- Zakaj potrebujemo sistem za upravljanje baterij (BMS)?
- Premisleki glede zasnove sistema za upravljanje baterij (BMS)
- Gradniki BMS
- Pridobivanje podatkov BMS
- Multiplexed Analog Front End (AFE) za merjenje napetosti in temperature celice
- Ocena stanja baterije
Dne 7. th januarja 2013, je bil Boeing 787 letalske parkiran za vzdrževanje, v tem, da mehanik opazil ognja in dima, ki prihajajo iz pomožnega agregata (Lithium baterija Pack) poleta, ki se uporablja za pogon sistemov elektronskih letenja. Prizadevanja so bili sprejeti, naj ogenj off, ampak 10 dni pred tem vprašanju bi se lahko odpravili na 16 th januarja še en neuspeh baterije prišlo v 787 let, ki ga vse Nippon Airways, ki je povzročil zasilni pristanek na japonskem letališču. Zaradi teh dveh pogostih katastrofalnih okvar na baterijah je bil let Boeinga 787 Dreamliners neomejen, kar je okrnilo ugled proizvajalca in povzročilo ogromne finančne izgube.
Po seriji skupnih preiskav ZDA in Japonske je litijeva baterija B-787 opravila CT pregled in razkrila, da je bila ena od osmih Li-ionskih celic poškodovana, kar je povzročilo kratek stik, ki je sprožil toplotni utek. Temu incidentu bi se lahko zlahka izognili, če bi bil sistem za upravljanje baterij Li-ion baterij zasnovan za odkrivanje / preprečevanje kratkih stikov. Po nekaterih spremembah zasnove in varnostnih predpisih je B-787 spet začel leteti, vendar še vedno incident ostaja dokaz, ki dokazuje, kako nevarne bi lahko bile litijeve baterije, če z njimi ne bi ravnali pravilno.
Hitro naprej petnajst let, danes imamo električne avtomobile, ki uporabljajo enake Li-ion baterije, ki jih je v stotinah, če ne v tisočih. Ti masivni akumulatorji z napetostjo približno 300 V sedijo v avtomobilu in med delovanjem zagotavljajo do 300 A (grobe številke) toka. Vsaka napaka bi se končala v veliki katastrofi, zato je sistem za upravljanje akumulatorja vedno izpostavljen EV. V tem članku bomo izvedeli več o tem sistemu za upravljanje baterij (BMS) in razčlenili, da bomo bolje razumeli njegovo zasnovo in funkcije. Ker so baterije in BMS tesno povezane, je zelo priporočljivo, da si ogledate naše prejšnje članke o električnih vozilih in baterijah EV.
Zakaj potrebujemo sistem za upravljanje baterij (BMS)?
Litij-ionske baterije so se izkazale kot akumulator, ki ga zanimajo proizvajalci električnih vozil zaradi velike gostote napolnjenosti in majhne teže. Čeprav se te baterije v svoji velikosti pakirajo veliko, so po naravi zelo nestabilne. Zelo pomembno je, da se te baterije nikoli ne napolnijo ali izpraznijo v nobenih okoliščinah, zaradi katerih je treba spremljati napetost in tok. Ta postopek je nekoliko zaostren, saj je v celicah veliko celic, ki tvorijo baterijski sklop v EV, zato je treba vsako celico posebej spremljati glede varnosti in učinkovitega delovanja, kar zahteva poseben namenski sistem, imenovan Sistem za upravljanje baterij. Da bi iz baterij dosegli največjo učinkovitost, bi morali vse celice hkrati napolniti in izprazniti ob isti napetosti, ki spet zahteva BMS. Poleg tega je BMS odgovoren za številne druge funkcije, ki bodo obravnavane v nadaljevanju.
Premisleki glede zasnove sistema za upravljanje baterij (BMS)
Pri oblikovanju BMS je treba upoštevati veliko dejavnikov. Popolni premisleki so odvisni od natančne končne aplikacije, v kateri se bo uporabljal BMS. BMS se poleg EV uporabljajo tudi povsod, kjer gre za litijevo baterijo, kot so na primer sončne celice, vetrnice, stene itd. Ne glede na uporabo mora zasnova BMS upoštevati vse ali več naslednjih dejavnikov.
