Sažetak
Ovaj se članak fokusira na hardverske aspekte sustava za upravljanje baterijama (BMS) u električnim vozilima i fiksnim aplikacijama. Svrha je prikazati koncepte u postojećim naprednim sustavima, omogućujući čitateljima da razumiju čimbenike koje treba uzeti u obzir pri projektiranju BMS-a za specifične primjene. Nakon kratke analize općih zahtjeva, proučavano je nekoliko mogućih topoloških struktura baterijskih paketa i njihov utjecaj na složenost BMS-a. Uzimajući četiri paketa baterija odabranih iz komercijalno dostupnih električnih vozila kao primjer za objašnjenje. Nakon toga, raspravljalo se o aspektima implementacije mjerenja potrebnih fizičkih varijabli (napon, struja, temperatura, itd.), kao io pitanjima i strategijama balansiranja. Na kraju, raspravljalo se o aspektima sigurnosti i pouzdanosti.
1. Uvod
Složenost sustava za upravljanje baterijama (BMS) ovisi o primjeni. Jedna baterija, jednostavna poput mobilnog telefona ili čitača e-knjiga, može se mjeriti jednostavnim IC "mjeračem baterije", koji može mjeriti napon, temperaturu i struju te procijeniti stanje napunjenosti (SOC). Složen poput električnih vozila, BMS treba izvršiti složenije zadatke. Uz mjerenje osnovnih parametara kao što su napon baterije, temperatura i struja, također su potrebni napredni algoritmi za određivanje dostupne energije za izračun dometa krstarenja.
Ovaj se rad usredotočuje na hardverski aspekt sustava upravljanja litij-ionskim baterijama. Drugi dio predstavlja hardverske zahtjeve za BMS, uključujući mjerne vrijednosti, elektromagnetske smetnje, električnu izolaciju, kontaktore i redundanciju. Odjeljak 3 daje pregled topologije BMS-a, pojašnjava razlike između jednostavnih i složenih aplikacija i daje primjer baterije za električno vozilo. Odjeljak 4 objašnjava kako zadovoljiti zahtjeve mjerenja fizičke vrijednosti i uobičajene zamke. Odjeljak 5 govori o bilanci, uvodi i uspoređuje metode uravnoteženja naboja. Odjeljak 6 fokusiran je na sigurnost i pouzdanost, uključujući rizike i protumjere rada visokonaponskih baterijskih paketa, te ukratko predstavlja metode mjerenja izolacije i povezane standarde.
2. Projektni zahtjevi za sustav upravljanja baterijom (BMS)
Projektiranje BMS-a složen je zadatak koji zahtijeva razmatranje specifičnih zahtjeva aplikacije, okruženja sustava i karakteristika korištenih baterija, iz kojih se može izvesti niz zahtjeva sustava. Općenito govoreći, sljedeće BMS komponente i funkcionalni zahtjevi obično su relevantni:
Sakupljanje temperature
Izbor i postavljanje senzora:Točno prikupljanje temperature je teško pri projektiranju BMS-a, a potrebno je razmotriti vrstu senzora (digitalni ili analogni) i mjesto za mjerenje temperature baterije, što određuje broj senzora temperature baterije. Ponekad je potrebno prikupiti temperaturu kontaktora, osigurača ili sabirnica. Obično postoji određeni udio kanala između senzora temperature i senzora napona.
Temperaturni zahtjevi za različite scenarije primjene:Zahtjevi za temperaturu trebaju uzeti u obzir tri situacije: punjenje, pražnjenje i skladištenje, a pritom također treba obratiti pozornost na temperaturnu vremensku konstantu. Litij-ionske baterije ne mogu pravilno funkcionirati izvan određenog temperaturnog raspona, a litij može doći do presvlačenja pri visokim strujama unutar normalnog temperaturnog raspona. Stoga je potrebno točno prikupiti temperaturu, napon i struju. Na toplinski kapacitet i toplinsku vodljivost baterija utječu čimbenici kao što je struktura baterije, a nepravilno postavljanje temperaturnih senzora može dovesti do pogrešnog očitavanja i toplinskih mrtvih točaka.
