System zarządzania akumulatorem (BMS) do pojazdów elektrycznych

Dnia 7 ^-go stycznia 2013 roku, Boeing 787 lot był zaparkowany na utrzymanie, podczas tego mechanik dostrzeżonych płomienie i dym z pomocniczego zespołu napędowego (Lithium Battery Pack) lotu, który jest używany do zasilania elektronicznych systemów lotniczych. Wysiłki zostały podjęte, aby umieścić wystrzelić, ale 10 dni później, zanim ten problem może być rozwiązany w dniu 16 ^th stycznia kolejna awaria akumulatora wystąpił w 787 lotu obsługiwanego przez All Nippon Airways, który spowodował awaryjne lądowanie na japońskim lotnisku. Te dwie częste katastrofalne awarie akumulatorów spowodowały, że Boeing 787 Dreamliner musiał zostać uziemiony na czas nieokreślony, co zepsuło reputację producenta, powodując ogromne straty finansowe.

Po serii wspólnych dochodzeń przeprowadzonych przez USA i Japonię, zestaw baterii litowych B-787 przeszedł skan CT i ujawnił, że jedno z ośmiu ogniw litowo-jonowych zostało uszkodzone, powodując zwarcie, które spowodowało ucieczkę termiczną w wyniku pożaru. Tego incydentu można było łatwo uniknąć, gdyby system zarządzania baterią zestawu akumulatorów litowo-jonowych został zaprojektowany tak, aby wykrywać / zapobiegać zwarciom. Po pewnych zmianach konstrukcyjnych i przepisach bezpieczeństwa B-787 ponownie zaczął latać, ale incydent pozostaje dowodem na to, jak niebezpieczne mogą być baterie litowe, jeśli nie są odpowiednio obsługiwane.

Szybko do przodu 15 lat, dziś mamy samochody elektryczne wykorzystujące te same akumulatory litowo-jonowe, które są pakowane razem w setkach, jeśli nie w tysiącach. Te masywne akumulatory o napięciu znamionowym około 300 V znajdują się w samochodzie i podczas pracy dostarczają prąd o natężeniu do 300 A (wartości przybliżone). Każdy wypadek w tym miejscu zakończyłby się wielką katastrofą, dlatego system zarządzania baterią jest zawsze obciążony w pojazdach elektrycznych. W tym artykule dowiemy się więcej o tym systemie zarządzania baterią (BMS) i podzielimy się, aby zrozumieć jego konstrukcję i funkcje, aby zrozumieć go znacznie lepiej. Ponieważ akumulatory i BMS są ze sobą ściśle powiązane, zdecydowanie zalecamy zapoznanie się z naszymi poprzednimi artykułami na temat pojazdów elektrycznych i akumulatorów EV.

Dlaczego potrzebujemy systemu zarządzania baterią (BMS)?

Akumulatory litowo-jonowe okazały się być interesujące dla producentów pojazdów elektrycznych ze względu na dużą gęstość ładunku i niewielką wagę. Mimo że te akumulatory są mocno obciążone ze względu na swój rozmiar, są z natury bardzo niestabilne. Bardzo ważne jest, aby te akumulatory nigdy nie były przeładowane lub rozładowane w żadnych okolicznościach, które powodują konieczność monitorowania ich napięcia i prądu. Proces ten staje się nieco trudniejszy, ponieważ w pojazdach elektrycznych składa się wiele ogniw, które tworzą pakiet akumulatorów, a każde ogniwo powinno być indywidualnie monitorowane pod kątem bezpieczeństwa i wydajnej pracy, co wymaga specjalnego dedykowanego systemu zwanego systemem zarządzania akumulatorami.. Aby uzyskać maksymalną wydajność z pakietu baterii, powinniśmy całkowicie naładować i rozładować wszystkie ogniwa w tym samym czasie przy tym samym napięciu, które ponownie wymaga BMS. Oprócz tego BMS jest odpowiedzialny za wiele innych funkcji, które zostaną omówione poniżej.

Rozważania projektowe systemu zarządzania baterią (BMS)

Podczas projektowania BMS należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Pełne rozważania zależą od dokładnego zastosowania końcowego, w którym BMS będzie używany. Oprócz EV BMS są również używane wszędzie tam, gdzie używany jest akumulator litowy, taki jak panele słoneczne, wiatraki, ściany energetyczne itp. Niezależnie od zastosowania, projekt BMS powinien uwzględniać wszystkie lub wiele z poniższych czynników.

