Sistem de gestionare a bateriei (BMS) pentru vehicule electrice

La data de 7 - ^lea ianuarie 2013, un zbor Boeing 787 a fost parcat pentru întreținere, în timpul unei flăcări ca mecanic și fum observate provin de la unitatea de alimentare auxiliară (baterie litiu Pack) a zborului, care este utilizat pentru a alimenta sistemele electronice de zbor. Eforturile au fost luate pentru a pune foc off, dar mai târziu de 10 zile înainte de această problemă ar putea fi rezolvată, la data de 16 - ^lea ianuarie o altă defecțiune a bateriei a avut loc într - un zbor de 787 operat de All Nippon Airways, care a provocat o aterizare de urgență pe aeroportul japonez. Aceste două frecvente defecțiuni catastrofale ale bateriei au făcut ca zborul Boeing 787 Dreamliners să fie legat la nesfârșit, ceea ce a pătat reputația producătorului, provocând pierderi financiare imense.

După o serie de investigații comune efectuate de SUA și Japoneză, pachetul de baterii cu litiu B-787 a trecut printr-o scanare CT și a dezvăluit că una dintre cele opt celule Li-ion a fost deteriorată, provocând un scurtcircuit care a declanșat o fugă termică cu foc. Acest incident ar fi putut fi ușor evitat dacă sistemul de gestionare a bateriei din bateria Li-ion a fost conceput pentru a detecta / preveni scurtcircuitele. După unele modificări de proiectare și reglementări de siguranță, B-787 a început să zboare din nou, dar totuși incidentul rămâne o dovadă care demonstrează cât de periculoase ar putea obține bateriile cu litiu dacă nu sunt manipulate corespunzător.

Avansăm rapid 15 ani, astăzi avem mașini electrice care folosesc aceleași baterii Li-ion, care sunt împachetate împreună în sute, dacă nu chiar în mii. Aceste baterii masive cu o tensiune nominală de aproximativ 300V stau în mașină și furnizează curent de până la 300A (cifre brute) în timpul funcționării. Orice nefericire aici ar ajunge într-un dezastru mare, motiv pentru care sistemul de gestionare a bateriei este întotdeauna stresat în vehiculele electrice. Așadar, în acest articol vom afla mai multe despre acest sistem de gestionare a bateriei (BMS) și vom descompune pentru a-i înțelege designul și funcțiile pentru a-l înțelege mult mai bine. Deoarece bateriile și BMS sunt strâns legate, este foarte recomandat să parcurgeți articolele noastre anterioare despre vehiculele electrice și bateriile EV.

De ce avem nevoie de un sistem de gestionare a bateriei (BMS)?

Bateriile litiu-ion s-au dovedit a fi bateria de interes pentru producătorii de vehicule electrice datorită densității sale mari de încărcare și greutății reduse. Chiar dacă aceste baterii se împachetează într-o mulțime de pumni pentru dimensiunile sale, acestea sunt extrem de instabile în natură. Este foarte important ca aceste baterii să nu fie niciodată supraîncărcate sau sub descărcare, în orice circumstanță, ceea ce implică necesitatea monitorizării tensiunii și curentului. Acest proces devine puțin mai dur, deoarece există o mulțime de celule reunite pentru a forma un pachet de baterii în EV și fiecare celulă ar trebui să fie monitorizată individual pentru siguranța și funcționarea sa eficientă, care necesită un sistem special dedicat numit Sistemul de gestionare a bateriei. De asemenea, pentru a obține eficiența maximă dintr-un pachet de baterii, ar trebui să încărcăm și să descărcăm complet toate celulele în același timp, la aceeași tensiune care solicită din nou un BMS. În afară de aceasta, BMS este responsabil pentru multe alte funcții care vor fi discutate mai jos.

Considerații privind proiectarea sistemului de gestionare a bateriei (BMS)

Există mulți factori care trebuie luați în considerare la proiectarea unui BMS. Considerațiile complete depind de aplicația finală exactă în care va fi utilizat BMS. În afară de EV, BMS sunt, de asemenea, utilizate oriunde este implicat un pachet de baterii cu litiu, cum ar fi un panou solar, mori de vânt, pereți electrici etc. Indiferent de aplicație, un design BMS ar trebui să ia în considerare toți sau mulți dintre următorii factori.