Akvizicija napona
Kanal akvizicije i točnost:Klasični BMS koji se temelji na litij-ionskim baterijama zahtijeva najmanje jedan kanal za prikupljanje napona za svaku serijski spojenu bateriju, a neke automobilske aplikacije također imaju sekundarnu zaštitu (postignutu programibilnim prozorskim komparatorom). Stopa pretvorbe podataka o prikupljanju napona varira ovisno o primjeni, a često korišteni BMS prednji čipovi imaju određenu točnost i razlučivost napona.
Utjecaj na procjenu SOC-a:Uzimajući NMC i LFP baterije kao primjere, pokazano je da točnost prikupljanja napona ima značajan utjecaj na procjenu SOC. Što je veća točnost, točnija je procjena SOC-a, a korištenje samo podataka o naponu za određivanje SOC-a možda neće biti dovoljno.
Slika 1. Usporedba nesigurnosti SOC ovisi o točnosti napona od ± 1 mV.
Trenutna zbirka
Metoda prikupljanja i karakteristike senzora:SOC se može odrediti ne samo mjerenjem napona otvorenog kruga (OCV), već i korištenjem metode Coulombovog brojanja (mjerenje struje i integracija). Međutim, trenutni senzori imaju neidealne karakteristike kao što su drift, offset i temperaturne pogreške, i možda će morati istovremeno zadovoljiti različite zahtjeve raspona mjerenja i imati određenu propusnost.
U praktičnim primjenama, oslanjanje isključivo na Coulombovo brojanje za određivanje SOC je netočno, posebno u uvjetima niske struje. Kako bi se riješio ovaj problem, moguće je kombinirati algoritme i parametrizirane modele za obradu trenutnih podataka, ali to je izvan dosega ovog članka.
Komunikacijski zahtjevi
Komunikacija unutar sustava:BMS treba komunicirati s cijelim sustavom (kao što je energetska elektronika, upravljanje energijom ili upravljačke jedinice vozila), uzimajući u obzir čimbenike kao što su način komunikacije, brzina, robusnost i pouzdanost. Na primjer, CAN sučelja mogu biti potrebna u vozilima za komunikaciju sustava, a različite aplikacije mogu već imati određene komunikacijske zahtjeve na razini sustava, kojima se BMS treba prilagoditi.
Komunikacija između modula:Za modularne sustave potrebno je definirati način komunikacije između master i slave modula, koji je sličan osnovnim zahtjevima za međusistemsku komunikaciju. Konkretni primjeri mogu se pronaći u narednim poglavljima.
Zaštita od elektromagnetskih smetnji (EMI).
Utjecaj EMI na senzore:EMI može utjecati na prikupljanje podataka senzora, a svi senzori su podložni njegovom utjecaju, što može rezultirati malim iskrivljenjem ili potpunom beskorisnošću podataka.
Mjere za smanjenje utjecaja EMI:Kako bi se utjecaj smanjio na najmanju moguću mjeru, motori, elektroničke komponente napajanja i druga opterećenja trebaju imati dobar EMI dizajn, a mogu se koristiti i odgovarajući uređaji za filtriranje EMI-a kao što su prigušnice zajedničkog načina rada i kondenzatori za blokiranje i instalirati ih u blizini mjerne staze senzora.
Zahtjevi koji se odnose na kontaktore
Funkcija i zahtjevi kontaktora:Većina paketa baterija zahtijeva mogućnost električnog odvajanja barem jedne elektrode, što zahtijeva odgovarajući kontaktor. Zbog posebne prirode prekidanja istosmjerne struje i gašenja luka, kontaktori moraju imati magnetske uređaje za gašenje luka i trebaju izbjegavati kontaktno zavarivanje.
Mjere sigurnosnog rada:Kako bi se osigurala sigurnost, potreban je poseban strujni krug (kao što je jedinica za prethodno punjenje koja se sastoji od serijski povezanih kontaktora i otpornika) tijekom rada sklopke kontaktora kako bi se osiguralo da nema razlike u potencijalu između dva kraja i izbjegle opasne situacije.
