Система управління акумулятором (bms) для електромобілів

На 7 - ^м січня 2013 року, політ Boeing 787 був припаркований для технічного обслуговування, в протягом цього механік поміченого полум'я і дим, що виходить з допоміжного блоку живлення (літієва батарея) польоту, який використовується для живлення електронних систем польоту. Зусилля були зроблені, щоб гасити пожежу геть, але через 10 днів, перш ніж це питання можна вирішити, на 16 - ^е січня чергову провал батареї стався в 787 рейсу, що виконується All Nippon Airways викликали аварійну посадку в японському аеропорту. Ці дві часті катастрофічні несправності акумулятора призвели до необмеженого польоту рейсу Boeing 787 Dreamliners, що заплямувало репутацію виробника, що спричинило величезні фінансові втрати.

Після ряду спільних розслідувань США та Японії літієвий акумулятор B-787 пройшов КТ і виявив, що одна з восьми літій-іонних комірок була пошкоджена внаслідок короткого замикання, яке спричинило пожежу від теплового втечі. Цього інциденту можна було б легко уникнути, якби система управління батареєю літій-іонного акумулятора була розроблена для виявлення / запобігання короткому замиканню. Після деяких змін конструкції та правил безпеки B-787 знову почав літати, але все ще інцидент залишається доказом того, наскільки небезпечними можуть бути літієві батареї, якщо з ними не поводитись належним чином.

Швидко вперед на 15 років, сьогодні у нас є електромобілі, що використовують ті самі літій-іонні акумулятори, які упаковані в сотні, якщо не тисячі. Ці масивні акумуляторні батареї з напругою близько 300 В сидять у машині та забезпечують струм до 300 А (приблизні цифри) під час роботи. Будь-яке нещастя тут може закінчитися великою катастрофою, саме тому система керування акумулятором завжди підкреслюється в електромобілях. Тож у цій статті ми дізнаємось більше про цю Систему управління батареями (BMS) та розберемо її, щоб зрозуміти її конструкцію та функції, щоб зрозуміти її набагато краще. Оскільки акумулятори та BMS тісно пов’язані між собою, настійно рекомендуємо переглянути наші попередні статті про електромобілі та електромобілі.

Навіщо нам потрібна система управління акумулятором (BMS)?

Літій-іонні акумулятори виявились цікавими для виробників електромобілів через високу щільність заряду та малу вагу. Навіть незважаючи на те, що ці батареї упаковані в великий штамп для своїх розмірів, вони мають надзвичайно нестабільний характер. Дуже важливо, щоб ці акумулятори ніколи не були надмірно зарядженими або розрядженими за будь-яких обставин, що викликають необхідність контролю за їх напругою та струмом. Цей процес стає дещо складнішим, оскільки існує безліч комірок, утворених для утворення акумуляторної батареї в електромобілі, і кожна комірка повинна індивідуально контролюватися щодо її безпеки та ефективної роботи, що вимагає спеціальної спеціальної системи, що називається Система управління акумулятором. Крім того, щоб отримати максимальну ефективність від акумуляторної батареї, ми повинні повністю заряджати і розряджати всі елементи одночасно з тією ж напругою, що знову вимагає BMS. Крім цього, BMS несе відповідальність за багато інших функцій, які будуть розглянуті нижче.

Міркування щодо проектування системи управління акумулятором (BMS)

Є багато факторів, які слід враховувати при розробці BMS. Повні міркування залежать від точної кінцевої програми, в якій буде використовуватися BMS. Окрім BMS EV, вони також використовуються скрізь, де задіяний літієвий акумулятор, такий як сонячна батарея, вітряки, силові стіни тощо. Незалежно від застосування, конструкція BMS повинна враховувати всі або багато з наступних факторів.

Контроль розряду: Основна функція BMS полягає у підтримці літієвих елементів у безпечній робочій зоні. Наприклад, типовий елемент літію 18650 матиме номінальну напругу близько 3 В. BMS несе відповідальність за те, щоб жодна клітина упаковки не розрядилася нижче 3 В.

