Abstract
Ovaj članak se fokusira na hardverske aspekte sistema upravljanja baterijama (BMS) u električnim vozilima i fiksnim aplikacijama. Svrha je da se ocrtaju koncepti u postojećim naprednim sistemima, omogućavajući čitaocima da shvate faktore koje treba uzeti u obzir prilikom dizajniranja BMS-a za specifične aplikacije. Nakon kratke analize općih zahtjeva, proučavano je nekoliko mogućih topoloških struktura baterija i njihov utjecaj na kompleksnost BMS-a. Uzimajući četiri akumulatora odabrana od komercijalno dostupnih električnih vozila kao primjer za objašnjenje. Nakon toga, razmatrani su aspekti implementacije mjerenja potrebnih fizičkih varijabli (napon, struja, temperatura, itd.), kao i pitanja i strategije balansiranja. Na kraju, razgovaralo se o sigurnosnim aspektima i aspektima pouzdanosti.
1. Uvod
Složenost sistema upravljanja baterijama (BMS) ovisi o primjeni. Jedna baterija, jednostavna poput mobilnog telefona ili čitača e-knjiga, može se izmjeriti jednostavnim IC-om za "mjerač baterije", koji može mjeriti napon, temperaturu i struju i procijeniti stanje napunjenosti (SOC). Složen kao električna vozila, BMS treba da obavlja složenije zadatke. Osim mjerenja osnovnih parametara kao što su napon baterije, temperatura i struja, potrebni su i napredni algoritmi za određivanje raspoložive energije za izračunavanje dometa krstarenja.
Ovaj rad se fokusira na hardverski aspekt sistema upravljanja litijum-jonskim baterijama. Dio 2 uvodi hardverske zahtjeve za BMS, uključujući mjerne vrijednosti, elektromagnetne smetnje, električnu izolaciju, kontaktore i redundantnost. Odjeljak 3 pruža pregled BMS topologije, pojašnjava razlike između jednostavnih i složenih aplikacija i daje primjer baterije za električno vozilo. Odjeljak 4 objašnjava kako ispuniti zahtjeve mjerenja fizičke vrijednosti i uobičajene zamke. Odjeljak 5 govori o ravnoteži, uvodi i upoređuje metode balansiranja naplate. Odjeljak 6 fokusira se na sigurnost i pouzdanost, uključujući rizike i protumjere rada visokonaponskih baterija, i ukratko predstavlja metode mjerenja izolacije i srodne standarde.
2. Zahtjevi dizajna za sistem upravljanja baterijama (BMS)
Dizajniranje BMS-a je složen zadatak koji zahtijeva razmatranje specifičnih zahtjeva aplikacije, sistemskog okruženja i karakteristika korištenih baterija, iz čega se može izvesti niz sistemskih zahtjeva. Uopšteno govoreći, sljedeće BMS komponente i funkcionalni zahtjevi su obično relevantni:
Sakupljanje temperature
Izbor i postavljanje senzora:Točno prikupljanje temperature je teško pri projektovanju BMS-a, a potrebno je uzeti u obzir tip senzora (digitalni ili analogni) i lokaciju 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.
Zahtjevi za temperaturu za različite scenarije primjene:Zahtjevi za temperaturu trebaju uzeti u obzir tri situacije: punjenje, pražnjenje i skladištenje, pri čemu treba obratiti pažnju i na termičku vremensku konstantu. Litijum-jonske baterije ne mogu ispravno funkcionisati izvan određenog temperaturnog raspona, a litijumsko prekrivanje može se pojaviti pri visokim strujama unutar normalnog temperaturnog raspona. Stoga je potrebno precizno prikupiti temperaturu, napon i struju. Na toplotni kapacitet i toplotnu provodljivost baterija utiču faktori kao što je struktura baterije, a nepravilno postavljanje temperaturnih senzora može dovesti do pogrešnog očitavanja i termičkih mrtvih uglova.
