще обсъдим повече за това по-нататък в статията. Измерването на стойностите и изчисляването на SOC също е отговорност на BMS.

Определяне на здравословното състояние (SOC): Капацитетът на батерията зависи не само от нейното напрежение и токов профил, но и от нейната възраст и работна температура. Измерването на SOH ни казва за възрастта и очаквания жизнен цикъл на батерията въз основа на нейната история на използване. По този начин можем да знаем колко пробегът (изминатото разстояние след пълно зареждане) на EV намалява с остаряването на батерията и също така можем да знаем кога батерията трябва да бъде заменена. SOH също трябва да се изчислява и да се следи от BMS.

Клетъчно балансиране: Друга жизненоважна функция на BMS е поддържането на балансиране на клетките. Например, в пакет от 4 клетки, свързани последователно, напрежението на всичките четири клетки винаги трябва да е равно. Ако едната клетка е с по-малко или високо напрежение от другата, това ще повлияе на цялата опаковка, кажете дали едната клетка е на 3,5 V, докато останалите три са на 4 V. По време на зареждането тези три клетки ще достигнат 4.2V, докато другата току-що е достигнала 3.7V, по същия начин тази клетка ще бъде първата, която се разрежда до 3V преди останалите три. По този начин, поради тази единична клетка, всички останали клетки в опаковката не могат да бъдат използвани с максималния си потенциал, като по този начин се компрометира ефективността.

За да се справи с този проблем, BMS трябва да приложи нещо, наречено балансиране на клетките. Има много видове техники за балансиране на клетките, но най-често използваните са активен и пасивен тип балансиране на клетките. При пасивното балансиране идеята е, че клетките с излишно напрежение ще бъдат принудително разредени през товар като резистор, за да достигнат стойността на напрежението на останалите клетки. По време на активното балансиране по-силните клетки ще бъдат използвани за зареждане на по-слабите клетки, за да изравнят своите потенциали. Ще научим повече за балансирането на клетките по-късно в друга статия.

Термично управление: Животът и ефективността на литиевата батерия зависи в голяма степен от работната температура. В батерията има тенденция да изпълни по-бързо в горещ климат в сравнение с нормални стайни температури. Добавяйки към това консумацията на силен ток допълнително би увеличила температурата. Това изисква термична система (предимно масло) в батерия. Тази термична система трябва да може само да понижава температурата, но също така да може да повишава температурата в студен климат, ако е необходимо. BMS е отговорен за измерването на индивидуалната температура на клетката и съответно контролира термичната система, за да поддържа общата температура на батерията.

Захранва се от самата батерия: Единственият източник на захранване в EV е самата батерия. Така че BMS трябва да бъде проектиран да се захранва от същата батерия, която трябва да защитава и поддържа. Това може да звучи просто, но увеличава трудността при проектирането на BMS.

По-малко идеална мощност: BMS трябва да е активен и работещ, дори ако колата работи или се зарежда или е в идеален режим. Това прави BMS веригата да се захранва непрекъснато и следователно е задължително BMS да консумира много по-малко енергия, за да не се изтощи много батерията. Когато EV остане незареден в продължение на седмици или месеци, BMS и другите схеми са склонни да изтощават батерията сами и в крайна сметка се изисква да бъдат завъртени или заредени преди следващата употреба. Този проблем все още остава често срещан дори при популярни автомобили като Tesla.

Галванична изолация: BMS действа като мост между батерията и ECU на EV. Цялата информация, събрана от BMS, трябва да бъде изпратена до ECU, за да се покаже на арматурното табло или на таблото. Така че BMS и ECU трябва непрекъснато да комуникират най-много чрез стандартния протокол като CAN комуникация или LIN шина. Дизайнът на BMS трябва да може да осигури галванична изолация между батерията и ECU.

Регистрация на данни: Важно е BMS да има голяма банка памет, тъй като трябва да съхранява много данни. Стойности като SOH за здравословно състояние могат да бъдат изчислени само ако е известна историята на зареждане на батерията. Така че BMS трябва да проследява циклите на зареждане и времето за зареждане на батерията от датата на инсталиране и да прекъсва тези данни, когато е необходимо. Това също помага за осигуряване на следпродажбено обслужване или за анализ на проблем с EV за инженерите.

Точност: Когато клетката се зарежда или разрежда, напрежението в нея нараства или намалява постепенно. За съжаление кривата на разреждане (Напрежение спрямо времето) на литиева батерия има плоски области, поради което промяната в напрежението е много по-малка. Тази промяна трябва да бъде измерена точно, за да се изчисли стойността на SOC или да се използва за балансиране на клетките. Добре проектираният BMS може да има точност до ± 0.2mV, но трябва да има минимална точност от 1mV-2mV. Обикновено в процеса се използва 16-битов ADC.