Kontrola rozładowania: Podstawową funkcją BMS jest utrzymanie ogniw litowych w bezpiecznym obszarze działania. Na przykład typowe ogniwo litowe 18650 będzie miało napięcie znamionowe około 3 V. BMS jest odpowiedzialny za upewnienie się, że żadne z ogniw pakietu nie zostanie rozładowane poniżej 3V.

Kontrola ładowania: Oprócz rozładowania proces ładowania powinien być również monitorowany przez BMS. Większość baterii ulega zniszczeniu lub skraca żywotność, gdy są niewłaściwie ładowane. Do ładowarki baterii litowej używana jest 2-stopniowa ładowarka. Pierwszy etap nazywa się stałym prądem (CC), w którym ładowarka wysyła prąd stały do ładowania baterii. Kiedy bateria jest prawie pełna, drugi stopień zwany stałym napięciem (CV)stosowany jest stopień, podczas którego do akumulatora dostarczane jest stałe napięcie o bardzo niskim prądzie. BMS powinien upewnić się, że zarówno napięcie, jak i prąd podczas ładowania nie przekraczają dopuszczalnych granic, aby nie przeładować lub szybko naładować akumulatorów. Maksymalne dopuszczalne napięcie ładowania i prąd ładowania można znaleźć w karcie katalogowej akumulatora.

Określanie stanu naładowania (SOC): Możesz myśleć o SOC jako wskaźniku paliwa w EV. W rzeczywistości mówi nam o pojemności baterii pakietu w procentach. Tak jak w naszym telefonie komórkowym. Ale to nie jest takie proste, jak się wydaje. Należy zawsze monitorować napięcie i prąd ładowania / rozładowania pakietu, aby przewidzieć pojemność akumulatora. Po zmierzeniu napięcia i prądu istnieje wiele algorytmów, które można wykorzystać do obliczenia SOC pakietu baterii. Najczęściej stosowaną metodą jest liczenie kulombów; omówimy więcej na ten temat w dalszej części artykułu. Za pomiary wartości i obliczenie SOC odpowiada również BMS.

Określanie stanu zdrowia (SOC): Pojemność akumulatora zależy nie tylko od jego profilu napięcia i prądu, ale także od jego wieku i temperatury roboczej. Pomiar SOH informuje nas o wieku i oczekiwanym cyklu życia baterii na podstawie jej historii użytkowania. W ten sposób możemy wiedzieć, o ile przebieg (pokonany dystans po pełnym naładowaniu) EV zmniejsza się wraz ze starzeniem się akumulatora, a także możemy wiedzieć, kiedy akumulator należy wymienić. SOH powinien również zostać obliczony i śledzony przez BMS.

Równoważenie komórek: Inną istotną funkcją BMS jest utrzymanie równowagi komórkowej. Na przykład w pakiecie 4 ogniw połączonych szeregowo napięcie wszystkich czterech ogniw powinno być zawsze równe. Jeśli jedno ogniwo ma niższe lub wysokie napięcie niż drugie, wpłynie to na cały pakiet, powiedzmy, jeśli jedno ogniwo ma napięcie 3,5 V, a pozostałe trzy mają 4 V. Podczas ładowania te trzy ogniwa osiągną 4,2 V, podczas gdy drugie osiągnie właśnie 3,7 V, podobnie to ogniwo jako pierwsze rozładuje się do 3 V przed pozostałymi trzema. W ten sposób, z powodu tego pojedynczego ogniwa, wszystkie inne ogniwa w pakiecie nie mogą być wykorzystane w maksymalnym stopniu, co pogarsza wydajność.

Aby poradzić sobie z tym problemem, BMS musi wdrożyć coś, co nazywa się równoważeniem komórek. Istnieje wiele rodzajów technik równoważenia komórek, ale najczęściej stosowanymi są metody aktywnego i pasywnego równoważenia komórek. W równoważeniu pasywnym chodzi o to, że ogniwa z nadmiernym napięciem będą zmuszone do rozładowania przez obciążenie takie jak rezystor, aby osiągnąć wartość napięcia innych ogniw. Podczas aktywnego równoważenia silniejsze komórki będą używane do ładowania słabszych komórek, aby wyrównać ich potencjały. Dowiemy się więcej o równoważeniu komórek w dalszej części innego artykułu.

Kontrola termiczna: żywotność i wydajność akumulatora litowego w dużym stopniu zależy od temperatury roboczej. Bateria ma tendencję do zamknięcia szybciej w gorących klimatach w porównaniu z normalnymi temperaturze pokojowej. Dodanie do tego dużego prądu spowodowałoby dalszy wzrost temperatury. Wymaga to systemu termicznego (głównie oleju) w pakiecie baterii. Ten system cieplny powinien być w stanie tylko obniżyć temperaturę, ale w razie potrzeby powinien również być w stanie podnieść temperaturę w zimnym klimacie. BMS jest odpowiedzialny za pomiar temperatury poszczególnych ogniw i odpowiednie sterowanie systemem termicznym, aby utrzymać ogólną temperaturę pakietu akumulatorów.