Zahtjevi redundancije
Uloga redundancije u pouzdanosti sustava:Prema standardu ISO 26262, redundancija može poboljšati pouzdanost sustava. Napon baterije obično se promatra redundantno do određene mjere, s dvije metode: preciznim mjerenjem pomoću glavnog čipa i binarnim informacijama koje pruža pomoćni čip.
Koncept više razine redundantnosti:Koncepti zalihosti također postoje u obradi na višoj razini, kao što je korak zaključavanja, ispravljanje grešaka u memoriji i mehanizmi samotestiranja u posebnim procesorima.
Zahtjevi za električnu izolaciju
Izolacija baterije:Baterija se obično dijeli na visokonaponske i niskonaponske dijelove, koji zahtijevaju električnu izolaciju i mogu se postići optičkim, induktivnim ili kapacitivnim metodama.
Izolacija toplinskog senzora:Svi toplinski senzori također moraju biti električno izolirani kako bi se izbjegle greške visokog napona koje utječu na dijelove niskog napona, slično konceptu rasporeda IT mreže za distribuciju električne energije.
Zahtjevi za ravnotežu
Utjecaj neravnoteže napunjenosti:Može doći do neravnoteže napunjenosti između serijski spojenih baterija, što može utjecati na performanse i pouzdanost sustava, a općenito je potrebno održavati je na niskoj razini.
Posebna razmatranja primjene:Različite primjene mogu imati posebna razmatranja, kao što su ograničenja težine ili zahtjevi za struju punjenja, što može dovesti do stvaranja balansne struje. Odjeljak 5 dalje će predstaviti potrebu i metode provedbe uravnoteženja.
Ostali zahtjevi
Zahtjevi koji se odnose na aplikaciju:Aplikacija također može imati neke druge zahtjeve, kao što su prostor, cijena, mehanička čvrstoća hardvera, težina i potrošnja energije, koji nisu fokus ovog članka, ali ih treba razmotriti.
3. Topološka struktura BMS-a
Pregled strukture baterijskog sustava:Kako bi se zadovoljile električne specifikacije sustava, baterije se često moraju kombinirati u pakete baterija s više topologija povezivanja. Serijski spoj može postići određeni raspon napona i smanjiti struju; Paralelno povezivanje može povećati kapacitet. Postoje različite varijante u praktičnim primjenama, kao što je paralelno spajanje baterija malog kapaciteta u module i serijsko spajanje ili izravno korištenje baterija velikog kapaciteta u serijskom spajanju. Različite topologije imaju različite utjecaje na složenost BMS-a, kao što je povećani trošak nadzora i balansiranja kada je više serijskih baterija spojeno paralelno.
Slika 2. Shematski dijagram različitih topologija paketa baterija: (a) jedna ćelija; (b) Paralelni spoj dviju baterija; (c) Serijski spoj tri baterije; (d) Paralelni spoj dvije serijske i tri serijske baterije; (e) Serijski spoj triju modula koji se sastoje od dvije paralelne baterije.
Tablica 1. Karakteristike topoloških varijanti prikazane su na slici 2.
Navedite primjer za ilustraciju načina spajanja baterije i zahtjeva za kanal mjerenja napona: na primjer, kombinacija m serijski spojenih baterija i n paralelno povezanih baterija zahtijeva različit broj kanala mjerenja napona za različite načine spajanja.
Rasprava o posebnom slučaju:U nekim posebnim primjenama (kao što su sonda Mars Europske svemirske agencije i sonda Rosetta), praćenje i balansiranje jedne ćelije možda se neće izvršiti zbog čimbenika kao što su veličina, težina i potrošnja energije. Iako neka mišljenja sugeriraju da se pažljivim odabirom baterija iz iste serije može izostaviti nadzor, istraživanje je pokazalo da čak i baterije iz iste serije mogu imati različito ponašanje starenja, a izostavljanje nadzora može predstavljati rizik. Međutim, za male sustave i napone baterija unutar određenog raspona, utjecaj izostavljanja nadzora može biti relativno mali.
Povezano s integriranim krugom (IC).