Akvizicija napona
Kanal akvizicije i tačnost:Klasični BMS baziran na litijum-jonskim baterijama zahteva najmanje jedan kanal za prikupljanje napona za svaku serijski povezanu bateriju, a neke automobilske aplikacije imaju i sekundarnu zaštitu (postignutu preko programabilnog komparatora prozora). Stopa konverzije podataka za prikupljanje napona varira u zavisnosti od aplikacije, a uobičajeni BMS front-end čipovi imaju određenu naponsku tačnost i rezoluciju.
Uticaj na SOC procjenu:Uzimajući NMC i LFP baterije kao primjere, pokazano je da tačnost akvizicije napona ima značajan utjecaj na SOC procjenu. Što je tačnost veća, to je tačnija procjena SOC-a, a korištenje samo podataka o naponu za određivanje SOC-a možda neće biti dovoljno.
Slika 1. Poređenje SOC nesigurnosti zavisi od tačnosti napona od ± 1 mV.
Trenutna kolekcija
Način prikupljanja i karakteristike senzora:SOC se može odrediti ne samo mjerenjem napona otvorenog kola (OCV), već i korištenjem Kulonove metode brojanja (mjerenje struje i integracija). Međutim, strujni senzori imaju neidealne karakteristike kao što su drift, offset i temperaturne greške i možda će morati istovremeno da zadovolje različite zahtjeve za raspon mjerenja i da imaju određeni propusni opseg.
U praktičnim primenama, oslanjanje isključivo na Kulonovo brojanje za određivanje SOC je netačno, posebno u uslovima niske struje. Da bi se riješio ovaj problem, moguće je kombinirati algoritme i parametrizirane modele za obradu tekućih podataka, ali to je izvan okvira ovog članka.
Komunikacijski zahtjevi
Komunikacija unutar sistema:BMS treba da komunicira sa celim sistemom (kao što je energetska elektronika, upravljanje energijom ili kontrolne jedinice vozila), uzimajući u obzir faktore kao što su način komunikacije, brzina, robusnost i pouzdanost. Na primjer, u vozilima će možda biti potrebno obezbijediti CAN interfejse za sistemsku komunikaciju, a različite aplikacije mogu već imati određene komunikacijske zahtjeve na nivou sistema, kojima se BMS treba prilagoditi.
Međumodulska komunikacija:Za modularne sisteme potrebno je definirati način komunikacije između master i slave modula, koji je sličan osnovnim zahtjevima za međusistemsku komunikaciju. Konkretni primjeri se mogu naći u narednim poglavljima.
Zaštita od elektromagnetnih smetnji (EMI).
Uticaj EMI na senzore:EMI može uticati na prikupljanje podataka senzora, a svi senzori su podložni njegovom uticaju, što može dovesti do blagog izobličenja ili potpune beskorisnosti podataka.
Mjere za smanjenje uticaja EMI:Da bi se minimizirao uticaj, motori, energetske elektronske komponente i druga opterećenja treba da imaju dobar dizajn EMI, a odgovarajući uređaji za filtriranje elektromagnetskih talasa kao što su prigušnice i kondenzatori za blokiranje mogu se koristiti i instalirati blizu putanje merenja senzora.
Zahtjevi vezani za kontaktore
Funkcija i zahtjevi kontaktora:Većina baterija zahtijeva mogućnost električnog isključivanja najmanje jedne elektrode, što zahtijeva odgovarajući kontaktor. Zbog posebne prirode prekida istosmjerne struje i gašenja luka, kontaktori moraju imati uređaje za gašenje magnetnog luka i izbjegavati kontaktno zavarivanje.
Sigurnosne mjere rada:Kako bi se osigurala sigurnost, potrebno je posebno kolo (kao što je jedinica za pretpunjenje koja se sastoji od serijski spojenog kontaktora i otpornika) tokom rada sklopke kontaktora kako bi se osiguralo da nema razlike potencijala između dva kraja i izbjegle opasne situacije.