Zasilanie z samego akumulatora: jedynym źródłem zasilania dostępnym w EV jest sam akumulator. Dlatego BMS powinien być zaprojektowany tak, aby był zasilany tą samą baterią, którą ma chronić i konserwować. Może się to wydawać proste, ale zwiększa trudność projektowania BMS.

Mniej idealna moc: BMS powinien być aktywny i działać, nawet jeśli samochód jest uruchomiony, ładuje się lub w idealnym trybie. To sprawia, że ​​obwód BMS ma być zasilany w sposób ciągły i dlatego BMS musi zużywać bardzo mniej energii, aby nie wyczerpać baterii zbytnio. Gdy pojazd elektryczny jest pozostawiony bez naładowania przez tygodnie lub miesiące, BMS i inne obwody mają tendencję do samoczynnego rozładowywania akumulatora i ostatecznie wymagają przekręcenia lub naładowania przed następnym użyciem. Ten problem nadal występuje często nawet w przypadku popularnych samochodów, takich jak Tesla.

Izolacja galwaniczna: BMS działa jako pomost między pakietem akumulatorów a ECU pojazdu elektrycznego. Wszystkie informacje zebrane przez BMS muszą zostać przesłane do ECU w celu wyświetlenia na zestawie wskaźników lub na desce rozdzielczej. Dlatego BMS i ECU powinny komunikować się w sposób ciągły przez większość standardowych protokołów, takich jak komunikacja CAN lub magistrala LIN. Konstrukcja BMS powinna zapewniać izolację galwaniczną pomiędzy zestawem akumulatorów a ECU.

Rejestracja danych: BMS musi mieć duży bank pamięci, ponieważ musi przechowywać dużo danych. Wartości takie jak stan zdrowia SOH można obliczyć tylko wtedy, gdy znana jest historia ładowania akumulatora. Dlatego BMS musi śledzić cykle ładowania i czas ładowania zestawu akumulatorów od daty instalacji i przerywać te dane w razie potrzeby. Pomaga to również w zapewnieniu obsługi posprzedażnej lub analizie problemu z pojazdem elektrycznym dla inżynierów.

Dokładność: Kiedy ogniwo jest ładowane lub rozładowywane, napięcie na nim stopniowo rośnie lub maleje. Niestety krzywa rozładowania (napięcie w funkcji czasu) baterii litowej ma płaskie obszary, stąd zmiana napięcia jest bardzo mniejsza. Ta zmiana musi być dokładnie zmierzona, aby obliczyć wartość SOC lub użyć jej do równoważenia ogniw. Dobrze zaprojektowany BMS może mieć dokładność nawet do ± 0,2 mV, ale powinien mieć minimalną dokładność 1 mV-2 mV. Zwykle w procesie używany jest 16-bitowy przetwornik ADC.

Szybkość przetwarzania: BMS pojazdu elektrycznego musi wykonywać wiele operacji obliczeniowych, aby obliczyć wartość SOC, SOH itp. Jest do tego wiele algorytmów, a niektóre nawet wykorzystują uczenie maszynowe, aby wykonać zadanie. To sprawia, że ​​BMS jest urządzeniem wymagającym przetwarzania. Oprócz tego musi mierzyć napięcie w setkach komórek i niemal natychmiast zauważyć subtelne zmiany.

Bloki konstrukcyjne BMS

Na rynku dostępnych jest wiele różnych typów BMS, można je zaprojektować samodzielnie lub nawet kupić łatwo dostępny zintegrowany układ scalony. Z punktu widzenia struktury sprzętowej istnieją tylko trzy typy BMS oparte na jego topologii: scentralizowany BMS, rozproszony BMS i modułowy BMS. Jednak funkcja tych BMS jest podobna. Ogólny system zarządzania baterią przedstawiono poniżej.