IC s osnovnom funkcijom nadzora:Kako bi se postigla osnovna funkcija nadzora sigurnog rada baterije, proizvođači poluvodiča daju različite integrirane sklopove specifične za primjenu (ASIC). Za male elektroničke uređaje s jednom ćelijom, postoji IC "mjerač goriva" koji može pratiti napon, struju i temperaturu, procijeniti SOC, a može uključivati i funkcije kao što su regulatori punjenja. Na primjer, TI-jev "bq27220" i Maximov srodni IC-ovi.
IC za sustave velike potrošnje i energije
Modularizacija i raspodjela funkcija:Za aplikacije s velikim zahtjevima za snagom i/ili energijom, paket baterija sastoji se od više baterija, a relevantni IC može istovremeno nadzirati više baterija i pružiti funkciju balansiranja. U sustavu postoji središnji modul (BMS Master) odgovoran za složene funkcije kao što su SOC procjena i algoritmi za predviđanje snage; Prednji IC modul (BMS Slaves) odgovoran je za osnovne funkcije kao što su prikupljanje i filtriranje signala.
Slika 3. Tipična struktura BMS-a za aplikacije električnih vozila.
Različiti primjeri IC-a i metode balansiranja:Na primjer, TI-jevi bq76PL536A, MAX11068 i LT6802G-2 pružaju pasivno balansiranje, dok se AMS-ov AS8506C može koristiti za topologiju pasivnog balansiranja, a također pruža mogućnost aktivnog balansiranja. Neki IC-ovi imaju proizvode nasljednike, a za poboljšanje pouzdanosti nadzora napona mogu se koristiti IC-ovi za sekundarnu zaštitu. Iako potpuno redundantni BMS može poboljšati pouzdanost, cijena je visoka.
Komunikacija i prijenos podataka
Način povezivanja IC prednjeg kraja:Prednji IC-ovi obično se mogu spojiti lančano, a različiti IC-ovi imaju različite metode sučelja. MAX11068 je spojen preko I2C priključka, TI-jev bq76PL536A pruža više sučelja, a LT6802G-2 je spojen preko SPI sabirnice (zahtijeva dodatni digitalni izolator).
Metoda komunikacije sustava:U sustavu se jeftini mikrokontroleri obično koriste za povezivanje IC-ova na istoj tiskanoj pločici, a moduli na drugim tiskanim pločama i glavni moduli BMS-a povezani su preko sabirnice polja (kao što je CAN).
Stvarni slučaj
Mitsubishi i-MiEV:Baterija se sastoji od više modula povezanih vijcima, s 88 prizmatičnih baterija. PCB na modulu sadrži IC-ove za nadzor i temperaturne senzore, a kućište baterije sadrži više komponenti. Glavni modul BMS-a nalazi se ispod stražnjih sjedala vozila i komunicira putem interne CAN sabirnice. U usporedbi s drugim baterijama, njegov unutarnji prostor je prostraniji, što može biti nuspojava zračnog hlađenja.
Slika 4. (a) Mitsubishi i-MiEV paket baterija; (b) Volkswagen e-Up baterija; (c) Paket baterija za električni pogon Smart fortwo. Napomena: metode skaliranja su različite.
Slika 5. (a) Pogled odozgo na baterijski modul Tesla Model S; (b) Volkswagen e-Up baterijski modul, 6s2p modul, pogled odozgo.
Smart Fortwo Electric Edition:Baterija se sastoji od 90 serija spojenih torbičastih baterija, sa sustavom hlađenja, a osnovne zadatke nadzora obavlja TI-jev IC, sličan bq76PL536A. Svaki PCB sadrži više IC-ova za nadzor i mikrokontrolera, a glavni modul BMS-a nalazi se unutar kućišta baterije, s visokom integracijom i nekoliko kabela.
Volkswagen e-Up:Baterija sadrži višestruke serijske module, nema sustav hlađenja ili servisni uređaj za isključivanje, centralizirani BMS modul, spojen na bateriju i mjerni IC (MAX11068) preko velikog broja linija za mjerenje napona, s velikim brojem uravnoteženih otpornika i mikrokontrolerom bez pretvorbe signali.
