- Зачем нам нужна система управления батареями (BMS)?
- Соображения по проектированию системы управления батареями (BMS)
- Строительные блоки BMS
- Сбор данных BMS
- Мультиплексный аналоговый интерфейс (AFE) для измерения напряжения и температуры элемента
- Оценка состояния батареи
На 7 - м января 2013 года, полет Boeing 787 был припаркован для технического обслуживания, в течение этого механик замеченного пламени и дым, выходящий из вспомогательного блока питания (литиевая батарея) полета, который используется для питания электронных систем полета. Усилия были предприняты, чтобы тушить пожар прочь, но через 10 дней, прежде чем этот вопрос можно решить, на 16 - е января очередного провал батареи произошел в 787 рейса, выполняемого All Nippon Airways вызвавших аварийную посадку в японском аэропорту. Эти два частых катастрофических выхода из строя аккумуляторной батареи привели к тому, что рейс Boeing 787 Dreamliners был остановлен на неопределенный срок, что подорвало репутацию производителя и привело к огромным финансовым потерям.
После серии совместных исследований, проведенных США и Японией, литиевый аккумулятор B-787 прошел компьютерную томографию и показал, что один из восьми литий-ионных аккумуляторов был поврежден, что привело к короткому замыканию, которое вызвало тепловой разгон с возгоранием. Этого инцидента можно было бы легко избежать, если бы система управления батареями литий-ионной аккумуляторной батареи была разработана для обнаружения / предотвращения коротких замыканий. После некоторых изменений конструкции и правил безопасности B-787 снова начал летать, но инцидент все еще остается доказательством того, насколько опасными могут стать литиевые батареи, если с ними не обращаться должным образом.
Перенесемся на 15 лет вперед, и сегодня у нас есть электромобили, использующие те же литий-ионные батареи, которые упакованы сотнями, если не тысячами. Эти массивные аккумуляторные блоки с номинальным напряжением около 300 В устанавливаются в автомобиле и обеспечивают ток до 300 А (приблизительные цифры) во время работы. Любой несчастный случай здесь закончится большой катастрофой, поэтому в электромобилях всегда уделяется большое внимание системе управления батареями. Итак, в этой статье мы узнаем больше об этой системе управления батареями (BMS) и разберемся, чтобы понять ее конструкцию и функции, чтобы понять ее намного лучше. Поскольку батареи и BMS тесно связаны, мы настоятельно рекомендуем ознакомиться с нашими предыдущими статьями об электромобилях и батареях электромобилей.
Зачем нам нужна система управления батареями (BMS)?
Литий-ионные батареи оказались интересными для производителей электромобилей из-за их высокой плотности заряда и небольшого веса. Несмотря на то, что эти аккумуляторы достаточно мощны для своего размера, они очень нестабильны по своей природе. Очень важно, чтобы эти батареи никогда не были чрезмерно заряженными или разряженными при любых обстоятельствах, которые вызывают необходимость контролировать их напряжение и ток. Этот процесс становится немного сложнее, поскольку в электромобиле много ячеек, собранных вместе, чтобы сформировать аккумуляторную батарею, и каждая ячейка должна контролироваться индивидуально на предмет ее безопасности и эффективности, что требует специальной специальной системы, называемой системой управления батареями.. Также, чтобы получить максимальную эффективность от аккумуляторной батареи, мы должны полностью заряжать и разряжать все элементы одновременно при одном и том же напряжении, которое снова требует BMS. Помимо этого, BMS отвечает за многие другие функции, которые будут рассмотрены ниже.
Соображения по проектированию системы управления батареями (BMS)
При проектировании BMS следует учитывать множество факторов. Полное рассмотрение зависит от конкретного конечного приложения, в котором будет использоваться BMS. Помимо электромобилей BMS также используются везде, где задействован литиевый аккумулятор, такой как массив солнечных панелей, ветряные мельницы, силовые стены и т. Д. Независимо от области применения при проектировании BMS необходимо учитывать все или многие из следующих факторов.