Controlul descărcării: funcția principală a unui BMS este de a menține celulele de litiu în zona de operare sigură. De exemplu, o celulă tipică Lithium 18650 va avea o tensiune nominală de aproximativ 3V. Este responsabilitatea BMS să se asigure că niciuna dintre celulele din pachet nu se descarcă sub 3V.

Controlul încărcării: în afară de descărcare, procesul de încărcare trebuie monitorizat și de BMS. Majoritatea bateriilor au tendința de a se deteriora sau de a reduce durata de viață atunci când sunt încărcate necorespunzător. Pentru încărcătorul de baterii cu litiu se folosește un încărcător în 2 trepte. Prima etapă se numește curent constant (CC) în care încărcătorul emite un curent constant pentru a încărca bateria. Când bateria se umple aproape a doua etapă numită tensiune constantă (CV)se folosește o etapă în care o tensiune constantă este furnizată bateriei la un curent foarte scăzut. BMS trebuie să se asigure că atât tensiunea, cât și curentul în timpul încărcării nu depășesc limitele permeabile, astfel încât să nu supraîncărcați sau să încărcați rapid bateriile. Tensiunea maximă admisă de încărcare și curentul de încărcare pot fi găsite în fișa tehnică a bateriei.

Determinarea stării de încărcare (SOC): vă puteți gândi la SOC ca la indicatorul de combustibil al EV. De fapt, ne spune capacitatea bateriei pachetului în procente. La fel ca cel din telefonul nostru mobil. Dar nu este atât de ușor pe cât pare. Tensiunea și curentul de încărcare / descărcare ale pachetului trebuie monitorizate întotdeauna pentru a prezice capacitatea bateriei. Odată măsurată tensiunea și curentul, există o mulțime de algoritmi care pot fi folosiți pentru a calcula SOC-ul bateriei. Cea mai frecvent utilizată metodă este metoda de numărare a coulombului; vom discuta mai multe despre aceasta mai târziu în articol. Măsurarea valorilor și calcularea SOC este, de asemenea, responsabilitatea unui BMS.

Determinarea stării de sănătate (SOC): Capacitatea bateriei depinde nu numai de tensiunea și profilul său de curent, ci și de vârsta și temperatura de funcționare. Măsurarea SOH ne spune despre vârsta și ciclul de viață așteptat al bateriei pe baza istoricului de utilizare. În acest fel putem ști cât de mult se reduce kilometrajul (distanța parcursă după încărcarea completă) a vehiculului pe măsură ce bateria îmbătrânește și, de asemenea, putem ști când trebuie înlocuit acumulatorul. SOH ar trebui, de asemenea, să fie calculat și ținut în evidență de BMS.

Echilibrarea celulelor: O altă funcție vitală a unui BMS este menținerea echilibrului celular. De exemplu, într-un pachet de 4 celule conectate în serie, tensiunea tuturor celor patru celule ar trebui să aibă întotdeauna egală. Dacă o celulă are tensiune mai mică sau înaltă decât cealaltă, aceasta va afecta întregul pachet, spuneți dacă o celulă este la 3,5 V, în timp ce celelalte trei sunt la 4 V. În timpul încărcării, aceste trei celule vor atinge 4,2 V, în timp ce cealaltă ar fi ajuns la 3,7 V în mod similar, această celulă va fi prima care se va descărca la 3 V înainte de celelalte trei. În acest fel, datorită acestei celule unice, toate celelalte celule din pachet nu pot fi utilizate la potențialul său maxim, compromitând astfel eficiența.

Pentru a rezolva această problemă, BMS trebuie să implementeze ceva numit echilibrarea celulei. Există multe tipuri de tehnici de echilibrare celulară, dar cele utilizate în mod obișnuit sunt echilibrarea celulară de tip activ și pasiv. În echilibrarea pasivă, ideea este că celulele cu tensiune în exces vor fi descărcate forțat printr-o rezistență ca o sarcină pentru a atinge valoarea tensiunii celorlalte celule. În timp ce se află în echilibru activ, celulele mai puternice vor fi utilizate pentru a încărca celulele mai slabe pentru a-și egaliza potențialele. Vom afla mai multe despre echilibrarea celulei mai târziu într-un articol diferit.