Zahtjevi za redundantnost
Uloga redundancije u pouzdanosti sistema:Prema ISO 26262 standardu, redundantnost može poboljšati pouzdanost sistema. Napon baterije se obično posmatra redundantno do određene mjere, uz dvije metode: precizno mjerenje pomoću glavnog čipa i binarne informacije koje pruža pomoćni čip.
Koncept redundantnosti višeg nivoa:Koncepti redundantnosti takođe postoje u procesiranju višeg nivoa, kao što je korak zaključavanja, ispravljanje grešaka u memoriji i mehanizmi samotestiranja u posebnim CPU-ima.
Zahtjevi za električnu izolaciju
Izolacija baterije:Baterija se obično dijeli na dijelove visokog i niskog napona, koji zahtijevaju električnu izolaciju i mogu se postići optičkim, induktivnim ili kapacitivnim metodama.
Izolacija toplotnog senzora:Svi termalni senzori također moraju biti električno izolirani kako bi se izbjegle greške visokog napona koji utječu na niskonaponske dijelove, slično konceptu rasporeda IT mreže za distribuciju energije.
Zahtjevi za ravnotežu
Uticaj neravnoteže punjenja:Može doći do neuravnoteženosti punjenja između serijski povezanih baterija, što može uticati na performanse i pouzdanost sistema, i generalno je potrebno da ga održavate na niskom nivou.
Posebna razmatranja primjene:Različite aplikacije mogu imati posebna razmatranja, kao što su ograničenja težine ili zahtjevi za strujom punjenja, što može dovesti do stvaranja balansne struje. Odjeljak 5 će dalje uvesti neophodnost i metode implementacije balansiranja.
Ostali zahtjevi
Zahtjevi vezani za aplikaciju:Aplikacija može imati i neke druge zahtjeve, kao što su prostor, cijena, mehanička čvrstoća hardvera, težina i potrošnja energije, koji nisu u fokusu ovog članka, ali ih treba uzeti u obzir.
3. Topološka struktura BMS-a
Pregled strukture baterijskog sistema:Da bi se zadovoljile električne specifikacije sistema, baterije se često moraju kombinovati u pakete baterija sa više topologija povezivanja. Serijsko povezivanje može postići određeni raspon napona i smanjiti struju; Paralelno povezivanje može povećati kapacitet. Postoje različite varijante u praktičnim primenama, kao što je paralelno povezivanje baterija malog kapaciteta u module i serijsko povezivanje, ili direktna upotreba baterija velikog kapaciteta u serijskoj vezi. Različite topologije imaju različite uticaje na složenost BMS-a, kao što su povećani troškovi praćenja i balansiranja kada je više serijskih baterija povezano paralelno.
Slika 2. Šematski dijagram različitih topologija baterija: (a) jedna ćelija; (b) Paralelno povezivanje dve baterije; (c) Serijsko povezivanje tri baterije; (d) Paralelno povezivanje dve serije i tri serije baterija; (e) Serijski spoj tri modula koji se sastoje od dvije paralelne baterije.
Tabela 1. Karakteristike topoloških varijanti prikazane su na slici 2.
Navedite primjer za ilustraciju metode povezivanja baterije i zahtjeva kanala za mjerenje napona: na primjer, kombinacija m serijski povezanih baterija i n paralelno povezanih baterija zahtijeva različit broj kanala za mjerenje napona za različite metode povezivanja.
Diskusija o posebnim slučajevima:U nekim posebnim aplikacijama (kao što su sonda Mars Evropske svemirske agencije i sonda Rosetta), praćenje i balansiranje jedne ćelije možda neće biti izvedeni zbog faktora kao što su veličina, težina i potrošnja energije. Iako neka mišljenja sugeriraju da pažljiv odabir baterija iz iste serije može izostaviti praćenje, istraživanje je pokazalo da čak i baterije iz iste serije mogu imati različita ponašanja starenja, a izostavljanje praćenja može predstavljati rizik. Međutim, za male sisteme i napone baterija unutar određenog raspona, uticaj izostavljanja praćenja može biti relativno mali.