Контроль разрядки: основная функция BMS - поддерживать литиевые элементы в безопасной рабочей области. Например, типичный литиевый элемент 18650 будет иметь пониженное напряжение около 3 В. BMS несет ответственность за то, чтобы ни одна из ячеек в пакете не разряжалась ниже 3 В.
Контроль зарядки: помимо разрядки процесс зарядки также должен контролироваться системой BMS. Большинство аккумуляторов имеют тенденцию к повреждению или сокращению срока службы при неправильной зарядке. Для зарядного устройства литиевых батарей используется двухступенчатое зарядное устройство. Первый этап называется постоянного тока (CC), в течение которого зарядное устройство выводит постоянный ток для зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор почти полностью заряжен, начинается второй этап, называемый постоянным напряжением (CV).Используется этап, во время которого на аккумулятор подается постоянное напряжение при очень малом токе. BMS должна следить за тем, чтобы напряжение и ток во время зарядки не превышали допустимые пределы, чтобы не перезарядить или быстро зарядить батареи. Максимально допустимое напряжение зарядки и ток зарядки указаны в паспорте аккумулятора.
Определение состояния заряда (SOC): вы можете рассматривать SOC как индикатор уровня топлива электромобиля. Фактически, он показывает нам емкость аккумулятора в процентах. Прямо как в нашем мобильном телефоне. Но это не так просто, как кажется. Напряжение и ток заряда / разряда батареи всегда следует контролировать, чтобы спрогнозировать емкость батареи. После измерения напряжения и тока существует множество алгоритмов, которые можно использовать для расчета SOC аккумуляторной батареи. Чаще всего используется метод счета кулонов; мы обсудим это позже в статье. BMS также отвечает за измерение значений и расчет SOC.
Определение состояния здоровья (SOC): емкость аккумулятора зависит не только от напряжения и тока, но также от возраста и рабочей температуры. Измерение SOH сообщает нам о возрасте и ожидаемом сроке службы батареи на основе истории ее использования. Таким образом, мы можем узнать, насколько сокращается пробег (пройденное расстояние после полной зарядки) электромобиля с возрастом батареи, а также мы можем узнать, когда следует заменить аккумулятор. SOH также следует рассчитывать и отслеживать с помощью BMS.
Балансировка ячеек: Еще одна жизненно важная функция BMS - поддерживать баланс ячеек. Например, в пакете из 4 элементов, соединенных последовательно, напряжение всех четырех элементов всегда должно быть одинаковым. Если одна ячейка имеет меньшее или высокое напряжение, чем другая, это повлияет на всю батарею, скажем, если одна ячейка имеет 3,5 В, а остальные три - 4 В. Во время зарядки эти три элемента будут достигать 4,2 В, а другой - только 3,7 В. Аналогично, этот элемент будет первым, разряженным до 3 В, раньше остальных трех. Таким образом, из-за этой единственной ячейки все другие ячейки в пакете не могут быть использованы с максимальным потенциалом, что снижает эффективность.
Чтобы справиться с этой проблемой, BMS должна реализовать так называемую балансировку ячеек. Существует много типов методов балансировки ячеек, но обычно используются активные и пассивные методы балансировки ячеек. Идея пассивной балансировки заключается в том, что ячейки с избыточным напряжением будут принудительно разряжаться через нагрузку, подобную резистору, чтобы достичь значения напряжения других ячеек. При активном балансировании более сильные ячейки будут использоваться для зарядки более слабых ячеек, чтобы уравнять их потенциалы. Мы узнаем больше о балансировке ячеек позже в другой статье.
