Elektrinių transporto priemonių akumuliatorių valdymo sistema

7 ^-ajame 2013 sausio Boeing 787 skrydžio buvo pastatyti priežiūrai per tą mechanikas pastebėtus liepsnos ir dūmai iš pagalbinės jėgainės (ličio baterija) skrydžio, kuris naudojamas galios elektroninių skrydžio sistemas. Buvo stengiamasi užgesinti ugnį, tačiau praėjus 10 dienų, kol ši problema buvo išspręsta, sausio 16 ^d. „All Nippon Airways“ lėktuve „787“ įvyko dar vienas akumuliatoriaus gedimas, dėl kurio avarinis nusileidimas įvyko Japonijos oro uoste. Dėl šių dviejų dažnai katastrofiškų akumuliatorių gedimų „Boeing 787 Dreamliners“ skrydis buvo pagrįstas neribotą laiką, o tai sugadino gamintojo reputaciją ir sukėlė milžiniškus finansinius nuostolius.

Po bendro JAV ir Japonijos tyrimo serijos B-787 ličio baterijų paketas buvo atliktas kompiuterinės tomografijos tyrimas ir atskleidė, kad viena iš aštuonių ličio jonų elementų buvo pažeista, sukeldama trumpąjį jungimą, kuris sukėlė šiluminį pabėgimą su ugnimi. Šio įvykio būtų galima lengvai išvengti, jei ličio jonų akumuliatorių paketo akumuliatorių valdymo sistema būtų sukurta trumpam jungimui aptikti ir išvengti. Po kai kurių dizaino pakeitimų ir saugos taisyklių B-787 vėl pradėjo skristi, tačiau vis tiek incidentas tebėra įrodymas, įrodantis, kaip pavojingai ličio baterijos gali gauti, jei su jomis nebus tinkamai elgiamasi.

Greitai pirmyn 15 metų, šiandien mes turime elektrinius automobilius, naudojančius tuos pačius ličio jonų akumuliatorius, kurie yra supakuoti šimtu, o gal net tūkstančiais. Šie masyvūs akumuliatorių paketai, kurių įtampa yra apie 300 V, sėdi automobilyje ir darbo metu tiekia net 300 A (apytiksliais skaičiais) srovę. Bet kokia nesėkmė čia patektų į didelę nelaimę, todėl akumuliatorių valdymo sistema visada yra pabrėžiama EV. Taigi šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie šią baterijų valdymo sistemą (BMS) ir suskaidysime, kad suprastume jos dizainą ir funkcijas, kad suprastume ją daug geriau. Kadangi baterijos ir BMS yra glaudžiai susiję, labai rekomenduojama perskaityti ankstesnius straipsnius apie elektrines transporto priemones ir EV akumuliatorius.

Kodėl mums reikia baterijų valdymo sistemos (BMS)?

Ličio jonų baterijos pasirodė esančios įdomios baterijos elektrinių transporto priemonių gamintojams dėl didelio įkrovimo tankio ir mažo svorio. Nors šios baterijos dėl savo dydžio supakuojamos labai daug, jos yra labai nestabilios. Labai svarbu, kad šios baterijos niekada nebūtų per daug įkraunamos ar iškraunamos jokiomis aplinkybėmis, dėl kurių reikia stebėti jų įtampą ir srovę. Šis procesas tampa šiek tiek sunkesnis, nes yra daugybė elementų, sudarytų sudarant akumuliatoriaus paketą EV ir kiekviena ląstelė turėtų būti atskirai stebima dėl jos saugumo ir efektyvaus veikimo, kuriai reikalinga speciali skirta sistema, vadinama „ Battery Management System“. Be to, norėdami gauti maksimalų akumuliatoriaus efektyvumą, turėtume visiškai įkrauti ir iškrauti visas ląsteles tuo pačiu metu ta pačia įtampa, kuri vėl reikalauja BMS. Be to, BMS yra atsakingas už daugelį kitų funkcijų, kurios bus aptartos toliau.

Baterijos valdymo sistemos (BMS) projektavimo aspektai

Kuriant BMS, reikia atsižvelgti į daugybę veiksnių. Visi aspektai priklauso nuo tikslaus galutinio taikymo, kuriame bus naudojamas BMS. Be EV, BMS taip pat naudojamas visur, kur yra ličio akumuliatorių paketas, pavyzdžiui, saulės kolektorių matrica, vėjo malūnai, elektrinės sienos ir pan. Nepaisant taikymo, BMS dizainas turėtų atsižvelgti į visus ar daugelį šių veiksnių.

Iškrovimo kontrolė: Pagrindinė BMS funkcija yra išlaikyti ličio ląsteles saugaus veikimo srityje. Pavyzdžiui, tipinės ličio 18650 elementų įtampa yra apie 3 V. BMS yra atsakinga už tai, kad nė viena iš pakuotės ląstelių nebūtų išleidžiama žemiau 3 V.