Control termic: Durata de viață și eficiența unui acumulator cu litiu depinde în mare măsură de temperatura de funcționare. Bateria tinde să se descarce mai rapid în zonele cu climat cald, comparativ cu temperatura normală a camerei. Adăugând la aceasta consumul de curent mare ar crește și mai mult temperatura. Acest lucru necesită un sistem termic (în principal ulei) într-un pachet de baterii. Acest sistem termic ar trebui să poată reduce temperatura numai, dar ar trebui să poată crește și temperatura în climă rece, dacă este necesar. BMS este responsabil pentru măsurarea temperaturii individuale a celulei și controlul corespunzător al sistemului termic pentru a menține temperatura generală a acumulatorului.

Alimentat de la baterie: singura sursă de energie disponibilă în EV este bateria însăși. Deci, un BMS ar trebui să fie proiectat pentru a fi alimentat de aceeași baterie pe care ar trebui să o protejeze și să o întrețină. Acest lucru poate suna simplu, dar crește dificultatea de proiectare a BMS.

Putere mai mică: un BMS ar trebui să fie activ și să funcționeze chiar dacă mașina rulează sau se încarcă sau în modul ideal. Acest lucru face ca circuitul BMS să fie alimentat continuu și, prin urmare, este obligatoriu ca BMS să consume mult mai puțină energie, pentru a nu descărca mult bateria. Când un EV este lăsat neîncărcat săptămâni sau luni, BMS și alte circuite tind să golească bateria singure și, în cele din urmă, trebuie să fie încărcate sau încărcate înainte de următoarea utilizare. Această problemă rămâne comună chiar și cu mașinile populare, cum ar fi Tesla.

Izolarea galvanică: BMS acționează ca o punte între bateria și ECU-ul EV. Toate informațiile colectate de BMS trebuie trimise la ECU pentru a fi afișate pe tabloul de bord sau pe tabloul de bord. Deci, BMS și ECU ar trebui să comunice continuu cel mai mult prin protocolul standard, cum ar fi comunicarea CAN sau magistrala LIN. Proiectarea BMS trebuie să fie capabilă să asigure o izolare galvanică între acumulator și ECU.

Înregistrarea datelor: este important ca BMS să aibă o bancă de memorie mare, deoarece trebuie să stocheze o mulțime de date. Valori precum SOH-ul stării de sănătate pot fi calculate numai dacă se cunoaște istoricul încărcării bateriei. Deci BMS trebuie să urmărească ciclurile de încărcare și timpul de încărcare al acumulatorului de la data instalării și să întrerupă aceste date atunci când este necesar. Acest lucru ajută, de asemenea, la furnizarea de servicii post-vânzare sau analiza unei probleme cu EV pentru ingineri.

Precizie: Când o celulă este încărcată sau descărcată, tensiunea crește sau scade treptat. Din păcate, curba de descărcare (Tensiune vs timp) a unei baterii cu litiu are regiuni plate, prin urmare schimbarea tensiunii este foarte mică. Această modificare trebuie măsurată cu precizie pentru a calcula valoarea SOC sau pentru a o utiliza pentru echilibrarea celulei. Un BMS bine conceput ar putea avea o precizie de până la ± 0,2mV, dar ar trebui să aibă o precizie minimă de 1mV-2mV. În mod normal, în acest proces este utilizat un ADC pe 16 biți.

Viteza de procesare: BMS-ul unui EV trebuie să facă o mulțime de crunching pentru a calcula valoarea SOC, SOH etc. Există mulți algoritmi pentru a face acest lucru, iar unii folosesc chiar învățarea automată pentru a realiza sarcina. Acest lucru face ca BMS să fie un dispozitiv de procesare foame. În afară de aceasta, trebuie să măsoare tensiunea celulei pe sute de celule și să observe schimbările subtile aproape imediat.

Blocuri de construcție ale unui BMS

Există multe tipuri diferite de BMS disponibile pe piață, puteți proiecta unul singur sau chiar achiziționa IC integrat care este ușor disponibil. Din perspectiva structurii hardware, există doar trei tipuri de BMS bazate pe topologia sa: BMS centralizat, BMS distribuit și BMS modular. Cu toate acestea, funcția acestor BMS este similară. Un sistem generic de gestionare a bateriei este ilustrat mai jos.