Vezano za integrirano kolo (IC).
IC sa osnovnom funkcijom nadzora:Da bi se postigla osnovna funkcija nadzora bezbednog rada baterija, proizvođači poluprovodnika obezbeđuju različita integrisana kola za specifične aplikacije (ASIC). Za male elektroničke uređaje s pojedinačnim ćelijama 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-jevi "bq27220" i Maximovi povezani IC-ovi.
IC za sisteme velike snage i potražnje za energijom
Modularizacija i dodjela funkcija:Za aplikacije sa zahtjevima za velikom snagom i/ili energijom, baterija se sastoji od više baterija, a relevantni IC može istovremeno nadgledati više baterija i pružiti funkciju balansiranja. U sistemu postoji centralni modul (BMS Master) odgovoran za složene funkcije kao što su SOC procjena i algoritmi za predviđanje snage; Front-end IC modul (BMS Slaves) je odgovoran za osnovne funkcije kao što su akvizicija i filtriranje signala.
Slika 3. Tipična BMS struktura 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 i također pruža mogućnost aktivnog balansiranja. Neke IC-ove imaju nasljedne proizvode, a da bi se poboljšala pouzdanost praćenja napona, mogu se koristiti IC-ovi sekundarne zaštite. Iako potpuno redundantni BMS može poboljšati pouzdanost, cijena je visoka.
Komunikacija i prijenos podataka
Prednji IC način povezivanja:Prednji IC-ovi se obično mogu povezati preko lanca u nizu, a različite IC-ove imaju različite metode interfejsa. MAX11068 je povezan preko I2C porta, TI-jev bq76PL536A obezbeđuje više interfejsa, a LT6802G-2 je povezan preko SPI magistrale (zahteva dodatni digitalni izolator).
Sistemski način komunikacije:U sistemu se obično koriste jeftini mikrokontroleri za povezivanje IC-ova na istoj PCB, a moduli na drugim PCB-ima i glavnim modulima BMS-a su povezani preko sabirnice polja (kao što je CAN).
Stvarni slučaj
Mitsubishi i-MiEV:Baterija se sastoji od više modula povezanih vijcima, sa 88 prizmatičnih baterija. PCB na modulu sadrži IC-ove za nadzor i temperaturne senzore, a kućište baterije sadrži više komponenti. Glavni modul BMS se nalazi ispod zadnjih sedišta vozila i komunicira preko interne CAN magistrale. U poređenju sa drugim baterijama, njen unutrašnji prostor je prostraniji, što može biti nuspojava vazdušnog hlađenja.
Slika 4. (a) Mitsubishi i-MiEV baterija; (b) Volkswagen e-Up baterija; (c) Smart fortwo baterija za električni pogon. Napomena: Metode skaliranja su različite.
Slika 5. (a) Pogled odozgo na Tesla Model S baterijski modul; (b) Volkswagen e-Up baterijski modul, 6s2p modul, pogled odozgo.
Smart Fortwo Electric Edition:Baterija se sastoji od 90 serija povezanih baterija u torbici, sa sistemom za hlađenje, a osnovne zadatke nadzora obavlja TI-jev IC, sličan bq76PL536A. Svaka PCB sadrži više IC-ova za praćenje i mikrokontrolera, a glavni modul BMS-a se nalazi unutar kućišta baterije, sa visokom integracijom i nekoliko kablova.
Volkswagen e-Up:Baterija sadrži više serijskih modula, bez rashladnog sistema ili uređaja za isključivanje servisa, centralizovani BMS modul, povezan na bateriju i merni IC (MAX11068) preko velikog broja vodova za merenje napona, sa velikim brojem balansiranih otpornika i mikrokontrolerom bez konverzije signale.