Контроль зарядки: Окрім розряду, процес зарядки повинен також контролюватися BMS. Більшість акумуляторів, як правило, пошкоджуються або скорочуються при неналежній зарядці. Для зарядного пристрою з літієвою батареєю використовується двоступеневий зарядний пристрій. Перший етап називається постійного струму (CC), в протягом якого зарядний пристрій виводить постійний струм для зарядки акумулятора. Коли акумулятор майже заповнюється, другий етап називається постійною напругою (CV)використовується етап, під час якого на акумулятор подається постійна напруга при дуже низькому струмі. BMS повинен переконатися, що напруга та струм під час зарядки не перевищують проникних меж, щоб не перезаряджати або швидко заряджати акумулятори. Максимально допустиму напругу зарядки та струм зарядки можна знайти в паспорті батареї.

Визначення стану заряду (SOC): Ви можете уявляти SOC як показник пального EV. Це насправді говорить нам про ємність акумулятора у відсотках. Так само, як у нашому мобільному телефоні. Але це не так просто, як здається. Слід завжди контролювати напругу та струм заряду / розряду, щоб передбачити ємність акумулятора. Після вимірювання напруги та струму існує безліч алгоритмів, за допомогою яких можна розрахувати SOC акумуляторної батареї. Найчастіше застосовується метод підрахунку кулонів; про це ми поговоримо далі в статті. Вимірювання значень та обчислення SOC - це також відповідальність BMS.

Визначення стану здоров’я (SOC): Ємність батареї залежить не тільки від її напруги та профілю струму, але також від її віку та робочої температури. Вимірювання SOH повідомляє нам про вік та очікуваний життєвий цикл акумулятора на основі історії його використання. Таким чином ми можемо знати, наскільки зменшується пробіг (відстань, подолана після повного заряджання) електромобіля, коли акумулятор старіє, а також ми можемо знати, коли слід замінити акумулятор. SOH також повинен розраховувати та відстежувати BMS.

Балансування клітин: Ще однією життєво важливою функцією BMS є підтримка балансування клітин. Наприклад, в упаковці з 4 комірок, з'єднаних послідовно, напруга всіх чотирьох комірок завжди повинна бути рівною. Якщо одна комірка має меншу або високу напругу, ніж інша, це вплине на всю упаковку, скажімо, якщо одна комірка знаходиться на рівні 3,5 В, а інші три - на 4 В. Під час заряджання ці три комірки досягнуть 4,2 В, тоді як інший би щойно досяг 3,7 В, аналогічно ця комірка буде першою, що розрядиться до 3 В перед іншими трьома. Таким чином, через цю одну клітинку всі інші клітини упаковки не можуть бути використані з максимальним потенціалом, тим самим погіршуючи ефективність.

Для вирішення цієї проблеми BMS повинен впровадити щось, що називається балансуванням клітин. Існує безліч типів методів балансування клітин, але найчастіше використовуються активні та пасивні типи балансування клітин. При пасивному балансуванні ідея полягає в тому, що комірки з надмірною напругою будуть змушені розряджатися через навантаження, подібну резистору, щоб досягти значення напруги інших комірок. При активному балансуванні сильніші клітини будуть використовуватися для заряджання слабших клітин для вирівнювання їх потенціалу. Детальніше про балансування клітин ми дізнаємось пізніше в іншій статті.

Тепловий контроль: Термін служби та ефективність літієвої батареї сильно залежить від робочої температури. Батареї мають тенденцію до більш швидкої розрядки в умовах жаркого клімату по порівнянні з нормальною кімнатною температурою. Додаючи до цього споживання сильного струму, це ще більше збільшить температуру. Це вимагає використання теплової системи (переважно масляної) в акумуляторній батареї. Ця теплова система повинна мати можливість лише знижувати температуру, але також повинна мати можливість підвищувати температуру в холодному кліматі, якщо це необхідно. BMS відповідає за вимірювання температури окремих елементів і відповідно контролює теплову систему, щоб підтримувати загальну температуру акумуляторного блоку.

