Batteristyringssystem (bms) til elektriske køretøjer

Den 7. ^th januar 2013 blev en Boeing 787 fly parkeret for vedligeholdelse, i løbet at en mekaniker indkaldelsesvarsler flammer og røg kommer fra hjælpemotoren (lithium batteri) af flyvningen, som bruges til magten de elektroniske systemer flyrejse. Blev taget en indsats for at sætte ild ud, men 10 dage senere, før dette problem kunne løses, den 16. ^th januar et andet batteri opstod i en 787 flyvninger, der gennemføres af All Nippon Airways, der forårsagede en nødlanding på den japanske lufthavn. Disse to hyppige katastrofale batterifejl fik Boeing 787 Dreamliners-flyvningen til at være jordet på ubestemt tid, hvilket sårede producentens ry og forårsagede enorme økonomiske tab.

Efter en række fælles undersøgelser af USA og japanere gennemgik Lithium-batteripakken med B-787 en CT-scanning og afslørede, at en af ​​de otte Li-ion-celler blev beskadiget og forårsagede en kortslutning, der udløste en termisk løb med ild. Denne hændelse kunne let have været undgået, hvis Li-ion-batteripakkeens batteristyringssystem var designet til at opdage / forhindre kortslutning. Efter nogle designændringer og sikkerhedsbestemmelser begyndte B-787 at flyve igen, men hændelsen forbliver stadig som et bevis for at bevise, hvor farlige lithium-batterier kan blive, hvis de ikke håndteres ordentligt.

Hurtigt fremad 15 år, i dag har vi elbiler, der bruger de samme Li-ion-batterier, der er pakket sammen i hundrede, hvis ikke tusinder. Disse massive batteripakker med en spænding på omkring 300V sidder i bilen og leverer så højt som 300A (grove tal) strøm under drift. Ethvert uheld her ville ende i en stor katastrofe, og derfor er batteristyringssystemet altid understreget i EV'er. Så i denne artikel vil vi lære mere om dette batteristyringssystem (BMS) og nedbryde for at forstå dets design og funktioner for at forstå det meget bedre. Da batterierne og BMS er tæt forbundet, anbefales det stærkt at gennemgå vores tidligere artikler om elbiler og EVs batterier.

Hvorfor har vi brug for et batteristyringssystem (BMS)?

Lithium-ion-batterierne har vist sig at være batteriet af interesse for producenter af elektriske køretøjer på grund af dets høje ladningstæthed og lave vægt. Selvom disse batterier pakker meget for sin størrelse, er de meget ustabile. Det er meget vigtigt, at disse batterier aldrig overoplades eller under afladning under nogen omstændigheder, der medfører behovet for at overvåge dens spænding og strøm. Denne proces bliver lidt hårdere, da der er mange celler sammensat til at danne en batteripakke i EV, og hver celle skal overvåges individuelt for sin sikkerhed og effektiv drift, hvilket kræver et specielt dedikeret system kaldet Battery Management System. For at få den maksimale effektivitet fra en batteripakke skal vi oplade og aflade alle cellerne samtidigt på samme spænding, hvilket igen kræver en BMS. Bortset fra dette holdes BMS ansvarlig for mange andre funktioner, som vil blive diskuteret nedenfor.

Overvejelser vedrørende design af batteristyringssystem (BMS)

Der er mange faktorer, der skal overvejes, når man designer en BMS. De komplette overvejelser afhænger af den nøjagtige slutapplikation, hvor BMS vil blive brugt. Bortset fra EVs BMS bruges også overalt, hvor et litiumbatteripakke er involveret, såsom et solpanelarray, vindmøller, elvægge osv. Uanset anvendelsen skal et BMS-design overveje alle eller mange af følgende faktorer.

Afladningskontrol: Den primære funktion af en BMS er at opretholde lithiumcellerne inden for det sikre driftsområde. For eksempel vil en typisk Lithium 18650-celle have en underspænding på omkring 3V. Det er BMS's ansvar at sikre, at ingen af ​​cellerne i pakken udledes under 3V.