Температурный контроль: срок службы и эффективность литиевой аккумуляторной батареи во многом зависит от рабочей температуры. В жарком климате аккумулятор разряжается быстрее, чем при нормальной комнатной температуре. В дополнение к этому потребление большого тока еще больше повысит температуру. Это требует наличия тепловой системы (в основном масляной) в аккумуляторной батарее. Эта тепловая система должна быть способна только снижать температуру, но также должна иметь возможность повышать температуру в холодном климате, если это необходимо. BMS отвечает за измерение температуры отдельных элементов и соответствующее управление тепловой системой для поддержания общей температуры аккумуляторной батареи.
Питание от самой батареи: единственный источник питания, доступный в электромобиле, - это сама батарея. Таким образом, BMS должна быть рассчитана на питание от той же батареи, которую она должна защищать и обслуживать. Это может показаться простым, но это действительно увеличивает сложность конструкции BMS.
Менее идеальная мощность: BMS должна быть активной и работать, даже если автомобиль работает, заряжается или находится в идеальном режиме. Это обеспечивает постоянное питание схемы BMS и, следовательно, обязательно, чтобы BMS потребляла очень меньше энергии, чтобы не сильно разряжать батарею. Когда электромобиль остается незаряженным в течение нескольких недель или месяцев, BMS и другие схемы имеют тенденцию разряжать аккумулятор самостоятельно и в конечном итоге требуют запуска или зарядки перед следующим использованием. Эта проблема по-прежнему остается распространенной даже для таких популярных автомобилей, как Tesla.
Гальваническая развязка: BMS действует как мост между аккумуляторной батареей и ЭБУ электромобиля. Вся информация, собранная BMS, должна быть отправлена в ECU для отображения на комбинации приборов или на приборной панели. Таким образом, BMS и ECU должны постоянно взаимодействовать через стандартный протокол, такой как связь CAN или шина LIN. Конструкция BMS должна обеспечивать гальваническую развязку между аккумуляторной батареей и ЭБУ.
Регистрация данных: для BMS важно иметь большой банк памяти, так как он должен хранить много данных. Такие значения, как SOH состояния здоровья, можно рассчитать только в том случае, если известна история зарядки аккумулятора. Таким образом, BMS должна отслеживать циклы зарядки и время зарядки аккумуляторной батареи с момента установки и при необходимости прерывать эти данные. Это также помогает инженерам в послепродажном обслуживании или анализе проблемы с электромобилем.
Точность: когда элемент заряжается или разряжается, напряжение на нем постепенно увеличивается или уменьшается. К сожалению, кривая разряда (напряжение в зависимости от времени) литиевой батареи имеет плоские участки, поэтому изменение напряжения намного меньше. Это изменение необходимо точно измерить, чтобы рассчитать значение SOC или использовать его для балансировки ячеек. Хорошо спроектированная BMS может иметь точность до ± 0,2 мВ, но должна иметь минимальную точность 1–2 мВ. Обычно в процессе используется 16-битный АЦП.
Скорость обработки: BMS электромобиля должна выполнять множество вычислений для вычисления значения SOC, SOH и т. Д. Для этого существует множество алгоритмов, а некоторые даже используют машинное обучение для выполнения задачи. Это делает BMS требовательным к обработке данных. Помимо этого, он также должен измерять напряжение на сотнях ячеек и почти сразу замечать тонкие изменения.
Строительные блоки BMS
На рынке доступно множество различных типов BMS, вы можете либо разработать их самостоятельно, либо даже приобрести интегрированную ИС, которая уже доступна. С точки зрения аппаратной структуры существует только три типа BMS в зависимости от ее топологии: централизованная BMS, распределенная BMS и модульная BMS. Однако функции этих BMS схожи. Общая система управления батареями проиллюстрирована ниже.