Tesla Model S:Baterija se sastoji od velikog broja 18650 baterija, podijeljenih u više modula, povezanih preko spojnih žica. BMS se nadzire pomoću TI-jevog bq76PL536A-Q1, a napon se mjeri pomoću žica za zavarivanje. U usporedbi s drugim baterijama, njezina je razina integracije drugačija, poput niske razine integracije Volkswagen e-Up i visoke razine integracije Smart Fortwo.
4. Pregled mjerne tehnologije VN baterijskog sustava
Važnost mjerne tehnologije:Tehnologija mjerenja ključna je komponenta sustava za upravljanje baterijama, koja može odrediti varijable stanja kao što su SOC, SOH, SOF, itd. Ona obično mjeri varijable kao što su napon baterije, ukupni napon, ukupna struja i temperatura baterijskih sustava. Ove varijable stanja mogu zaštititi baterijski sustav od oštećenja kao što su prekomjerno punjenje ili prekomjerno pražnjenje i optimizirati korištenje baterijskog sustava.
Zahtjevi senzora:Odredite tipične zahtjeve za senzore na temelju aplikacija za pohranu baterija, uključujući cijenu, propusnost, točnost, raspon mjerenja i veličinu, kao što je detaljno opisano u odjeljku 2.
Mjerenje struje
Klasifikacija metode mjerenja:Oprema za odvod struje podijeljena je u dvije osnovne senzorske tehnologije: električnu vezu i izolaciju. Uobičajeno korišteno mjerenje struje otpornika pripada vrsti električnog povezivanja, a Hallov senzor je primjer izolacijskog tipa.
Osim tehnologije senzora, potrebno je uzeti u obzir i položaj u baterijskom paketu. Za sustave baterija koji sadrže višestruke nizove koji se mogu mijenjati, svaki bi niz trebao biti opremljen uređajem za nadzor struje za praćenje neravnoteže snage.
Mjerenje otpora šanta
Princip mjerenja i karakteristike:Kombinacijom niskog otpora, otpora visoke preciznosti i sustava mjerenja napona visoke preciznosti, struja se mjeri. Otpor se nalazi na putanji struje, a gubitak snage i porast temperature nastaju kada struja prolazi. Prilikom odabira otpornika, potrebno je uravnotežiti gubitak i potrebu za stvaranjem odgovarajućeg pada napona. Kod mjerenja s visokom preciznošću također treba uzeti u obzir temperaturni koeficijent i dugotrajnu stabilnost otpornika.
Ova se metoda može koristiti za mjerenje istosmjerne i izmjenične struje, a ima prednosti jednostavnosti, linearnosti i velike propusnosti. Međutim, mjerni raspon ograničen je točnošću mjerenja napona.
Usporedba mjerenja niske i visoke strane
Mjerenje niske strane odnosi se na otpornik koji se nalazi između pozitivnog pola baterije i opterećenja. Njegova prednost je u tome što je ulazni zajednički napon nizak i može se koristiti veliki broj strujnih pojačala. Strujni krug je jednostavan i isplativ, ali će ometati putanju uzemljenja i ne može otkriti premosnicu struje velikog opterećenja.
Mjerenje visoke strane odnosi se na otpornik koji se nalazi između opterećenja i negativnog pola ili mase baterije. Njegova prednost je u tome što može izbjeći smetnje uzemljenja i otkriti kratke spojeve, ali zahtijeva konverziju razine izlaza pojačala i zahtijeva da pojačalo izdrži visok zajednički napon.
Kontaktni senzori manje struje (Hall senzori, itd.)
Princip mjerenja i prednosti:Korištenje magnetskog polja generiranog strujom za mjerenje, kao što su Hallovi senzori temeljeni na Hallovom učinku, bez povećanja otpora strujnog puta, bez dodatnih vodljivih gubitaka, s prednostima električne izolacije i bez potrebe za dodatnim optokaplerima ili digitalnim izolatorima za kondicioniranje signala.
Hallovi senzori se mogu kupiti kao integrirani krugovi, postavljeni na putanju struje, a njihov izlaz je potrebno filtrirati. Također su dostupni kompletni moduli koji se sastoje od feritnih prstenova koji sadrže Hallove senzore i mogu osigurati električnu izolaciju.