Tesla Model S:Baterija se sastoji od velikog broja 18650 baterija, podijeljenih u više modula, povezanih veznim žicama. BMS se nadgleda pomoću TI-jevog bq76PL536A-Q1, a napon se mjeri pomoću žica za zavarivanje. U poređenju sa drugim baterijama, njegov nivo integracije je drugačiji, kao što je nizak nivo integracije Volkswagen e-Up i visok nivo integracije Smart Fortwo.
4. Pregled tehnologije mjerenja HV baterijskog sistema
Važnost mjerne tehnologije:Tehnologija mjerenja je ključna komponenta sistema za upravljanje baterijama, koja može odrediti varijable stanja kao što su SOC, SOH, SOF, itd. Obično mjeri varijable kao što su napon baterije, ukupni napon, ukupna struja i temperatura sistema baterija. Ove varijable stanja mogu zaštititi baterijski sistem od oštećenja kao što je prekomjerno punjenje ili prekomjerno pražnjenje i optimizirati korištenje sistema baterija.
Zahtjevi senzora:Odredite tipične zahtjeve za senzore na osnovu aplikacija za skladištenje baterija, uključujući cijenu, propusnost, tačnost, opseg mjerenja i veličinu, kao što je detaljno opisano u Odjeljku 2.
Mjerenje struje
Klasifikacija metoda mjerenja:Oprema za prikupljanje struje podijeljena je na dvije osnovne senzorske tehnologije: električno povezivanje i izolaciju. Uobičajeno korišćeni senzor struje šant otpornika pripada tipu električne veze, a Holov senzor je primer izolacionog tipa.
Osim senzorske tehnologije, potrebno je uzeti u obzir i položaj u bateriji. Za sisteme baterija koji sadrže više nizova koji se mogu prebaciti, svaki niz bi trebao biti opremljen uređajem za praćenje struje za praćenje neravnoteže snage.
Mjerenje otpora šanta
Princip i karakteristike mjerenja:Kombinacijom niskog otpora, otpora visoke preciznosti i sistema mjerenja napona visoke preciznosti, mjeri se struja. Otpor se nalazi na strujnoj putanji, a gubitak snage i porast temperature nastaju kada struja prođe. Prilikom odabira otpornika potrebno je uravnotežiti gubitke i potrebu za stvaranjem odgovarajućeg pada napona. Prilikom mjerenja s velikom preciznošću treba uzeti u obzir temperaturni koeficijent i dugoročnu stabilnost otpornika.
Ova metoda se može koristiti za mjerenje istosmjernih i naizmjeničnih struja, a ima prednosti jednostavnosti, linearnosti i velikog propusnog opsega. Međutim, opseg mjerenja je ograničen preciznošću mjerenja napona.
Poređenje mjerenja niske i visoke strane
Mjerenje niske strane odnosi se na otpornik koji se nalazi između pozitivnog terminala baterije i opterećenja. Njegova prednost je u tome što je ulazni napon zajedničkog moda nizak, te se može koristiti veliki broj pojačivača struje. Kolo je jednostavno i isplativo, ali će ometati put uzemljenja i ne može otkriti premosnicu velike struje 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 na putu uzemljenja i detektirati kratke spojeve, ali zahtijeva konverziju nivoa na izlazu pojačala i zahtijeva da pojačalo izdrži visoki napon zajedničkog moda.
Kontaktirajte senzore manje struje (Halovi senzori, itd.)
Princip mjerenja i prednosti:Korištenje magnetnog polja generiranog strujom za mjerenje, kao što su Hallovi senzori zasnovani na Hall efektu, bez povećanja otpora strujnog puta, bez dodatnih vodljivih gubitaka, sa prednostima električne izolacije i bez potrebe za dodatnim optospojnicima ili digitalnim izolatorima za kondicioniranje signala.
Hall senzori se mogu kupiti kao integrirana kola, postaviti na strujni put, a njihov izlaz treba filtrirati. Na raspolaganju su i kompletni moduli koji se sastoje od feritnih prstenova koji sadrže Holove senzore i mogu obezbediti električnu izolaciju.
