Sustav upravljanja baterijama (bms) za električna vozila

Dana 7. ^-og siječnja 2013., Boeing 787 let bio je parkiran za održavanje, tijekom tog mehaničar uočenih plamen i dim izlazi iz pomoćnog uređaja za napajanje (litij baterija) leta, koji se koristi za napajanje elektroničkog sustava leta. Napori su poduzeti kako bi se ugasiti vatru off, ali 10 dana kasnije pred ovom pitanju mogao biti riješen, 16. ^-og siječnja drugi kvar baterije dogodila u 787 leta upravlja All Nippon Airways koji je uzrokovao prisilno slijetanje na japanskom aerodromu. Ova dva česta katastrofalna kvara baterije učinila su let Boeinga 787 Dreamliners neograničenim, što je umanjilo reputaciju proizvođača uzrokujući ogromne financijske gubitke.

Nakon niza zajedničkih istraga SAD-a i Japanaca, litijeva baterija B-787 prošla je CT skeniranje i otkrila da je jedna od osam Li-ionskih ćelija oštećena uzrokujući kratki spoj koji je požar izazvao toplotni odbjeg. Taj bi se incident mogao lako izbjeći da je sustav upravljanja baterijama Li-ion baterija dizajniran za otkrivanje / sprječavanje kratkih spojeva. Nakon nekih promjena u dizajnu i sigurnosnih propisa, B-787 je ponovno počeo letjeti, ali svejedno incident ostaje dokaz da se opasno može doći do litijevih baterija ako se njima ne rukuje pravilno.

Premotavamo unaprijed 15 godina, danas imamo električne automobile koji koriste iste Li-ion baterije koje su spakirane u stotine, ako ne i u tisuće. Ovi masivni akumulatori s naponom od oko 300 V sjede u automobilu i isporučuju do 300 A struje (grube brojke) tijekom rada. Bilo koja nezgoda ovdje završila bi u velikoj katastrofi, zbog čega je sustav upravljanja baterijama uvijek naglašen u EV-ima. Tako ćemo u ovom članku saznati više o ovom sustavu upravljanja baterijama (BMS) i razbiti ga kako bismo razumjeli njegov dizajn i funkcije kako bismo ga puno bolje razumjeli. Budući da su baterije i BMS usko povezane, savjetujemo vam da pročitate naše prethodne članke o električnim vozilima i EV baterijama.

Zašto nam treba sustav za upravljanje baterijama (BMS)?

Litij-ionske baterije pokazale su se kao baterija od interesa za proizvođače električnih vozila zbog velike gustoće napunjenosti i male težine. Iako se ove baterije spakiraju u veliku količinu zbog svoje veličine, vrlo su nestabilne prirode. Vrlo je važno da se ove baterije nikada ne smiju previše napuniti ili isprazniti u bilo kojim okolnostima koje dovode do potrebe praćenja napona i struje. Ovaj postupak postaje malo teži jer postoji puno ćelija sastavljenih da tvore bateriju u EV i svaku ćeliju treba pojedinačno nadzirati zbog svoje sigurnosti i učinkovitog rada što zahtijeva poseban namjenski sustav nazvan Sustav upravljanja baterijama. Da bismo dobili maksimalnu učinkovitost baterijskog paketa, trebali bismo u potpunosti napuniti i isprazniti sve ćelije istodobno pod istim naponom što opet zahtjeva BMS. Osim toga, BMS je odgovoran za mnoge druge funkcije o kojima će biti riječi u nastavku.

Razmatranja o dizajnu sustava za upravljanje baterijama (BMS)

Mnogo je čimbenika koje treba uzeti u obzir prilikom dizajniranja BMS-a. Kompletna razmatranja ovise o točnoj krajnjoj aplikaciji u kojoj će se koristiti BMS. Osim EV-ovih BMS-a, koriste se i svugdje gdje je uključena litijeva baterija, poput niza solarnih panela, vjetrenjača, energetskih zidova itd. Bez obzira na primjenu, BMS dizajn treba uzeti u obzir sve ili mnoge od sljedećih čimbenika.