Opladningskontrol: Bortset fra afladningen skal opladningsprocessen også overvåges af BMS. De fleste batterier har tendens til at blive beskadiget eller blive reduceret i levetiden, når de oplades forkert. Til lithium-batterioplader bruges en 2-trins oplader. Den første fase kaldes den konstante strøm (CC), hvor opladeren udsender en konstant strøm for at oplade batteriet. Når batteriet bliver næsten fuldt , kaldes det andet trin Constant Voltage (CV)et trin, hvor en konstant spænding tilføres batteriet ved en meget lav strøm. BMS skal sørge for, at både spændingen og strømmen under opladning ikke overstiger permeable grænser for ikke at oplade batterierne for hurtigt eller hurtigt. Den maksimalt tilladte opladningsspænding og opladningsstrøm findes i databladet til batteriet.

SOC-bestemmelse: Du kan tænke på SOC som brændstofindikator for EV. Det fortæller os faktisk batteriets kapacitet i procent. Ligesom den i vores mobiltelefon. Men det er ikke så let som det lyder. Pakkenes spænding og opladnings / afladningsstrøm skal altid overvåges for at forudsige batteriets kapacitet. Når spænding og strøm er målt, er der mange algoritmer, der kan bruges til at beregne SOC for batteripakken. Den mest anvendte metode er coulomb-tællemetoden; vi vil diskutere mere om dette senere i artiklen. Måling af værdierne og beregning af SOC er også ansvaret for en BMS.

Bestemmelse af sundhedstilstand (SOC): Batteriets kapacitet afhænger ikke kun af dets spænding og strømprofil, men også af dets alder og driftstemperatur. SOH-målingen fortæller os om batteriets alder og forventede livscyklus baseret på dets brugshistorik. På denne måde kan vi vide, hvor meget kilometertal (afstand tilbagelagt efter fuld opladning) af EV reduceres, når batteriet ældes, og vi kan også vide, hvornår batteripakken skal udskiftes. SOH skal også beregnes og holdes i sporet af BMS.

Cellebalancering: En anden vigtig funktion af en BMS er at opretholde cellebalancering. For eksempel skal spændingen i alle de fire celler i en pakke med 4 celler forbundet i serie altid have samme. Hvis en celle er mindre eller højspænding end den anden, vil det påvirke hele pakken, sig om en celle er ved 3,5V, mens de andre tre er ved 4V. Under opladning vil disse tre celler nå 4,2 V, mens den anden lige ville have nået 3,7 V, på samme måde vil denne celle være den første til at aflade til 3 V før de andre tre. På grund af denne enkelt celle kan alle de andre celler i pakken ikke bruges til sit maksimale potentiale og dermed kompromittere effektiviteten.

For at håndtere dette problem skal BMS implementere noget, der kaldes cellebalancering. Der er mange typer cellebalanceringsteknikker, men de almindeligt anvendte er den aktive og passive type cellebalancering. I passiv afbalancering er tanken, at cellerne med overskydende spænding vil blive tvunget afladning gennem en belastningslignende modstand for at nå spændingsværdien af ​​de andre celler. Mens de er i aktiv balance, vil de stærkere celler blive brugt til at oplade de svagere celler for at udligne deres potentialer. Vi lærer mere om cellebalancering senere i en anden artikel.

Termisk kontrol: Levetiden og effektiviteten af ​​et litiumbatteripakke afhænger i høj grad af driftstemperaturen. Den Batteriet har tendens til at aflade hurtigere i varme klimaer sammenlignes med normale rumtemperaturer. Hertil kommer, at forbruget af høj strøm vil øge temperaturen yderligere. Dette kræver et termisk system (for det meste olie) i en batteripakke. Dette termiske system skal kun være i stand til at sænke temperaturen, men bør også være i stand til at øge temperaturen i kolde klimaer, hvis det er nødvendigt. BMS er ansvarlig for at måle den enkelte celletemperatur og styre det termiske system i overensstemmelse hermed for at opretholde den samlede temperatur på batteripakken.