Nadzor praznjenja: Primarna naloga BMS je vzdrževanje litijevih celic v varnem delovnem območju. Na primer, tipična litijeva 18650 celica bo imela pod napetostjo približno 3V. BMS je odgovoren, da se nobena celica v embalaži ne izprazni pod 3V.
Nadzor polnjenja: Poleg praznjenja mora postopek polnjenja spremljati tudi BMS. Večina baterij se ob neprimernem polnjenju običajno poškoduje ali zmanjša življenjska doba. Za polnilnik litijeve baterije se uporablja dvostopenjski polnilnik. Prva faza se imenuje Constant tok (CC), v katerem je polnilec oddaja konstanten tok za polnjenje baterije. Ko se baterija skoraj napolni, se začne druga stopnja, imenovana konstantna napetost (CV)uporablja se stopnja, pri kateri se akumulatorju pri zelo nizkem toku napaja konstantna napetost. BMS mora zagotoviti, da napetost in tok med polnjenjem ne presegata prepustnih meja, da se baterije ne napolnijo ali napolnijo hitro. Največjo dovoljeno polnilno napetost in polnilni tok najdete v obrazcu akumulatorja.
Določitev stanja napolnjenosti (SOC): SOC lahko predstavljate kot indikator goriva EV. Dejansko nam pove, kakšna je zmogljivost baterije v odstotkih. Tako kot tista v našem mobilnem telefonu. Ni pa tako enostavno, kot se sliši. Za napovedovanje kapacitete akumulatorja je treba vedno spremljati napetost in tok polnjenja / praznjenja. Ko izmerimo napetost in tok, obstaja veliko algoritmov, s katerimi lahko izračunamo SOC akumulatorja. Najpogosteje uporabljena metoda je metoda štetja kulonov; o tem bomo razpravljali kasneje v članku. Za merjenje vrednosti in izračun SOC je odgovoren tudi BMS.
Določitev zdravstvenega stanja (SOC): Kapaciteta akumulatorja ni odvisna samo od napetosti in tokovnega profila, temveč tudi od starosti in delovne temperature. Meritev SOH nam pove o starosti in pričakovanem življenjskem ciklu baterije na podlagi njene zgodovine uporabe. Na ta način lahko vemo, koliko kilometrine (prevožene razdalje po polnem polnjenju) EV zmanjša s staranjem baterije in tudi, kdaj je treba baterijo zamenjati. Prav tako mora BMS izračunati in voditi sledenje SOH.
Izravnava celic: Druga pomembna funkcija BMS je vzdrževanje izravnave celic. Na primer, v paketu s 4 zaporedno povezanimi celicami mora biti napetost vseh štirih celic vedno enaka. Če je ena celica manj ali visoka napetost kot druga, bo to vplivalo na celoten paket, recimo, če je ena celica pri 3,5 V, medtem ko so ostale tri pri 4 V. Med polnjenjem bodo te tri celice dosegle 4,2 V, medtem ko bi druga ravno dosegla 3,7 V, podobno se bo ta celica prva izpraznila na 3 V pred ostalimi tremi. Tako zaradi te ene celice vseh ostalih celic v paketu ni mogoče izkoristiti do maksimuma, kar ogroža učinkovitost.
Za reševanje tega problema mora BMS uvesti nekaj, kar se imenuje uravnoteženje celic. Obstaja veliko vrst tehnik uravnoteženja celic, vendar se najpogosteje uporabljajo ravnovesje celic aktivnega in pasivnega tipa. Pri pasivnem uravnoteženju je ideja, da se celice z odvečno napetostjo prisilno izpraznijo skozi obremenitev, kot je upor, da dosežejo vrednost napetosti drugih celic. Med aktivnim uravnoteženjem bodo močnejše celice uporabljene za polnjenje šibkejših celic, da izenačijo svoje potenciale. Več o uravnoteženju celic bomo izvedeli kasneje v drugem članku.