Скорост на обработка: BMS на EV трябва да направи много пресичане на числа, за да изчисли стойността на SOC, SOH и т.н. Има много алгоритми за това, а някои дори използват машинно обучение, за да изпълнят задачата. Това прави BMS устройство за гладно обработване. Освен това той също трябва да измери клетъчното напрежение в стотици клетки и да забележи едва забележимите промени почти веднага.

Изграждащи блокове на BMS

На пазара се предлагат много различни видове BMS, можете или да проектирате сами, или дори да закупите интегрирана интегрална схема, която е лесно достъпна. От гледна точка на хардуерната структура има само три вида BMS въз основа на неговата топология те са централизирани BMS, разпределени BMS и модулни BMS. Функцията на тези BMS обаче е сходна. По-долу е илюстрирана обща система за управление на батериите.

Придобиване на данни от BMS

Нека анализираме горния функционален блок от неговото ядро. Основната функция на BMS е да наблюдава батерията, за която трябва да измери три жизненоважни параметъра като напрежение, ток и температура от всяка клетка в батерията. Знаем, че батерийните пакети се формират чрез свързване на много клетки последователно или в паралелна конфигурация, като Tesla има 8 256 клетки, в които 96 клетки са свързани последователно, а 86 са свързани паралелно, за да образуват пакет. Ако набор от клетки са свързани последователно, тогава трябва да измерим напрежението във всяка клетка, но токът за целия комплект ще бъде еднакъв, тъй като токът ще бъде еднакъв в последователна верига. По същия начин, когато набор от клетки са свързани паралелно, ние трябва да измерваме само цялото напрежение, тъй като напрежението във всяка клетка ще бъде същото, когато е свързано паралелно. Изображението по-долу показва набор от клетки, свързани последователно, можете да забележите, че напрежението и температурата се измерват за отделни клетки и токът на пакета се измерва като цяло.

„Как да измерим напрежението на клетката в BMS?“

Тъй като типичният EV има голям брой клетки, свързани заедно, е малко трудно да се измери напрежението на отделните клетки на батерия. Но само ако знаем индивидуалното напрежение на клетката, можем да извършим балансиране на клетките и да осигурим клетъчна защита. За отчитане на стойността на напрежението на клетка се използва ADC. Но сложността е висока, тъй като батериите са свързани последователно. Това означава, че клемите, през които се измерва напрежението, трябва да се променят всеки път. Има много начини да направите това, като включите релета, мултиплекси и др. Освен това има и някои IC за управление на батерията като MAX14920, които могат да се използват за измерване на напреженията на отделни клетки на множество клетки (12-16), свързани последователно.

„Как да се измери клетъчната температура за BMS?“

Освен температурата на клетката, понякога BMS също трябва да измерва температурата на шината и температурата на двигателя, тъй като всичко работи при силен ток. Най-често срещаният елемент, използван за измерване на температурата, се нарича NTC, което означава Коефициент на отрицателна температура (NTC). Той е подобен на резистор, но променя (намалява) съпротивлението си в зависимост от температурата около него. Чрез измерване на напрежението в това устройство и с помощта на прост закон за ома можем да изчислим съпротивлението и по този начин температурата.

Мултиплексиран аналогов преден край (AFE) за измерване на напрежението и температурата на клетката

Измерването на напрежението на клетката може да се усложни, тъй като изисква висока точност и може също да инжектира превключващи шумове от мултиплекс, освен това всяка клетка е свързана към резистор чрез превключвател за балансиране на клетките. За преодоляване на тези проблеми се използва AFE - аналогова предна част IC. AFE има вграден Mux, буфер и ADC модул с висока точност. Той може лесно да измерва напрежението и температурата с общ режим и да прехвърля информацията към основния микроконтролер.

„Как да измерим тока на пакета за BMS?“

EV батерията може да осигури голяма стойност на тока до 250A или дори висока, освен това ние също трябва да измерваме тока на всеки модул в пакета, за да сме сигурни, че натоварването е разпределено равномерно. Докато проектираме текущия сензорен елемент, ние също трябва да осигурим изолация между измервателното и сензорното устройство. Най-често използваният метод за усещане на тока е методът на Шънт и методът, базиран на сензора на Хол. И двата метода имат своите плюсове и минуси. По-ранните шунтиращи методи се смятаха за по-малко точни, но с неотдавнашното наличие на високопрецизни шунтови проекти с изолирани усилватели и модулатори те са по-предпочитани от метода, базиран на Хол-сензор.

Оценка на състоянието на батерията

Основната изчислителна мощност на BMS е предназначена за оценка на състоянието на батерията. Това включва измерването на SOC и SOH. SOC може да се изчисли, като се използва напрежение на клетката, ток, профил на зареждане и профил на разреждане. SOH може да се изчисли, като се използва броят на цикъла на зареждане и производителността на батерията.

„Как да измерим SOC на батерията?“

Има много алгоритми за измерване на SOC на батерията, всеки от които има свои собствени входни стойности. Най-често използваният метод за SOC се нарича метод на броене на Кулон, известен още като метод на водене на книги. Ще обсъдим