Karakteristike i ograničenja senzora:Glavni nedostatak je ograničena širina pojasa, koja obično ne prelazi desetke kHz, i temperaturni pomak u izlaznom signalu koji treba kompenzirati. Ako baterijski sustav zahtijeva veću propusnost, treba koristiti mjerenje otpora shunta, a Hallovi senzori su skupi i glomazni.
Mjerenje napona
Razlikovanje mjerenja napona baterije:Kod litij-ionskih baterija potrebno je razlikovati mjerenje napona svake baterije od ukupnog napona baterije. Rasponi napona ova dva su različiti, a zbroj svih napona akumulatora trebao bi biti jednak ukupnom naponu, što se može koristiti kao kriterij za procjenu racionalnosti.
Mjerenje napona baterije:obično upotpunjen integriranim BMS prednjim čipom. Broj baterija koje se mogu spojiti na čipove na tržištu varira, a redundancija i pouzdanost sustava također se mogu poboljšati putem sekundarnih nadzornih sklopova.
Mjerenje napona baterije:dovršen zasebnom mjernom jedinicom, uključujući razdjelnik napona, pretvarač impedancije, filtar i analogno-digitalni pretvarač (ADC). Razdjelnik napona koristi se za smanjenje napona baterije na odgovarajući raspon, što može zahtijevati višestruke otpornike kako bi se osigurala sigurnost, kao i Zener dioda za zaštitu sljedećeg kruga. Istodobno se za dobivanje izmjerenog napona koriste pretvarači impedancije, filtri i ADC.
Mjerenje temperature
Uobičajene vrste i principi senzora temperature:Uobičajeni senzori temperature uključuju tipove negativnog temperaturnog koeficijenta (NTC) i pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC), koji temperaturu mjere mjerenjem pada napona pod konstantnom strujom. Njihov otpor varira s temperaturom i mogu se koristiti unutar određenog temperaturnog raspona, ali postoje nelinearni problemi.
Problemi i rješenja u korištenju senzora:Zbog nelinearnosti, tražena tablica je potrebna u lancu digitalne obrade za kalibraciju izračuna temperature. Postoje i neki senzori koji koriste digitalna sučelja koja su praktičnija za korištenje, ali treba imati na umu probleme s EMI-jem kada ih postavljate blizu putova velike snage u baterijskim paketima. Ostale metode mjerenja kao što su metalni PTC i termoelementi mogu pružiti veću točnost i širi temperaturni raspon, ali uz veću elektroničku složenost.
Prijenos podataka
Karakteristike i scenariji primjene različitih komunikacijskih sabirnica:potrebna je komunikacija između BMS modula i između BMS-a i cijelog sustava. CAN sabirnica se obično koristi u okruženju vozila, uz fleksibilnost i otpornost na buku; LIN sabirnica je relativno jednostavna, ali spora u brzini, ima slabu fleksibilnost i nije diferencijalna, što je čini prikladnom za scenarije s visokim zahtjevima troškova; Ostala komunikacijska sučelja kratkog dometa kao što su SPI, I2C i OneWire sabirnica nisu prikladna za komunikaciju između modula na velikim udaljenostima sklonu smetnjama; Ako je brzina CAN sabirnice nedovoljna ili je potrebna deterministička sposobnost u stvarnom vremenu, može se koristiti FlexRay sabirnica ili Ethernet.
5. Balans baterije
Razlog razlike u SOC baterije:U serijski spojenim baterijama, razlike u proizvodnji i različiti radni i okolišni uvjeti (kao što je temperatura) mogu dovesti do nejednakosti između baterija. Ovi čimbenici mogu uzrokovati različite početne uvjete, starenje i stope samopražnjenja, što dovodi do odstupanja u vrijednostima SOC, kapaciteta i otpora. Ovaj se odjeljak uglavnom fokusira na razlike u SOC-u i kapacitetu, a ne uključuje razlike u unutarnjem otporu. Istraživanja su pokazala da će čak i baterije s istim početnim kapacitetom i opterećenjem imati razlike u kapacitetu nakon uporabe. Na primjer, baterije 18650 s istim početnim kapacitetom, s preostalim kapacitetom od 80% kao standardom na kraju životnog vijeka, imaju ciklus ciklusa između 1000-1500 puta. U isto vrijeme, postoje razlike u brzini samopražnjenja različitih baterija, kao što su komercijalne meke baterije pohranjene na 40 stupnjeva C, gdje otpor samopražnjenja varira između 10 k Ω i 14 k Ω.