Termični nadzor: Življenjska doba in učinkovitost litijeve baterije je močno odvisna od delovne temperature. Akumulator ponavadi izprazni hitreje v vročih podnebjih primerjavi z običajnimi temperaturami. Če k temu dodamo še porabo močnega toka, bi temperatura še povečala. To zahteva termični sistem (večinoma olje) v bateriji. Ta toplotni sistem bi lahko znižal samo temperaturo, po potrebi pa tudi v hladnem podnebju. BMS je odgovoren za merjenje temperature posamezne celice in temu primerno nadzoruje termični sistem, da vzdržuje skupno temperaturo akumulatorja.
Napajanje iz same baterije: Edini vir energije, ki je na voljo v EV, je sama baterija. Torej bi moral biti BMS zasnovan tako, da ga napaja ista baterija, ki naj bi jo ščitil in vzdrževal. Morda se sliši preprosto, vendar povečuje težave pri zasnovi sistema BMS.
Manj idealne moči: BMS mora biti aktiven in deluje tudi, če avto teče, se polni ali je v idealnem načinu. Zaradi tega se vezje BMS neprekinjeno napaja, zato je obvezno, da BMS porabi zelo manj energije, da se baterija ne izprazni veliko. Ko EV ostanejo nedopolnjeni tedne ali mesece, BMS in druga vezja ponavadi sami izpraznijo baterijo, sčasoma pa jih je treba pred naslednjo uporabo zviti ali napolniti. Ta težava je še vedno pogosta tudi pri priljubljenih avtomobilih, kot je Tesla.
Galvanska izolacija: BMS deluje kot most med baterijo in ECU EV. Vse informacije, ki jih zbere BMS, je treba poslati na ECU, da se prikažejo na instrumentni plošči ali na armaturni plošči. BMS in ECU bi torej morala nenehno komunicirati prek standardnega protokola, kot je komunikacija CAN ali vodilo LIN. Zasnova BMS mora biti sposobna zagotoviti galvansko izolacijo med baterijskim sklopom in ECU-jem.
Zapisovanje podatkov: Za BMS je pomembno, da ima veliko pomnilniško banko, saj mora shraniti veliko podatkov. Vrednosti, kot je SOH za zdravje, je mogoče izračunati le, če je znana zgodovina polnjenja baterije. Torej ima BMS za sledenje časa polnilnih ciklov in napolnjenosti baterije od dneva namestitve, in prekiniti te podatke, če to zahteva. To pripomore tudi k zagotavljanju poprodajnih storitev ali analiziranju težave z EV za inženirje.
Natančnost: Ko se celica polni ali izprazni, napetost na njej postopoma narašča ali pada. Na žalost ima krivulja praznjenja (napetost v primerjavi s časom) litijeve baterije ravno področje, zato je sprememba napetosti zelo manjša. To spremembo je treba natančno izmeriti, da izračunamo vrednost SOC ali jo uporabimo za uravnoteženje celic. Dobro zasnovan BMS ima lahko natančnost do ± 0,2mV, vendar mora imeti natančnost najmanj 1mV-2mV. Običajno se v procesu uporablja 16-bitni ADC.
Hitrost obdelave: BMS EV mora narediti veliko drobljenja števil, da izračuna vrednost SOC, SOH itd. Za to obstaja veliko algoritmov, nekateri pa celo opravijo strojno učenje. Zaradi tega je BMS naprava, ki je lačna za obdelavo. Poleg tega mora izmeriti tudi napetost celic na stotinah celic in skoraj takoj opaziti subtilne spremembe.
Gradniki BMS
Na trgu je na voljo veliko različnih vrst BMS, lahko ga oblikujete sami ali celo kupite integrirano integrirano vezje, ki je na voljo. Z vidika strukture strojne opreme obstajajo le tri vrste BMS, ki temeljijo na njegovi topologiji, in sicer so centralizirani BMS, porazdeljeni BMS in modularni BMS. Vendar je funkcija teh BMS podobna. Spodaj je prikazan splošen sistem za upravljanje baterij.