Įkrovimo kontrolė: Be iškrovimo, įkrovimo procesą taip pat turėtų stebėti BMS. Netinkamai įkraunant, dažniausiai baterijos sugenda arba sutrumpėja. Ličio akumuliatorių įkrovikliui naudojamas dviejų pakopų įkroviklis. Pirmasis etapas yra vadinamas nuolatinės srovės (CC), kurio metu įkroviklis Išėjimai nuolatinę srovę į įkrauti akumuliatorių. Kai baterija beveik užpildoma, antrasis etapas vadinamas pastovia įtampa (CV)naudojamas etapas, kurio metu į akumuliatorių tiekiama pastovi įtampa esant labai silpnai srovei. BMS turėtų įsitikinti, kad įkrovimo metu tiek įtampa, tiek srovė neviršija pralaidžių ribų, kad nebūtų per daug įkraunami ar greitai įkraunami akumuliatoriai. Didžiausią leistiną įkrovimo įtampą ir įkrovimo srovę galite rasti akumuliatoriaus duomenų lape.

Įkrovos būsenos (SOC) nustatymas: Galite galvoti apie SOC kaip apie EV degalų rodiklį. Tai iš tikrųjų mums nurodo pakuotės akumuliatoriaus talpą procentais. Kaip ir tas, kuris yra mūsų mobiliajame telefone. Bet tai nėra taip lengva, kaip atrodo. Visada reikia stebėti pakuotės įtampą ir įkrovimo / iškrovimo srovę, kad būtų galima numatyti akumuliatoriaus talpą. Išmatavus įtampą ir srovę, yra daug algoritmų, kuriuos galima naudoti apskaičiuojant akumuliatoriaus paketo SOC. Dažniausiai naudojamas kulonų skaičiavimo metodas; apie tai plačiau aptarsime vėliau straipsnyje. BMS yra atsakingas už verčių matavimą ir SOC apskaičiavimą.

Sveikatos būklės nustatymas: akumuliatoriaus talpa priklauso ne tik nuo jo įtampos ir srovės profilio, bet ir nuo jo amžiaus bei veikimo temperatūros. SOH matavimas pasakoja apie akumuliatoriaus amžių ir numatomą gyvenimo ciklą, atsižvelgiant į jo naudojimo istoriją. Tokiu būdu mes galime žinoti, kiek sumažėja EV rida (nuvažiuotas atstumas po pilno įkrovimo) senstant akumuliatoriui, taip pat galime žinoti, kada reikėtų pakeisti akumuliatorių. BMS taip pat turėtų apskaičiuoti ir stebėti SOH.

Ląstelių balansavimas: Kita gyvybiškai svarbi BMS funkcija yra palaikyti ląstelių balansavimą. Pvz., Nuosekliai sujungtų 4 elementų pakete visų keturių elementų įtampa visada turėtų būti lygi. Jei viena ląstelė yra mažesnė arba aukštesnė nei kita, tai paveiks visą paketą, tarkime, jei viena ląstelė yra 3,5 V, o kitos trys - 4 V įtampos. Įkrovimo metu šios trys elementai pasieks 4,2 V įtampą, o kita būtų ką tik pasiekusi 3,7 V, taip pat ši ląstelė bus pirmoji, iškraunanti iki 3 V prieš kitas tris. Tokiu būdu dėl šios vienos langelio visos kitos pakuotės ląstelės negali būti išnaudotos maksimaliai, todėl pakenkta efektyvumui.

Norėdami išspręsti šią problemą, BMS turi įgyvendinti ląstelių balansavimą. Yra daugybė ląstelių balansavimo būdų, tačiau dažniausiai naudojami aktyvaus ir pasyvaus tipo ląstelių balansavimas. Pasyvaus balansavimo idėja yra ta, kad perteklinės įtampos elementai bus priversti iškrauti per apkrovą, pavyzdžiui, rezistorių, kad pasiektų kitų elementų įtampos vertę. Aktyviai balansuojant, stipresnės ląstelės bus naudojamos įkrauti silpnesnes ląsteles, kad išlygintų jų potencialą. Vėliau kitame straipsnyje sužinosime daugiau apie ląstelių balansavimą.

Terminis valdymas: ličio baterijų tarnavimo laikas ir efektyvumas labai priklauso nuo darbinės temperatūros. Baterija linkęs vykdyti greičiau karšto klimato, palyginti su normaliomis kambario temperatūroje. Prie to pridėjus didelės srovės suvartojimą, temperatūra dar labiau padidėtų. Tam reikalinga akumuliatorių pakuotėje šiluminė sistema (dažniausiai alyva). Ši šiluminė sistema turėtų sugebėti tik sumažinti temperatūrą, tačiau prireikus taip pat turėtų padidinti temperatūrą šaltame klimate. BMS yra atsakingas už atskirų elementų temperatūros matavimą ir atitinkamą šilumos sistemos valdymą, kad būtų palaikoma bendra baterijos paketo temperatūra.