Харчується від самої батареї: Єдиним джерелом живлення, доступним у електромобілі, є сама батарея. Отже, BMS повинен бути розроблений для живлення від тієї самої батареї, яку він повинен захищати та підтримувати. Це може здатися простим, але це збільшує складність конструкції BMS.

Менш ідеальна потужність: BMS повинен бути активним і працювати, навіть якщо машина працює, заряджається або знаходиться в ідеальному режимі. Це робить ланцюг BMS постійним живленням, і тому обов’язковим є те, що BMS споживає значно менше енергії, щоб не сильно розряджати акумулятор. Коли електромобіль залишається незарядженим протягом тижнів або місяців, BMS та інші схеми, як правило, розряджають акумулятор самі по собі, і в кінцевому підсумку перед наступним використанням його потрібно прокрутити або зарядити. Ця проблема все ще залишається поширеною навіть у таких популярних автомобілів, як Tesla.

Гальванічна ізоляція: BMS діє як місток між акумуляторним блоком та ЕБУ електромобіля. Вся інформація, зібрана BMS, повинна бути надіслана в ЕБУ для відображення на приладовій панелі або на приладовій панелі. Отже, BMS та ECU повинні постійно обмінюватися даними за допомогою стандартного протоколу, наприклад, зв'язку CAN або шини LIN. Конструкція BMS повинна забезпечувати гальванічну розв'язку між акумуляторною батареєю та ЕБУ.

Запис даних: Для BMS важливо мати великий банк пам'яті, оскільки він повинен зберігати багато даних. Такі значення, як SOH від стану здоров'я, можна розрахувати лише за умови, що відома історія зарядки акумулятора. Таким чином, BMS повинен відстежувати цикли зарядки та час зарядки акумуляторної батареї з дати встановлення та переривати ці дані, коли це потрібно. Це також допомагає забезпечити післяпродажне обслуговування або проаналізувати проблему з електромобілем для інженерів.

Точність: Коли комірку заряджають або розряджають, напруга на ній збільшується або зменшується поступово. На жаль, крива розряду (напруга проти часу) літієвої батареї має рівні ділянки, отже, зміна напруги дуже менша. Ця зміна повинна бути точно виміряна, щоб обчислити значення SOC або використовувати його для балансування клітин. Добре розроблена BMS може мати точність до ± 0,2 мВ, але вона повинна мати мінімальну точність від 1 мВ до 2 мВ. Зазвичай в процесі використовується 16-розрядний АЦП.

Швидкість обробки: BMS електромобіля повинен зробити багато подрібнень чисел, щоб обчислити значення SOC, SOH тощо. Для цього існує багато алгоритмів, а деякі навіть використовують машинне навчання, щоб виконати завдання. Це робить BMS голодним пристроєм для обробки. Окрім цього, він також повинен виміряти напругу комірки на сотнях комірок і майже негайно помітити незначні зміни.

Будівельні блоки BMS

На ринку доступно багато різних типів BMS, ви можете або розробити його самостійно, або навіть придбати інтегровану мікросхему, яка легко доступна. З точки зору апаратної структури існує лише три типи BMS на основі її топології - це централізована BMS, розподілена BMS та модульна BMS. Однак функція цих BMS однакова. Загальна система управління акумулятором наведена нижче.