Slika 6. (a) Razlozi za neuravnotežene ćelije baterije, brojevi temeljeni na [57]; (b) Klasifikacija različitih metoda ravnoteže odnosi se na smjer prijenosa energije kao naziv prikazane nedisipativne metode.
Neophodnost ravnoteže:Razlike u SOC-u, kapacitetu i unutarnjem otporu mogu dovesti do smanjenja raspoložive energije baterije, što se može riješiti putem balansnog kruga.
Pregled metoda bilance
Hardverska implementacija:Literatura opisuje različite metode implementacije hardvera za balansiranje krugova, koji se mogu klasificirati u različite topološke strukture, metode upravljanja (kao što su aktivno/pasivno) ili komercijalnu dostupnost.
Metode balansiranja u komercijalnim aplikacijama:Većina komercijalnih paketa baterija koristi kontrolirane pasivne sustave balansiranja, koji se postižu paralelnim balansirajućim otpornicima na oba kraja baterije. Ova metoda može samo riješiti problem varijacije SOC-a, s malom ravnotežnom strujom (oko 100 mA) i bez promjene kapaciteta baterije, što može biti ograničeno rasipanjem energije BMS-a ili promjerom kabela između baterije i kruga za nadzor. Svaka baterija ili paralelna kombinacija baterija ima preklopni balansni otpornik s vrijednošću otpora između 30 Ω -40 Ω (pod pretpostavkom da je napon baterije 4,2 V), a svaka baterija troši između 387 mW -430 mW.
Metode za rješavanje različitih problema kapaciteta:Za rješavanje različitih problema s kapacitetom potrebne su složenije metode za redistribuciju energije između baterija pomoću energetske elektronike. Međutim, te metode zahtijevaju složene algoritme upravljanja i skupe induktore. Iako postoje srodni BMS IC proizvodi, oni nisu naširoko korišteni u komercijalnim automobilskim baterijama.
6. Sigurnost and pouzdanost
Opći cilj smanjenja rizika:Jedan od glavnih ciljeva BMS-a je smanjiti rizike povezane s radom litij-ionskih baterija u paketima baterija.
Slika 7. Model ekvivalentnog kruga prednjeg dijela za prikupljanje napona baterije, koji pokazuje detektibilnost grešaka senzorske linije.
Posebne sigurnosne mjere
Sigurnost visokog napona:Visokonaponska sigurnost baterije osigurana je nadzorom izolacije i sklopovima međusobnog zaključavanja, što može smanjiti rizik od luka uzrokovanog onečišćenjem ili kondenzacijom. U isto vrijeme, dizajn hardvera BMS-a trebao bi slijediti relevantne standarde kako bi se osigurala puzna staza i električni razmak PCB-a i konektora.
Električna izolacija:Kako bi se osigurala električna izolacija od visokog napona baterije na sučeljima s drugim kontrolnim jedinicama ili pomoćnim izvorima napajanja, može se koristiti oprema za izolaciju koja zadovoljava standard "poboljšane izolacije". Koriste se tradicionalni optokapleri, ali sada "digitalni izolatori" imaju bolje IC performanse.
Mjere zaštite od požara:Postavite temperaturne senzore unutar baterije i reagirajte na kritične temperature. Metode detekcije temperature bez senzora (kao što je spektroskopija elektrokemijske impedancije) i nove metode mjerenja temperature također se mogu koristiti za smanjenje rizika od požara.
Kontaktor i osigurač:Upotrijebite sklopnik za odspajanje baterije od sustava, dok koordinirate s osiguračem. Razmotrite radne značajke oba i utjecaj parazitskog kapaciteta i induktiviteta unutar baterije na odabir osigurača.