Maitinamas iš pačios baterijos: vienintelis galimas energijos šaltinis, esantis EV, yra pati baterija. Taigi BMS turėtų būti suprojektuotas taip, kad jį maitintų ta pati baterija, kurią jis turėtų apsaugoti ir prižiūrėti. Tai gali atrodyti paprasta, bet tai padidina BMS dizaino sunkumus.

Mažiau idealios galios: BMS turėtų būti aktyvus ir važiuoti, net jei automobilis važiuoja ar kraunasi arba yra idealiu režimu. Dėl to BMS grandinė turi būti nuolat maitinama, todėl būtina, kad BMS suvartotų labai mažai energijos, kad neišeikvotų baterijos. Kai EV paliekamas neužkrautas savaitėms ar mėnesiams, BMS ir kitos schemos pačios savaime išsikrauna akumuliatorių, todėl prieš kitą naudojimą jas reikia sukti arba įkrauti. Ši problema vis dar išlieka įprasta net tokiems populiariems automobiliams kaip „Tesla“.

Galvaninė izoliacija: BMS veikia kaip tiltas tarp akumuliatoriaus bloko ir EV ECU. Visa BMS surinkta informacija turi būti nusiųsta į ECU, kad ji būtų rodoma prietaisų skydelyje arba prietaisų skydelyje. Taigi BMS ir ECU turėtų nuolat bendrauti dažniausiai per standartinį protokolą, pvz., CAN ryšį ar LIN magistralę. BMS konstrukcija turėtų galėti užtikrinti galvaninę izoliaciją tarp akumuliatoriaus ir ECU.

Duomenų registravimas: BMS svarbu turėti didelį atminties banką, nes jis turi saugoti daug duomenų. Tokias vertes kaip sveikatos būklės SOH galima apskaičiuoti tik tuo atveju, jei yra žinoma akumuliatoriaus įkrovimo istorija. Taigi BMS turi sekti akumuliatoriaus įkrovimo ciklus ir įkrovimo laiką nuo įdiegimo datos ir prireikus nutraukti šiuos duomenis. Tai taip pat padeda teikti aptarnavimą po pardavimo arba analizuoti inžinierių EV problemas.

Tikslumas: Kai elementas yra įkraunamas arba iškraunamas, jo įtampa palaipsniui didėja arba mažėja. Deja, ličio akumuliatoriaus iškrovimo kreivė (įtampa ir laikas) turi plokščius regionus, todėl įtampos pokytis yra labai mažas. Šis pokytis turi būti tiksliai išmatuotas, norint apskaičiuoti SOC vertę arba panaudoti jį ląstelių balansavimui. Gerai suprojektuotas BMS tikslumas gali siekti ± 0,2 mV, tačiau jo tikslumas turėtų būti ne mažesnis kaip 1mV – 2mV. Paprastai procese naudojamas 16 bitų ADC.

Apdorojimo greitis: EV BMS turi atlikti daugybę skaičių, kad apskaičiuotų SOC, SOH ir tt vertę. Tam yra daug algoritmų, o kai kurie netgi naudoja mašininį mokymąsi, kad atliktų užduotį. Tai daro BMS apdorojimo alkanu įrenginiu. Be to, jis taip pat turi išmatuoti ląstelių įtampą šimtuose ląstelių ir beveik iš karto pastebėti subtilius pokyčius.

BMS statybiniai blokai

Rinkoje yra daugybė įvairių BMS tipų, galite patys sukurti savo dizainą ar net įsigyti lengvai prieinamą integruotą IC. Aparatinės įrangos struktūros požiūriu, atsižvelgiant į jo topologiją, yra tik trys BMS tipai. Tai yra centralizuotas BMS, paskirstytas BMS ir modulinis BMS. Tačiau šių BMS funkcija yra panaši. Toliau pavaizduota bendra baterijų valdymo sistema.

BMS duomenų gavimas

Panagrinėkime pirmiau pateiktą funkcijų bloką nuo jo pagrindo. Pagrindinė BMS funkcija yra stebėti akumuliatorių, kuriam reikia išmatuoti tris gyvybiškai svarbius parametrus, tokius kaip įtampa, srovė ir temperatūra iš kiekvieno akumuliatoriaus elemento. Mes žinome, kad akumuliatorių paketai formuojami sujungiant daugelį ląstelių nuosekliai arba lygiagrečiai, pvz., „Tesla“ turi 8 256 elementus, kuriuose 96 ląstelės sujungtos nuosekliai, o 86 - lygiagrečiai, kad būtų sudarytas paketas. Jei elementų rinkinys yra sujungtas nuosekliai, turime matuoti įtampą kiekvienoje ląstelėje, tačiau viso rinkinio srovė bus tokia pati, nes nuoseklioje grandinėje srovė bus vienoda. Panašiai, kai ląstelių rinkinys yra sujungtas lygiagrečiai, turime matuoti tik visą įtampą, nes įtampa visose ląstelėse bus vienoda, kai jie bus prijungti lygiagrečiai. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodytas nuosekliai sujungtų elementų rinkinys. Galite pastebėti matuojamą atskirų elementų įtampą ir temperatūrą, o pakuotės srovė matuojama kaip visuma.