Kontrola pražnjenja: Primarna funkcija BMS-a je održavanje litijevih ćelija u sigurnom radnom području. Na primjer, tipična ćelija litija 18650 imat će podnapon oko 3V. Odgovornost je BMS-a da osigura da se niti jedna stanica u paketu ne isprazni ispod 3V.

Kontrola punjenja: Osim pražnjenja, postupak punjenja trebao bi nadzirati i BMS. Većina baterija obično se ošteti ili im se životni vijek smanji ako se neadekvatno napune. Za punjač litijeve baterije koristi se dvostupanjski punjač. Prva faza se zove konstantnom strujom (CC) u kojem je punjač izlazi konstantnom strujom za punjenje baterije. Kada se baterija gotovo napuni, druga faza naziva se konstantni napon (CV)koristi se stupanj tijekom kojeg se akumulator napaja stalnim naponom pri vrlo slaboj struji. BMS bi trebao osigurati da i napon i struja tijekom punjenja ne prelaze dopuštene granice kako se baterije ne bi previše punile ili brzo punile. Maksimalno dopušteni napon punjenja i struja punjenja mogu se naći u tehničkom listu baterije.

Određivanje stanja napunjenosti (SOC): SOC možete smatrati pokazateljem goriva EV. Zapravo nam govori o kapacitetu baterije u postotku. Baš poput one na našem mobitelu. Ali to nije tako lako kako zvuči. Napon i struju punjenja / pražnjenja paketa uvijek treba nadzirati kako bi se predvidio kapacitet baterije. Jednom kada se izmjere napon i struja, postoji puno algoritama koji se mogu koristiti za izračunavanje SOC-a baterijskog paketa. Najčešće korištena metoda je metoda brojanja kulona; o tome ćemo razgovarati kasnije u članku. Mjerenje vrijednosti i izračunavanje SOC-a također je odgovornost BMS-a.

Određivanje zdravstvenog stanja (SOC): Kapacitet baterije ne ovisi samo o njezinu naponu i strujnom profilu, već i o starosti i radnoj temperaturi. Mjerenje SOH govori nam o starosti i očekivanom životnom ciklusu baterije na temelju povijesti korištenja. Na taj način možemo znati koliko se kilometraža (prijeđena udaljenost nakon punjenja) EV smanjuje kako baterija stari, a također možemo znati i kada treba zamijeniti bateriju. BMS bi također trebao izračunati i voditi evidenciju o SOH.

Balansiranje stanica: Još jedna vitalna funkcija BMS-a je održavanje balansiranja stanica. Na primjer, u paketu od 4 ćelije povezane u seriju, napon sve četiri ćelije uvijek mora biti jednak. Ako je jedna ćelija slabijeg ili visokog napona od druge, to će utjecati na čitav paket, recimo ako je jedna ćelija na 3,5 V, dok su ostale tri na 4 V. Tijekom punjenja ove će tri stanice doseći 4,2 V, dok bi druga tek dosegla 3,7 V, slično će se ova ćelija prva isprazniti na 3 V prije ostale tri. Na taj se način, zbog ove pojedinačne stanice, sve ostale stanice u paketu ne mogu iskoristiti do maksimuma, čime se ugrožava učinkovitost.

Da bi se riješio ovog problema, BMS mora primijeniti nešto što se naziva uravnoteženje stanica. Postoje mnoge vrste tehnika uravnoteženja stanica, ali najčešće korištene su aktivna i pasivna vrsta uravnoteženja stanica. U pasivnom balansiranju ideja je da će se stanice s viškom napona prisilno isprazniti kroz teret poput otpornika da dosegnu vrijednost napona ostalih stanica. Tijekom aktivnog balansiranja jače će se stanice koristiti za punjenje slabijih stanica kako bi se izjednačili njihovi potencijali. O balansiranju stanica naučit ćemo kasnije u drugom članku.

Toplinska kontrola: Život i učinkovitost litijeve baterije uvelike ovisi o radnoj temperaturi. Baterija teži da se brže prazniti u vrućim klimatskim uvjetima u usporedbi s normalnim sobnim temperaturama. Dodavanjem ovoga potrošnja jake struje dodatno bi povećala temperaturu. To zahtijeva termalni sustav (uglavnom ulje) u baterijskom paketu. Ovaj toplinski sustav trebao bi moći smanjiti temperaturu, ali po potrebi i povećati temperaturu u hladnoj klimi. BMS je odgovoran za mjerenje pojedinačne temperature stanice i u skladu s tim kontrolira toplinski sustav kako bi održao ukupnu temperaturu baterijskog paketa.