Karakteristike i ograničenja senzora:Glavni nedostatak je ograničen propusni opseg, koji obično ne prelazi desetine kHz, i temperaturni pomak u izlaznom signalu koji treba kompenzirati. Ako sistem baterija zahtijeva veći propusni opseg, potrebno je koristiti mjerenje otpora šanta, a Hallovi senzori su skupi i glomazni.
Merenje napona
Razlikovanje mjerenja napona baterije:Kod litijum-jonskih baterija potrebno je napraviti razliku između mjerenja napona svake baterije i ukupnog napona baterije. Opsezi napona su različiti, a zbir svih napona baterija treba da bude jednak ukupnom naponu, što se može koristiti kao kriterijum za procenu racionalnosti.
Merenje napona baterije:obično kompletira integrisani BMS front-end čip. Broj baterija koje se mogu spojiti na čipove na tržištu varira, a redundantnost i pouzdanost sistema također se mogu poboljšati kroz sekundarne nadzorne IC-ove.
Mjerenje napona baterije:kompletiran sa zasebnom mjernom jedinicom, uključujući djelitelj napona, pretvarač impedanse, filter i analogno-digitalni pretvarač (ADC). Razdjelnik napona se koristi za smanjenje napona baterije na odgovarajući raspon, što može zahtijevati više otpornika kako bi se osigurala sigurnost, kao i Zener dioda za zaštitu sljedećeg kola. Istovremeno se za dobijanje izmjerenog napona koriste pretvarači impedanse, filteri i ADC-ovi.
Merenje temperature
Uobičajeni tipovi i principi temperaturnih senzora:Uobičajeni temperaturni senzori uključuju tipove negativnog temperaturnog koeficijenta (NTC) i pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC), koji mjere temperaturu 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 tabela je potrebna u lancu digitalne obrade za kalibraciju proračuna temperature. Postoje i neki senzori koji koriste digitalna sučelja koja su pogodnija za korištenje, ali treba obratiti pažnju na probleme s elektromagnetskim zračenjem kada ih postavljate blizu puteva velike snage u baterijskim paketima. Druge metode mjerenja kao što su metalni PTC i termoelement mogu obezbijediti veću tačnost i širi temperaturni raspon, ali sa većom elektronskom složenošću.
Prijenos podataka
Karakteristike i scenariji primjene različitih komunikacijskih sabirnica:potrebna je komunikacija između BMS modula i između BMS-a i cijelog sistema. CAN sabirnica se obično koristi u okruženju vozila, sa fleksibilnošću i otpornošću na buku; LIN sabirnica je relativno jednostavna, ali spora u brzini, ima slabu fleksibilnost i nije diferencijalna, što je čini pogodnom za scenarije sa zahtjevima visokih troškova; Druga komunikacijska sučelja kratkog dometa kao što su SPI, I2C i OneWire sabirnica nisu prikladna za komunikaciju između modula i modula na velikim udaljenostima, sklona smetnjama; Ako je brzina CAN magistrale nedovoljna ili je potrebna deterministička sposobnost u realnom vremenu, može se koristiti FlexRay sabirnica ili Ethernet.
5. Balans baterije
Razlog za razliku u bateriji SOC:Kod serijski povezanih baterija, proizvodne razlike i različiti radni i okolišni uvjeti (kao što je temperatura) mogu dovesti do neravnina između baterija. Ovi faktori mogu uzrokovati različite početne uslove, starenje i stope samopražnjenja, što dovodi do odstupanja u vrijednostima SOC, kapaciteta i otpornosti. Ovaj odjeljak se uglavnom fokusira na razlike u SOC-u i kapacitetu, a ne uključuje razlike u unutrašnjem otporu - Istraživanja su pokazala da će čak i baterije s istim početnim kapacitetom i opterećenjem doživjeti razlike u kapacitetu nakon upotrebe. Na primjer, 18650 baterija sa istim početnim kapacitetom, sa preostalim kapacitetom od 80% kao standardom na kraju životnog vijeka, imaju vijek trajanja između 1000-1500 puta. Istovremeno, postoje razlike u brzini samopražnjenja različitih baterija, kao što su komercijalne soft pack baterije pohranjene na 40 stepeni C, gdje otpor samopražnjenja varira između 10 k Ω i 14 k Ω.