Drevet fra selve batteriet: Den eneste strømkilde, der er tilgængelig i EV, er selve batteriet. Så en BMS skal være designet til at blive drevet af det samme batteri, som det skal beskytte og vedligeholde. Dette lyder måske simpelt, men det øger vanskeligheden ved designet af BMS.

Mindre ideel strøm: En BMS skal være aktiv og køre, selvom bilen kører eller oplader eller i ideel tilstand. Dette gør, at BMS-kredsløbet får strøm kontinuerligt, og det er derfor obligatorisk, at BMS bruger meget mindre strøm for ikke at tømme batteriet meget. Når en EV efterlades uopladet i uger eller måneder, har BMS og andre kredsløb tendens til at tømme batteriet af sig selv og til sidst kræver det at blive krumtatrukket eller opladet inden næste brug. Dette problem er stadig almindeligt med selv populære biler som Tesla.

Galvanisk isolering: BMS fungerer som en bro mellem batteripakken og ECU'en til EV. Alle de oplysninger, der indsamles af BMS, skal sendes til ECU'en for at blive vist på instrumentklyngen eller på instrumentbrættet. Så BMS og ECU skal kontinuerligt kommunikere mest gennem standardprotokollen som CAN-kommunikation eller LIN-bus. BMS-designet skal være i stand til at tilvejebringe en galvanisk isolation mellem batteripakken og ECU'en.

Datalogning: Det er vigtigt for BMS at have en stor hukommelsesbank, da den skal gemme en masse data. Værdier som SAT-of-health SOH kan kun beregnes, hvis batteriets opladningshistorik er kendt. Så BMS skal spore opladningscyklusser og opladningstid for batteripakken fra installationsdatoen og afbryde disse data, når det er nødvendigt. Dette hjælper også med at yde eftersalgsservice eller analysere et problem med EV for ingeniørerne.

Nøjagtighed: Når en celle oplades eller aflades, stiger eller falder spændingen over den gradvist. Desværre har afladningskurven (spænding versus tid) for et lithiumbatteri flade områder, hvorfor spændingsændringen er meget mindre. Denne ændring skal måles nøjagtigt for at beregne værdien af ​​SOC eller for at bruge den til cellebalancering. Et veldesignet BMS kan have nøjagtighed så høj som ± 0,2 mV, men den skal mindst have en nøjagtighed på 1 mV-2 mV. Normalt bruges en 16-bit ADC i processen.

Behandlingshastighed: BMS i en EV skal gøre en masse antal knasende for at beregne værdien af ​​SOC, SOH osv. Der er mange algoritmer til at gøre dette, og nogle bruger endda maskinindlæring for at få opgaven udført. Dette gør BMS til en behandlingssulten enhed. Bortset fra dette er det også nødvendigt at måle cellespændingen over hundreder af celler og bemærke de subtile ændringer næsten øjeblikkeligt.

Byggesten i en BMS

Der er mange forskellige typer BMS tilgængelige på markedet, du kan enten designe en på egen hånd eller endda købe den integrerede IC, der er let tilgængelig. Fra et hardwarestrukturperspektiv er der kun tre typer BMS baseret på dens topologi, de er centraliseret BMS, distribueret BMS og modulær BMS. Imidlertid er funktionen af ​​disse BMS alle ens. Et generisk batteristyringssystem er illustreret nedenfor.