Gromadzenie danych BMS

Przeanalizujmy powyższy blok funkcyjny od jego rdzenia. Podstawową funkcją BMS jest monitorowanie akumulatora, dla którego musi mierzyć trzy istotne parametry, takie jak napięcie, prąd i temperatura z każdego ogniwa w pakiecie akumulatorów. Wiemy, że pakiety baterii są tworzone przez połączenie wielu ogniw w konfiguracji szeregowej lub równoległej, tak jak Tesla ma 8256 ogniw, w których 96 ogniw jest połączonych szeregowo, a 86 jest połączonych równolegle, tworząc pakiet. Jeśli zestaw ogniw jest połączony szeregowo, musimy zmierzyć napięcie na każdym ogniwie, ale prąd dla całego zestawu będzie taki sam, ponieważ prąd będzie taki sam w obwodzie szeregowym. Podobnie, gdy zestaw ogniw jest połączonych równolegle, musimy zmierzyć tylko całe napięcie, ponieważ napięcie na każdym ogniwie będzie takie samo po połączeniu równoległym. Poniższy rysunek przedstawia zestaw ogniw połączonych szeregowo, można zauważyć, że mierzone jest napięcie i temperatura dla poszczególnych ogniw, a prąd paczki jest mierzony jako całość.

„Jak zmierzyć napięcie ogniwa w BMS?”

Ponieważ typowy pojazd elektryczny ma dużą liczbę połączonych ze sobą ogniw, pomiar napięcia poszczególnych ogniw w zestawie akumulatorów jest nieco trudny. Ale tylko wtedy, gdy znamy napięcie poszczególnych ogniw, możemy przeprowadzić równoważenie ogniw i zapewnić ich ochronę. Aby odczytać wartość napięcia ogniwa, używany jest ADC. Jednak złożoność jest duża, ponieważ akumulatory są połączone szeregowo. Oznacza to, że zaciski, na których mierzone jest napięcie, muszą być zmieniane za każdym razem. Istnieje wiele sposobów, aby to zrobić, wykorzystując przekaźniki, multipleksery itp. Oprócz tego istnieje również układ zarządzania baterią, taki jak MAX14920, który może być używany do pomiaru napięć poszczególnych ogniw wielu ogniw (12-16) połączonych szeregowo.

„Jak mierzyć temperaturę ogniwa dla BMS?”

Oprócz temperatury ogniwa, czasami BMS musi mierzyć również temperaturę magistrali i temperaturę silnika, ponieważ wszystko działa na wysokim prądzie. Najpopularniejszym elementem używanym do pomiaru temperatury jest NTC, co oznacza ujemny współczynnik temperaturowy (NTC). Jest podobny do rezystora, ale zmienia (zmniejsza) jego rezystancję w zależności od temperatury wokół niego. Mierząc napięcie na tym urządzeniu i korzystając z prostego prawa omowego, możemy obliczyć rezystancję, a tym samym temperaturę.

Multipleksowany analogowy przód (AFE) do pomiaru napięcia i temperatury ogniw

Pomiar napięcia komórki może być skomplikowany, ponieważ wymaga dużej dokładności, a poza tym może generować szum przełączania z multipleksera, poza tym każda komórka jest podłączona do rezystora przez przełącznik w celu zrównoważenia ogniwa. Aby przezwyciężyć te problemy, zastosowano układ scalony AFE - Analog Front end. AFE ma wbudowany Mux, bufor i moduł ADC o wysokiej dokładności. Mógłby z łatwością mierzyć napięcie i temperaturę w trybie wspólnym i przekazywać informacje do głównego mikrokontrolera.

„Jak mierzyć prąd paczki dla BMS?”

EV Battery Pack może dostarczać prąd o dużej wartości do 250A lub nawet wysoki, poza tym musimy mierzyć prąd każdego modułu w pakiecie, aby upewnić się, że obciążenie jest rozłożone równomiernie. Projektując element pomiarowy prądu musimy również zapewnić izolację pomiędzy urządzeniem pomiarowym a czujnikiem. Najczęściej stosowaną metodą wykrywania prądu jest metoda bocznikowania i metoda wykorzystująca czujnik Halla. Obie metody mają swoje wady i zalety. Wcześniejsze metody bocznikowania uznano za mniej dokładne, ale w związku z niedawną dostępnością wysoce precyzyjnych konstrukcji boczników z izolowanymi wzmacniaczami i modulatorami są one bardziej preferowane niż metoda oparta na czujniku Halla.

Szacowanie stanu baterii

Główna moc obliczeniowa BMS jest przeznaczona do szacowania stanu baterii. Obejmuje to pomiar SOC i SOH. SOC można obliczyć na podstawie napięcia ogniwa, prądu, profilu ładowania i profilu rozładowania. SOH można obliczyć na podstawie liczby cykli ładowania i wydajności akumulatora.

„Jak zmierzyć SOC baterii?”

Istnieje wiele algorytmów do pomiaru SOC baterii, z których każdy ma własne wartości wejściowe. Najczęściej stosowaną metodą SOC jest liczenie Coulomba, czyli metoda księgowa. Omówimy