Сбор данных BMS
Давайте проанализируем приведенный выше функциональный блок из его ядра. Основная функция BMS - контролировать аккумулятор, для которого необходимо измерить три жизненно важных параметра, такие как напряжение, ток и температуру, от каждой ячейки в аккумуляторном блоке.. Мы знаем, что аккумуляторные блоки формируются путем соединения множества ячеек в последовательной или параллельной конфигурации, например, Tesla имеет 8256 ячеек, в которых 96 ячеек соединены последовательно, а 86 соединены параллельно, образуя батарею. Если набор ячеек соединен последовательно, мы должны измерить напряжение на каждой ячейке, но ток для всего набора будет одинаковым, поскольку ток будет одинаковым в последовательной цепи. Точно так же, когда набор ячеек соединен параллельно, мы должны измерить только полное напряжение, поскольку напряжение на каждой ячейке будет одинаковым при параллельном подключении. На изображении ниже показан набор ячеек, соединенных последовательно, вы можете заметить, что напряжение и температура измеряются для отдельных ячеек, а ток батареи измеряется в целом.
«Как измерить напряжение ячеек в BMS?»
Поскольку типичный электромобиль имеет большое количество соединенных вместе ячеек, довольно сложно измерить напряжение отдельных элементов аккумуляторной батареи. Но только если мы знаем напряжение отдельной ячейки, мы можем выполнить балансировку ячейки и обеспечить защиту ячейки. Для считывания значения напряжения ячейки используется АЦП. Но сложность здесь высока, поскольку батареи соединены последовательно. Это означает, что клеммы, на которых измеряется напряжение, необходимо каждый раз менять. Есть много способов сделать это, включая реле, мультиплексоры и т. Д. Помимо этого есть также некоторая ИС управления батареями, такая как MAX14920, которую можно использовать для измерения напряжений отдельных ячеек нескольких ячеек (12-16), соединенных последовательно.
«Как измерить температуру ячейки для BMS?»
Помимо температуры ячеек, иногда BMS также необходимо измерять температуру шины и температуру двигателя, поскольку все работает на большом токе. Наиболее распространенный элемент, используемый для измерения температуры, называется NTC, что означает отрицательный температурный коэффициент (NTC). Он похож на резистор, но он изменяет (уменьшает) свое сопротивление в зависимости от температуры вокруг него. Измеряя напряжение на этом устройстве и используя простой закон сопротивления, мы можем рассчитать сопротивление и, следовательно, температуру.
Мультиплексный аналоговый интерфейс (AFE) для измерения напряжения и температуры элемента
Измерение напряжения на ячейке может быть сложным, поскольку оно требует высокой точности и может также вносить коммутационные шумы от мультиплексора, кроме этого, каждая ячейка подключена к резистору через переключатель для балансировки ячеек. Чтобы преодолеть эти проблемы, используется AFE - Analog Front End IC. AFE имеет встроенный мультиплексор, буфер и модуль АЦП с высокой точностью. Он может легко измерять напряжение и температуру в синфазном режиме и передавать информацию на главный микроконтроллер.
«Как измерить ток батареи для BMS?»
Аккумуляторный блок EV может обеспечивать большое значение тока до 250 А или даже выше, кроме этого, мы также должны измерить ток каждого модуля в пакете, чтобы убедиться, что нагрузка распределяется равномерно. При разработке токового чувствительного элемента мы также должны обеспечить изоляцию между измерительным и чувствительным устройством. Наиболее часто используемые методы измерения тока - это метод шунта и метод на основе датчика Холла. У обоих методов есть свои плюсы и минусы. Ранние методы шунтирования считались менее точными, но с появлением в последнее время высокоточных конструкций шунтов с изолированными усилителями и модуляторами они более предпочтительны, чем метод на основе датчика Холла.
Оценка состояния батареи
Основная вычислительная мощность BMS предназначена для оценки состояния батареи. Это включает измерение SOC и SOH. SOC можно рассчитать, используя напряжение ячейки, ток, профиль заряда и профиль разряда. SOH можно рассчитать, используя количество циклов зарядки и производительность аккумулятора.
«Как измерить SOC батареи?»
Существует множество алгоритмов измерения SOC аккумулятора, каждый из которых имеет свои собственные входные значения. Наиболее часто используемый метод для SOC называется методом кулоновского подсчета или бухгалтерского учета. Мы обсудим