Slika 6. (a) Razlozi za neuravnotežene ćelije baterije, brojevi zasnovani na [57]; (b) Klasifikacija različitih metoda ravnoteže odnosi se na smjer prijenosa energije kao naziv prikazane nedisipativne metode.
Neophodnost balansa:Razlike u SOC-u, kapacitetu i unutrašnjem otporu mogu dovesti do smanjenja raspoložive energije baterijskog paketa, što se može riješiti balansnim krugom.
Pregled balansnih metoda
Implementacija hardvera:Literatura opisuje različite metode implementacije hardvera za kola za balansiranje, koje se mogu klasificirati u različite strukture topologije, metode upravljanja (kao što je aktivno/pasivno) ili komercijalnu dostupnost.
Metode balansiranja u komercijalnim aplikacijama:Većina komercijalnih baterija koristi kontrolisane pasivne sisteme balansiranja, koji se postižu paralelnim balansnim otpornicima na oba kraja baterije. Ova metoda može samo riješiti problem varijacije SOC-a, uz malu ravnotežnu struju (oko 100 mA) i bez promjene u kapacitetu baterije, što može biti ograničeno disipacijom energije BMS-a ili promjerom kabla između baterije i kruga za praćenje. Svaka baterija ili paralelna kombinacija baterije ima preklopni balansni otpornik sa vrijednošću otpora između 30 Ω -40 Ω (pod pretpostavkom da je napon baterije 4,2 V), a svaka baterija troši snagu između 387 mW -430 mW.
Metode za rješavanje problema različitih kapaciteta:Za rješavanje problema različitih kapaciteta potrebne su složenije metode za preraspodjelu energije između baterija pomoću energetske elektronike. Međutim, ove metode zahtijevaju složene algoritme upravljanja i skupe induktore. Iako postoje povezani BMS IC proizvodi, oni nisu bili široko korišteni u komercijalnim automobilskim baterijama.
6. Sigurnost and pouzdanost
Opšti cilj smanjenja rizika:Jedan od glavnih ciljeva BMS-a je smanjenje rizika povezanih s radom litijum-jonskih baterija u baterijskim paketima.
Slika 7. Model ekvivalentnog kola prednjeg kraja za akviziciju napona baterije, koji pokazuje mogućnost detekcije kvarova na senzorskoj liniji.
Posebne sigurnosne mjere
Sigurnost visokog napona:Visokonaponska sigurnost baterijskog paketa osigurana je nadzorom izolacije i sklopovima za blokiranje, što može smanjiti rizik od stvaranja luka uzrokovanog zagađenjem ili kondenzacijom. U isto vrijeme, dizajn BMS hardvera treba da prati relevantne standarde kako bi se osigurala puzna staza i električni razmak PCB-a i konektora.
Električna izolacija:Da bi se osigurala električna izolacija od visokog napona baterije na sučeljima s drugim upravljačkim jedinicama ili pomoćnim izvorima napajanja, može se koristiti izolacijska oprema koja zadovoljava standard "poboljšane izolacije". Koriste se tradicionalni optokapleri, ali sada "digitalni izolatori" imaju bolje IC performanse.
Mere zaštite od požara:Postavite temperaturne senzore u bateriju i odgovorite na kritične temperature. Metode detekcije temperature bez senzora (kao što je spektroskopija elektrohemijske impedanse) i nove metode mjerenja temperature također se mogu koristiti za smanjenje rizika od požara.
Kontaktor i osigurač:Upotrijebite kontaktor da odspojite bateriju iz sistema, uz koordinaciju s osiguračem. Razmotrite operativne karakteristike oba i uticaj parazitskog kapaciteta i induktivnosti unutar baterije na izbor osigurača.