"Kaip išmatuoti ląstelių įtampą BMS?"

Kadangi tipiniame EV yra daugybė sujungtų elementų, yra sunku išbandyti atskirą akumuliatoriaus elemento elemento įtampą. Bet tik tada, jei žinome atskirą elemento įtampą, galime atlikti balansavimą ir užtikrinti ląstelių apsaugą. Norint nuskaityti elemento įtampos vertę, naudojamas ADC. Tačiau sudėtingumas yra didelis, nes baterijos yra sujungtos nuosekliai. Tai reiškia, kad gnybtai, per kuriuos matuojama įtampa, turi būti keičiami kiekvieną kartą. Yra daug būdų, kaip tai padaryti, įskaitant reles, muxus ir kt. Be to, yra keletas akumuliatoriaus valdymo IC, tokių kaip MAX14920, kuris gali būti naudojamas matuoti kelių nuosekliai sujungtų elementų (12-16) atskirų elementų įtampą.

„Kaip išmatuoti ląstelių temperatūrą KMS?“

Be elemento temperatūros, kartais BMS taip pat turi matuoti magistralės temperatūrą ir variklio temperatūrą, nes viskas veikia esant didelei srovei. Dažniausias elementas, naudojamas temperatūrai matuoti, vadinamas NTC, kuris reiškia neigiamą temperatūros efektyvumą (NTC). Jis yra panašus į rezistorių, tačiau keičia (sumažina) atsparumą, atsižvelgiant į aplink jį esančią temperatūrą. Matuodami šio prietaiso įtampą ir naudodami paprastą omų dėsnį, galime apskaičiuoti varžą, taigi ir temperatūrą.

Multipleksuotas analoginis priekinis galas (AFE) elementų įtampai ir temperatūrai matuoti

Ląstelės įtampos matavimas gali tapti sudėtingas, nes tam reikalingas didelis tikslumas, taip pat gali būti įjungiami perjungimo garsai iš „mux“, išskyrus tai, kad kiekviena ląstelė yra prijungta prie rezistoriaus per jungiklį, skirtą elementų balansavimui. Šioms problemoms įveikti naudojamas AFE - analoginis priekinės grandinės IC. AFE įmontuotas didelio tikslumo „Mux“, buferis ir ADC modulis. Tai galėtų lengvai išmatuoti įtampą ir temperatūrą įprastu režimu ir perduoti informaciją į pagrindinį mikrovaldiklį.

„Kaip išmatuoti BMS pakuotės srovę?“

EV akumuliatorių paketas gali gauti didelę srovės vertę iki 250A arba net didelę, be to, mes taip pat turime išmatuoti kiekvieno paketo modulio srovę, kad įsitikintume, jog apkrova paskirstyta tolygiai. Kurdami dabartinį jutimo elementą, mes taip pat turime užtikrinti matavimo ir jutimo prietaiso izoliaciją. Dažniausiai naudojamas srovės jutimo metodas yra Shunto metodas ir Hall-sensoriumi pagrįstas metodas. Abu metodai turi savo pliusų ir minusų. Ankstesni šunto metodai buvo laikomi ne tokiais tiksliais, tačiau, atsižvelgiant į pastaruoju metu prieinamus aukšto tikslumo šuntų dizainus su izoliuotais stiprintuvais ir moduliatoriais, jie yra labiau pageidaujami nei salės jutikliu pagrįstas metodas.

Baterijos būsenos įvertinimas

Pagrindinė BMS skaičiavimo galia skirta įvertinti akumuliatoriaus būseną. Tai apima SOC ir SOH matavimą. SOC galima apskaičiuoti naudojant elemento įtampą, srovę, įkrovimo profilį ir iškrovimo profilį. SOH galima apskaičiuoti naudojant įkrovimo ciklo skaičių ir akumuliatoriaus veikimą.

„Kaip išmatuoti akumuliatoriaus SOC?“

Yra daug algoritmų akumuliatoriaus SOC matuoti, kiekvienas turi savo įvesties vertes. Dažniausiai naudojamas SOC metodas vadinamas „Coulomb Counting“, dar žinomo kaip knygų tvarkymo metodas. Aptarsime