Achiziția de date BMS

Să analizăm blocul funcțional de mai sus din nucleul său. Funcția principală a BMS este de a monitoriza bateria pentru care trebuie să măsoare trei parametri vitali, cum ar fi tensiunea, curentul și temperatura de la fiecare celulă din pachetul de baterii.. Știm că pachetele de baterii sunt formate prin conectarea mai multor celule în configurație în serie sau paralelă, cum ar fi Tesla are 8.256 de celule în care 96 de celule sunt conectate în serie și 86 sunt conectate în paralel pentru a forma un pachet. Dacă un set de celule sunt conectate în serie, atunci trebuie să măsurăm tensiunea pe fiecare celulă, dar curentul pentru întregul set va fi același, deoarece curentul va fi același într-un circuit de serie. În mod similar, atunci când un set de celule sunt conectate în paralel, trebuie să măsurăm numai întreaga tensiune, deoarece tensiunea din fiecare celulă va fi aceeași atunci când este conectată în paralel. Imaginea de mai jos prezintă un set de celule conectate în serie, puteți observa măsurarea tensiunii și temperaturii pentru celule individuale, iar curentul pachetului este măsurat ca întreg.

„Cum se măsoară tensiunea celulei în BMS?”

Deoarece un EV tipic are un număr mare de celule conectate între ele, este puțin dificil să măsurăm tensiunea individuală a celulei unui acumulator. Dar numai dacă cunoaștem tensiunea individuală a celulei, putem efectua echilibrarea celulei și oferim protecție a celulei. Pentru a citi valoarea tensiunii unei celule se utilizează un ADC. Dar complexitatea implicată este ridicată, deoarece bateriile sunt conectate în serie. Adică terminalele peste care se măsoară tensiunea trebuie schimbate de fiecare dată. Există mai multe modalități de a face acest lucru implicând relee, mux-uri etc. În afară de aceasta, există și unele IC de gestionare a bateriei, cum ar fi MAX14920, care poate fi utilizat pentru a măsura tensiunile individuale ale celulelor cu celule multiple (12-16) conectate în serie.

„Cum se măsoară temperatura celulei pentru BMS?”

În afară de temperatura celulei, uneori BMS trebuie să măsoare și temperatura autobuzului și temperatura motorului, deoarece totul funcționează la un curent mare. Cel mai comun element utilizat pentru măsurarea temperaturii se numește NTC, care înseamnă Coeficient de temperatură negativă (NTC). Este similar cu un rezistor, dar își schimbă (scade) rezistența în funcție de temperatura din jurul său. Măsurând tensiunea pe acest dispozitiv și folosind o lege simplă a ohmilor putem calcula rezistența și, astfel, temperatura.

Front End analogic multiplexat (AFE) pentru măsurarea tensiunii și temperaturii celulei

Măsurarea tensiunii celulare poate deveni complexă, deoarece necesită o precizie ridicată și ar putea, de asemenea, să injecteze zgomote de comutare de la mux, în afară de aceasta, fiecare celulă este conectată la un rezistor printr-un comutator pentru echilibrarea celulei. Pentru a depăși aceste probleme se utilizează un AFE - IC analogic frontal. Un AFE are module Mux, tampon și ADC încorporate cu precizie ridicată. Ar putea măsura cu ușurință tensiunea și temperatura cu modul comun și să transfere informațiile către microcontrolerul principal.

„Cum se măsoară curentul pachetului pentru BMS?”

Acumulatorul EV poate furniza o valoare mare a curentului până la 250A sau chiar mare, în afară de aceasta, trebuie să măsurăm și curentul fiecărui modul din pachet pentru a ne asigura că încărcătura este distribuită uniform. În timp ce proiectăm elementul de detectare curent, trebuie să asigurăm și izolare între dispozitivul de măsurare și cel de detectare. Cea mai utilizată metodă de detectare a curentului este metoda Shunt și metoda bazată pe senzor Hall. Ambele metode au argumentele pro și contra. Metodele anterioare de șunt au fost considerate mai puțin exacte, dar cu disponibilitatea recentă a proiectelor de șunturi de înaltă precizie cu amplificatoare și modulatoare izolate, acestea sunt mai preferate decât metoda bazată pe senzori de sală.

Estimarea stării bateriei

Puterea de calcul majoră a unui BMS este dedicată estimării stării bateriei. Aceasta include măsurarea SOC și SOH. SOC poate fi calculat folosind tensiunea celulei, curentul, profilul de încărcare și profilul de descărcare. SOH poate fi calculat utilizând numărul ciclului de încărcare și performanța bateriei.

„Cum se măsoară SOC-ul unei baterii?”

Există mulți algoritmi pentru a măsura SOC-ul unei baterii, fiecare având propriile sale valori de intrare. Cea mai frecvent utilizată metodă pentru SOC se numește Coulomb Counting sau metoda de păstrare a cărților. O sa discutam