Napajanje iz same baterije: Jedini izvor napajanja dostupan u EV je sama baterija. Dakle, BMS bi trebao biti dizajniran tako da se napaja istom baterijom koju bi trebao štititi i održavati. Ovo može zvučati jednostavno, ali povećava poteškoću u dizajniranju BMS-a.

Manje idealna snaga: BMS bi trebao biti aktivan i aktivan čak i ako automobil radi, puni se ili je u idealnom načinu. To čini BMS krug neprekidnim napajanjem, stoga je obavezno da BMS troši vrlo manje energije kako se baterija ne bi ispraznila puno. Kad EV ostane nenapunjen tjednima ili mjesecima, BMS i drugi sklopovi obično ispraznjuju bateriju i na kraju je potrebno da se okrenu ili napune prije sljedeće upotrebe. Ovaj problem i dalje ostaje čest čak i kod popularnih automobila poput Tesle.

Galvanska izolacija: BMS djeluje kao most između baterija i ECU-a EV-a. Sve informacije prikupljene od strane BMS-a moraju se poslati na ECU kako bi se prikazale na instrument tabli ili na nadzornoj ploči. Dakle, BMS i ECU trebali bi kontinuirano komunicirati većinom putem standardnog protokola poput CAN komunikacije ili LIN sabirnice. BMS dizajn trebao bi biti sposoban osigurati galvansku izolaciju između baterija i ECU-a.

Zapisivanje podataka: Za BMS je važno imati veliku banku memorije jer mora pohraniti puno podataka. Vrijednosti poput SOH-a bez zdravstvenog stanja mogu se izračunati samo ako je poznata povijest punjenja baterije. Dakle, BMS mora pratiti cikluse punjenja i vrijeme punjenja baterijskog paketa od datuma instalacije i prekinuti te podatke po potrebi. To također pomaže u pružanju usluga nakon prodaje ili analiziranju problema s EV-om za inženjere.

Točnost: Kada se stanica puni ili prazni, napon na njoj postupno se povećava ili smanjuje. Nažalost, krivulja pražnjenja (napon u odnosu na vrijeme) litijeve baterije ima ravna područja, pa je promjena napona vrlo manja. Ova promjena mora se točno izmjeriti kako bi se izračunala vrijednost SOC ili kako bi se koristila za uravnoteženje stanica. Dobro dizajnirani BMS mogao bi imati točnost do ± 0,2mV, ali bi trebao imati točnost od najmanje 1mV-2mV. U procesu se obično koristi 16-bitni ADC.

Brzina obrade: BMS EV-a mora obaviti puno drobljenja brojeva da bi izračunao vrijednost SOC-a, SOH-a itd. Postoji mnogo algoritama za to, a neki čak koriste i strojno učenje kako bi izvršili zadatak. To BMS čini uređajem gladnim za obradu. Osim toga, on također mora izmjeriti napon stanice na stotinama stanica i gotovo odmah primijetiti suptilne promjene.

Građevinski blokovi BMS-a

Na tržištu je dostupno mnogo različitih vrsta BMS-a, možete ga sami dizajnirati ili čak kupiti integrirani IC koji je lako dostupan. Iz perspektive hardverske strukture postoje samo tri vrste BMS-a na temelju njegove topologije, a to su centralizirani BMS, distribuirani BMS i modularni BMS. Međutim, funkcija ovih BMS-a je slična. U nastavku je prikazan općeniti sustav upravljanja baterijama.