Pridobivanje podatkov BMS
Analizirajmo zgornji funkcijski blok iz njegovega jedra. Primarna funkcija BMS je spremljanje akumulatorja, za katerega mora izmeriti tri ključne parametre, kot so napetost, tok in temperatura iz vsake celice v baterijskem paketu.. Vemo, da se akumulatorji tvorijo tako, da zaporedoma ali v vzporedni konfiguraciji povežemo veliko celic, kot ima Tesla 8.256 celic, v katerih je 96 celic zaporedno povezanih, 86 pa vzporedno, da tvorijo paket. Če je niz celic povezan zaporedno, moramo izmeriti napetost na vsaki celici, vendar bo tok za celoten sklop enak, saj bo tok enak v serijskem vezju. Podobno, ko je niz celic vzporedno povezan, moramo izmeriti samo celotno napetost, saj bo napetost na vsaki celici enaka, če bo vzporedno priključena. Spodnja slika prikazuje niz zaporedno povezanih celic, opazite, kako se merita napetost in temperatura posameznih celic, tok toka pa se meri kot celota.
"Kako izmeriti celično napetost v BMS?"
Ker ima tipičen EV veliko število celic, povezanih skupaj, je nekoliko zahtevno izmeriti napetost posameznih celic akumulatorja. Toda le, če poznamo napetost posamezne celice, lahko izvedemo uravnoteženje celic in zagotovimo zaščito celic. Za odčitavanje vrednosti napetosti celice se uporablja ADC. Toda zapletenost je velika, saj so baterije povezane zaporedno. To pomeni, da je treba sponke, na katerih se meri napetost, vsakič spremeniti. To lahko storite na več načinov, vključno z releji, mešanicami itd. Poleg tega obstaja tudi nekaj IC za upravljanje baterij, kot je MAX14920, ki se lahko uporablja za merjenje napetosti posameznih celic več zaporedno povezanih celic (12-16).
"Kako izmeriti temperaturo celice za BMS?"
Poleg temperature celice morajo BMS včasih meriti tudi temperaturo vodila in temperaturo motorja, saj vse deluje na močan tok. Najpogostejši element, ki se uporablja za merjenje temperature, se imenuje NTC, kar pomeni negativni temperaturni koeficient (NTC). Podoben je uporu, vendar spremeni (zmanjša) svoj upor glede na temperaturo okoli njega. Z merjenjem napetosti na tej napravi in z uporabo preprostega ohmskega zakona lahko izračunamo upor in s tem temperaturo.
Multiplexed Analog Front End (AFE) za merjenje napetosti in temperature celice
Merjenje napetosti celic se lahko zaplete, saj zahteva visoko natančnost in lahko tudi vbrizga preklopne zvoke iz mešanice, poleg tega pa je vsaka celica povezana s uporom prek stikala za uravnoteženje celic. Za premagovanje teh težav se uporablja AFE - Analog IC prednjega konca. AFE ima vgrajen Mux, medpomnilnik in ADC modul z visoko natančnostjo. Z enostavnim načinom lahko enostavno izmeri napetost in temperaturo ter podatke prenese na glavni mikrokrmilnik.
"Kako izmeriti tok toka za BMS?"
Akumulator EV lahko napaja velike vrednosti toka do 250A ali celo visoko, poleg tega pa moramo izmeriti tudi tok vsakega modula v paketu, da zagotovimo enakomerno porazdelitev obremenitve. Pri načrtovanju trenutnega zaznavnega elementa moramo zagotoviti tudi izolacijo med merilno in zaznavno napravo. Najpogosteje uporabljena metoda za zaznavanje toka sta metoda Shunt in metoda, ki temelji na Hallovem senzorju. Obe metodi imata svoje prednosti in slabosti. Prejšnje metode ranžiranja so veljale za manj natančne, toda z nedavno razpoložljivostjo visoko natančnih modelov ranžiranja z izoliranimi ojačevalniki in modulatorji so bolj prednostne kot metode, ki temeljijo na Hall-senzorju.
Ocena stanja baterije
Glavna računska moč BMS je namenjena oceni stanja akumulatorja. To vključuje merjenje SOC in SOH. SOC je mogoče izračunati z uporabo napetosti celice, toka, polnilnega profila in profila praznjenja. SOH lahko izračunamo s številom ciklov polnjenja in zmogljivostjo baterije.
"Kako izmeriti SOC baterije?"
Obstaja veliko algoritmov za merjenje SOC akumulatorja, od katerih ima vsak svoje vhodne vrednosti. Najpogosteje uporabljena metoda za SOC se imenuje metoda štetja Coulomb, imenovana tudi knjigovodska metoda. Pogovorili se bomo