Збір даних BMS

Проаналізуємо наведений вище функціональний блок з його ядра. Основною функцією BMS є контроль за батареєю, для якої їй потрібно виміряти три життєво важливі параметри, такі як напруга, струм і температура від кожної комірки в акумуляторній батареї. Ми знаємо, що акумуляторні батареї утворюються шляхом з'єднання багатьох комірок послідовно або паралельно, наприклад, у Тесла є 8 256 комірок, у яких 96 комірок з'єднано послідовно, а 86 - паралельно, щоб утворити пакет. Якщо набір комірок з'єднано послідовно, тоді нам доведеться вимірювати напругу на кожній комірці, але струм для всього набору буде однаковим, оскільки струм буде однаковим у послідовному ланцюзі. Подібним чином, коли набір комірок з'єднаний паралельно, нам доводиться вимірювати лише всю напругу, оскільки напруга на кожній комірці буде однаковою при паралельному підключенні. На зображенні нижче показано набір комірок, з'єднаних послідовно, ви можете помітити напругу та температуру, які вимірюються для окремих комірок, а струм упаковки вимірюється в цілому.

"Як виміряти напругу комірки в BMS?"

Оскільки типовий EV має велику кількість елементів, з’єднаних між собою, виміряти напругу окремих елементів акумуляторної батареї трохи складно. Але лише якщо ми знаємо окрему напругу комірки, ми можемо виконати балансування комірок та забезпечити захист комірок. Для зчитування значення напруги комірки використовується АЦП. Але складність, пов'язана з цим, висока, оскільки батареї підключені послідовно. Це означає, що клеми, на яких вимірюється напруга, повинні змінюватися щоразу. Існує багато способів зробити це за допомогою реле, мультиплексорів тощо. Окрім цього, існує також деяка мікросхема управління батареєю, така як MAX14920, яка може використовуватися для вимірювання напруг окремих комірок кількох комірок (12-16), з'єднаних послідовно.

"Як виміряти температуру клітини для BMS?"

Окрім температури клітини, іноді BMS також повинні вимірювати температуру шини та температуру двигуна, оскільки все працює від сильного струму. Найпоширеніший елемент, що використовується для вимірювання температури, називається NTC, що означає Коефіцієнт негативної температури (NTC). Він схожий на резистор, але він змінює (зменшує) свій опір залежно від температури навколо нього. Вимірюючи напругу на цьому пристрої та використовуючи простий закон Ом, ми можемо розрахувати опір і, отже, температуру.

Мультиплексований аналоговий передній кінець (AFE) для вимірювання напруги та температури комірки

Вимірювання напруги комірки може ускладнитися, оскільки вимагає високої точності, а також може вводити комутаційні шуми від мультиплексу, крім цього кожна комірка підключена до резистора через перемикач для балансування комірок. Для подолання цих проблем використовується мікросхема AFE - Analog Front end IC. AFE має вбудований мультиплексор, буфер та модуль АЦП з високою точністю. Він може легко виміряти напругу та температуру в загальному режимі та передати інформацію на головний мікроконтролер.

"Як виміряти струм упаковки для BMS?"

Акумуляторна батарея EV може подавати велике значення струму до 250 А або навіть більше, крім цього ми також повинні вимірювати струм кожного модуля в блоці, щоб забезпечити рівномірний розподіл навантаження. Під час проектування струмочутливого елемента ми також повинні забезпечити ізоляцію між вимірювальним та чутливим пристроєм. Найбільш часто використовуваний метод для відчуття струму - метод Шунта та метод, заснований на датчику Холла. Обидва методи мають свої плюси і мінуси. Раніше шунтуючі методи вважалися менш точними, але з недавньою наявністю високоточних конструкцій шунтування з ізольованими підсилювачами та модуляторами вони є більш кращими, ніж метод на основі датчика Холла.

Оцінка стану акумулятора

Основна обчислювальна потужність BMS призначена для оцінки стану акумулятора. Це включає вимірювання SOC та SOH. SOC можна розрахувати, використовуючи напругу, струм, профіль зарядки та профіль розряду в комірці. SOH можна розрахувати, використовуючи кількість циклів заряду та продуктивність акумулятора.

"Як виміряти коефіцієнт охолодження акумулятора?"

Існує багато алгоритмів вимірювання SOC акумулятора, кожен із яких має власні вхідні значення. Найбільш часто використовуваний метод для SOC називається методом підрахунку Кулона, який називається методом ведення бухгалтерського обліку. Ми обговоримо