Prikupljanje podataka o BMS-u

Analizirajmo gornji funkcijski blok iz njegove jezgre. Primarna funkcija BMS-a je nadgledanje baterije za koju treba izmjeriti tri vitalna parametra kao što su napon, struja i temperatura iz svake ćelije u baterijskom paketu. Znamo da se baterijski paketi formiraju povezivanjem mnogih ćelija u seriji ili paralelnoj konfiguraciji, poput Tesle s 8.256 ćelija u kojima je 96 ćelija povezano u seriju, a 86 paralelno u pakiranje. Ako je skup ćelija povezan u seriju, tada moramo izmjeriti napon na svakoj ćeliji, ali struja za cijeli set bit će jednaka jer će struja biti ista u serijskom krugu. Slično tome, kada je paralelno povezan niz ćelija, moramo mjeriti samo cijeli napon, jer će napon na svakoj ćeliji biti jednak paralelno povezan. Na slici dolje prikazan je niz ćelija povezanih serijski, možete primijetiti napon i temperaturu koji se mjere za pojedine ćelije, a struja paketa mjeri se u cjelini.

"Kako izmjeriti napon ćelije u BMS-u?"

Budući da tipični EV ima velik broj ćelija povezanih zajedno, pomalo je izazovno izmjeriti pojedinačni napon ćelije u bateriji. Ali samo ako znamo pojedinačni napon stanice, možemo izvršiti uravnoteženje stanica i pružiti zaštitu stanica. Za očitavanje naponske vrijednosti ćelije koristi se ADC. No, složenost je velika jer su baterije povezane u seriju. To znači da se stezaljke na kojima se mjeri napon moraju mijenjati svaki put. Postoje mnogi načini za to koji uključuju releje, mukseve itd. Osim toga, postoji i neki IC za upravljanje baterijama, poput MAX14920, koji se može koristiti za mjerenje pojedinačnih napona ćelija više ćelija (12-16) povezanih u seriju.

"Kako izmjeriti temperaturu stanice za BMS?"

Osim temperature stanice, BMS ponekad mora mjeriti i temperaturu sabirnice i temperaturu motora jer sve radi na jakoj struji. Najčešći element koji se koristi za mjerenje temperature naziva se NTC, što je kratica od negativne temperature s koeficijentom (NTC). Sličan je otporniku, ali svoj otpor mijenja (smanjuje) na temelju temperature oko sebe. Mjerenjem napona na ovom uređaju i pomoću jednostavnog zakona oma možemo izračunati otpor, a time i temperaturu.

Multipleksirani analogni prednji kraj (AFE) za mjerenje napona i temperature ćelije

Mjerni napon ćelije može postati složen jer zahtijeva visoku preciznost, a također može ubrizgati preklopne zvukove iz mux-a, osim što je svaka ćelija povezana s otpornikom preko prekidača za uravnoteženje stanica. Da bi se prevladali ovi problemi koristi se AFE - Analog IC prednji kraj. AFE ima ugrađeni Mux, međuspremnik i ADC modul s velikom točnošću. Jednostavno može izmjeriti napon i temperaturu u uobičajenom načinu rada i prenijeti podatke na glavni mikrokontroler.

"Kako izmjeriti struju u paketu za BMS?"

EV baterija može proizvesti veliku vrijednost struje do 250A ili čak visoku, osim toga također moramo izmjeriti struju svakog modula u paketu kako bismo bili sigurni da je opterećenje ravnomjerno raspoređeno. Tijekom projektiranja trenutnog osjetnog elementa također moramo osigurati izolaciju između mjernog i osjetnog uređaja. Najčešće korištene metode za određivanje struje su Shunt metoda i metoda zasnovana na Hall-senzoru. Obje metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Ranije metode ranžiranja smatrale su se manje preciznima, ali s nedavnom dostupnošću visoko preciznih dizajna šantova s ​​izoliranim pojačalima i modulatorima preferiraju se od metode temeljene na Hall-senzoru.

Procjena stanja baterije

Glavna proračunska snaga BMS-a posvećena je procjeni stanja baterije. To uključuje mjerenje SOC i SOH. SOC se može izračunati pomoću napona ćelije, struje, profila punjenja i profila pražnjenja. SOH se može izračunati pomoću broja ciklusa punjenja i performansi baterije.

"Kako izmjeriti SOC baterije?"

Postoji mnogo algoritama za mjerenje SOC-a baterije, a svaki ima svoje ulazne vrijednosti. Najčešće korištena metoda za SOC naziva se Coulomb Counting poznata kao knjigovodstvena metoda. Raspravit ćemo