Unutrašnja sigurnost baterija:BMS bi trebao osigurati da je baterija napunjena unutar specificiranog temperaturnog raspona, izbjegavajući niskotemperaturnu litijumsku prevlaku i duboko pražnjenje prije rada. U isto vrijeme, dijagnostički algoritmi se mogu koristiti za otkrivanje unutrašnjih kratkih spojeva.
Slika 8. Mjerenje izolacije: (a) Izolacija u IT priključcima; (b) Šematski dijagram mjerenja izolacije.
Problemi vezani za dizajn BMS hardvera
Detekcija kvara senzora:Sa sve većom složenošću implementacije BMS hardvera i softvera, povećava se vjerovatnoća softverskih grešaka i kvarova senzora. Na primjer, kvarovi kabela u detekciji napona baterije nisu lako otkriveni samo mjerenjem napona, ali se mogu otkriti putem sistema za balansiranje baterije ili strujnih kola.
Provjera ispravnosti senzora:Druge greške kao što su defekti senzora mogu se otkriti pomoću dijagnostičkih algoritama, a valjanost signala senzora može se provjeriti korištenjem električnog ponašanja baterije.
Merenje izolacije
Značaj i struktura sistema merenja izolacije:Visokonaponski sistem električnih ili djelimično električnih vozila obično je konstruisan kao IT mreža i treba da otkrije prvi kvar. Prilikom mjerenja otpora izolacije potrebno je uzeti u obzir kapacitivnost i karakteristike otpora sistema, jer kapacitivnost može ometati mjerenje.
Uobičajene metode mjerenja:Uobičajene metode uključuju mjerenje struje zajedničkog moda pomoću zavojnice petlje i izračunavanje otpora izolacije promjenom potencijala između sistema i šasije preko prekidača i otpornika. Uvode se i druge jednostavnije ili složenije metode.
Standardi mjerenja izolacije:Mjerenje izolacije ima relevantne standardne specifikacije za metode mjerenja i minimalne zahtjeve otpora izolacije. Različiti standardi imaju razlike u metodama mjerenja, vrijednostima otpora i vremenu mjerenja.
7. Sažetak
Opšti zahtjevi i razmatranja dizajna:Ovaj članak uvodi uobičajene koncepte BMS hardvera, počevši od općih zahtjeva i razmatranja implementacije. Proces projektovanja treba da obuhvati što više parametara, ali zahteve treba postaviti prema potrebama ciljnog uređaja. Zahtjevi različitih aplikacija uvelike variraju, a ovi zahtjevi su dobra polazna tačka za razmatranje dizajna paketa baterija.
BMS topologija:Struktura sistema baterija utječe na topologiju BMS-a, a neke aplikacije koriste posebne metode nadzora za smanjenje težine ili složenosti, kao što su četiri baterije za komercijalna električna vozila upoređene u odjeljku 3.3, koje imaju neke zajedničke karakteristike zbog sličnih primjena (kao što je korištenje CAN komunikacije ), ali se razlikuju po integraciji i internoj komunikaciji.
Mjerenje fizičke vrijednosti:Odjeljak 4 pruža detaljan uvod u metode prikupljanja i prijenosa potrebnih fizičkih vrijednosti. Različiti zahtjevi mjerenja zahtijevaju odabir različitih metoda zasnovanih na ograničenjima i potrebama primjene.
Problem sa balansom:Odjeljak 5 opisuje razloge i metode kompenzacije za neravnotežu punjenja u serijskim baterijama, pri čemu je pasivna ravnoteža trenutno najčešće korištena metoda.
Sigurnost i pouzdanost:Odjeljak 6 pruža pregled sigurnosnih aspekata, uključujući usklađenost s radnim rasponima baterija kako bi se osigurao vijek trajanja i zaštitili korisnici od opasnosti od visokog napona. Uvodi standardne metode za praćenje izolacije i pominje potrebu da se uzmu u obzir rizici na nivou sistema prilikom zaštite baterija.