Unutarnja sigurnost baterija:BMS bi trebao osigurati da se baterija puni unutar navedenog temperaturnog raspona, izbjegavajući niskotemperaturno litiranje i duboko pražnjenje prije rada. U isto vrijeme, dijagnostički algoritmi mogu se koristiti za otkrivanje unutarnjih kratkih spojeva.
Slika 8. Mjerenje izolacije: (a) Izolacija u IT vezama; (b) Shematski dijagram mjerenja izolacije.
Problemi povezani s dizajnom hardvera BMS-a
Otkrivanje greške senzora:Uz sve veću složenost implementacije BMS hardvera i softvera, povećava se vjerojatnost softverskih pogrešaka i kvarova senzora. Na primjer, kvarovi kabela u otkrivanju napona akumulatora ne mogu se lako detektirati samo mjerenjem napona, ali se mogu detektirati pomoću sustava za balansiranje akumulatora ili krugova izvora struje.
Provjera valjanosti senzora:Ostale greške kao što su kvarovi senzora mogu se detektirati putem dijagnostičkih algoritama, a valjanost signala senzora može se provjeriti pomoću električnog ponašanja baterije.
Mjerenje izolacije
Važnost i struktura sustava mjerenja izolacije:Visokonaponski sustav električnih ili djelomično električnih vozila obično je izgrađen kao informatička mreža i treba detektirati prvi kvar. Prilikom mjerenja izolacijskog otpora potrebno je uzeti u obzir karakteristike kapaciteta i otpora sustava, budući da kapacitet može ometati mjerenje.
Uobičajene metode mjerenja:Uobičajene metode uključuju mjerenje struje uobičajenog načina pomoću zavojnice s petljom i izračunavanje izolacijskog otpora promjenom potencijala između sustava i kućišta pomoću prekidača i otpornika. Uvedene su i druge jednostavnije ili složenije metode.
Standardi mjerenja izolacije:Mjerenje izolacije ima relevantne standardne specifikacije za metode mjerenja i minimalne zahtjeve za izolacijski otpor. Različiti standardi imaju razlike u metodama mjerenja, vrijednostima otpora i vremenu mjerenja.
7. Sažetak
Opći zahtjevi i razmatranja dizajna:Ovaj članak predstavlja uobičajene koncepte BMS hardvera, počevši od općih zahtjeva i dajući razmatranja o implementaciji. Proces projektiranja treba uključiti što više parametara, ali zahtjeve treba postaviti prema potrebama ciljanog uređaja. Zahtjevi različitih aplikacija uvelike se razlikuju, a ti su zahtjevi dobra polazna točka za razmatranje dizajna paketa baterija.
BMS topologija:Struktura baterijskog sustava utječe na topologiju BMS-a, a neke aplikacije koriste posebne metode nadzora kako bi smanjile težinu ili složenost, kao što su četiri baterije komercijalnih električnih vozila u usporedbi u odjeljku 3.3, koje imaju neke zajedničke značajke zbog sličnih primjena (kao što je korištenje CAN komunikacije ), ali se razlikuju u integraciji i internoj komunikaciji.
Mjerenje fizičke vrijednosti:Odjeljak 4 daje detaljan uvod u metode prikupljanja i prijenosa potrebnih fizičkih vrijednosti. Različiti zahtjevi mjerenja zahtijevaju odabir različitih metoda na temelju ograničenja i potreba primjene.
Problem ravnoteže:Odjeljak 5 opisuje razloge i metode kompenzacije neravnoteže napunjenosti u serijskim baterijama, pri čemu je pasivna ravnoteža trenutačno najčešće korištena metoda.
Sigurnost i pouzdanost:Odjeljak 6 daje pregled sigurnosnih aspekata, uključujući usklađenost s radnim rasponima baterije kako bi se osigurao životni vijek i zaštitili korisnici od opasnosti visokog napona. Uvodi standardne metode za nadzor izolacije i spominje potrebu za razmatranjem rizika na razini sustava prilikom zaštite baterija.