BMS-dataopsamling

Lad os analysere ovenstående funktionsblok fra sin kerne. BMS 'primære funktion er at overvåge batteriet, hvortil det skal måle tre vitale parametre, såsom spænding, strøm og temperatur fra hver celle i batteripakken. Vi ved, at batteripakker dannes ved at forbinde mange celler i serie eller parallel konfiguration, ligesom Tesla har 8.256 celler, hvor 96 celler er forbundet i serie og 86 er forbundet parallelt for at danne en pakke. Hvis et sæt celler er forbundet i serie, skal vi måle spændingen over hver celle, men strømmen for hele sættet vil være den samme, da strømmen vil være den samme i et seriekredsløb. Tilsvarende når et sæt celler er forbundet parallelt, skal vi kun måle hele spændingen, da spændingen over hver celle vil være den samme, når den er forbundet parallelt. Nedenstående billede viser et sæt celler forbundet i serie, du kan bemærke spændingen og temperaturen, der måles for individuelle celler, og pakkestrømmen måles som en helhed.

"Hvordan måles cellespænding i BMS?"

Da en typisk EV har et stort antal celler forbundet, er det lidt udfordrende at måle den individuelle cellespænding på en batteripakke. Men kun hvis vi kender den individuelle cellespænding, kan vi udføre cellebalancering og give cellebeskyttelse. For at læse spændingsværdien for en celle anvendes en ADC. Men kompleksiteten er høj, da batterierne er forbundet i serie. Det betyder, at terminalerne, som spændingen måles over, skal ændres hver gang. Der er mange måder at gøre dette på relæer, muxer osv. Bortset fra dette er der også noget batteristyrings-IC som MAX14920, som kan bruges til at måle individuelle cellespændinger i flere celler (12-16) forbundet i serie.

"Hvordan måles celletemperatur for BMS?"

Bortset fra celletemperaturen skal BMS undertiden også måle busstemperaturen og motortemperaturen, da alt fungerer på en høj strøm. Det mest almindelige element, der bruges til at måle temperaturen, kaldes en NTC, som står for negativ temperatur Co-efficient (NTC). Det ligner en modstand, men det ændrer (formindsker) dets modstand baseret på temperaturen omkring det. Ved at måle spændingen over denne enhed og ved hjælp af en simpel ohm-lov kan vi beregne modstanden og dermed temperaturen.

Multiplexed Analog Front End (AFE) til måling af cellespænding og temperatur

Måling af cellespænding kan blive kompleks, da det kræver høj nøjagtighed og muligvis også injicere skiftelyde fra mux bortset fra dette, hver celle er forbundet til en modstand via en switch til cellebalancering. For at overvinde disse problemer anvendes en AFE - Analog frontend IC. En AFE har indbygget Mux, buffer og ADC-modul med høj nøjagtighed. Det kunne let måle spænding og temperatur med fælles tilstand og overføre oplysningerne til hovedmikrocontrolleren.

"Hvordan måles pakkestrøm for BMS?"

EV-batteripakken kan få en stor strømværdi op til 250A eller endda høj, bortset fra dette er vi også nødt til at måle strømmen for hvert modul i pakken for at sikre, at belastningen fordeles jævnt. Mens vi designer det aktuelle sensorelement, skal vi også sørge for isolation mellem måle- og sensorenheden. Den mest anvendte metode til at registrere strøm er Shunt-metoden og den Hall-sensor-baserede metode. Begge metoder har deres fordele og ulemper. Tidligere shuntmetoder blev betragtet som mindre nøjagtige, men med den nylige tilgængelighed af shunts med høj præcision med isolerede forstærkere og modulatorer er de mere foretrukne end hall-sensor-baseret metode.

Anslået batteristatus

Den største beregningskraft for en BMS er dedikeret til at estimere batteritilstanden. Dette inkluderer måling af SOC og SOH. SOC kan beregnes ved hjælp af cellespænding, strøm, opladningsprofil og afladningsprofil. SOH kan beregnes ved hjælp af antallet af opladningscyklus og batteriets ydeevne.

"Hvordan måles SOC for et batteri?"

Der er mange algoritmer til at måle SOC for et batteri, der hver har sine egne inputværdier. Den mest anvendte metode til SOC kaldes Coulomb Counting aka alias bogføringsmetode. Vi vil diskutere