Povzetek
Ta članek se osredotoča na vidike strojne opreme sistemov za upravljanje baterij (BMS) v električnih vozilih in fiksnih aplikacijah. Namen je orisati koncepte v obstoječih naprednih sistemih, kar bralcem omogoči razumevanje dejavnikov, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju BMS za posebne aplikacije. Po kratki analizi splošnih zahtev je bilo preučenih več možnih topoloških struktur baterijskih sklopov in njihov vpliv na kompleksnost BMS. Kot primer za razlago vzamemo štiri baterije, izbrane iz komercialno dostopnih električnih vozil. Nato so razpravljali o izvedbenih vidikih merjenja zahtevanih fizikalnih spremenljivk (napetost, tok, temperatura itd.), pa tudi o vprašanjih in strategijah uravnoteženja. Nazadnje so razpravljali o vidikih varnosti in zanesljivosti.
1. Uvod
Kompleksnost sistemov za upravljanje baterij (BMS) je odvisna od aplikacije. Posamezno baterijo, ki je tako preprosta kot pri mobilnem telefonu ali bralniku e-knjig, je mogoče izmeriti s preprostim "merilcem baterije" IC, ki lahko meri napetost, temperaturo in tok ter oceni stanje napolnjenosti (SOC). Tako zapleten kot električna vozila mora BMS opravljati bolj zapletene naloge. Poleg merjenja osnovnih parametrov, kot so napetost baterije, temperatura in tok, so potrebni tudi napredni algoritmi za določanje razpoložljive energije za izračun dosega križarjenja.
To delo se osredotoča na vidik strojne opreme sistemov za upravljanje litij-ionskih baterij. 2. del predstavlja zahteve glede strojne opreme za BMS, vključno z merilnimi vrednostmi, elektromagnetnimi motnjami, električno izolacijo, kontaktorji in redundanco. Razdelek 3 ponuja pregled topologije BMS, pojasnjuje razlike med preprostimi in zapletenimi aplikacijami ter ponuja primer baterijskega sklopa za električna vozila. Razdelek 4 pojasnjuje, kako izpolniti zahteve glede merjenja fizične vrednosti in pogoste pasti. Razdelek 5 obravnava ravnotežje, uvaja in primerja metode izravnave polnjenja. Razdelek 6 se osredotoča na varnost in zanesljivost, vključno s tveganji in protiukrepi pri delovanju visokonapetostnih baterijskih sklopov, ter na kratko predstavlja metode merjenja izolacije in s tem povezane standarde.
2. Projektne zahteve za sistem za upravljanje baterije (BMS)
Načrtovanje BMS je zapletena naloga, ki zahteva upoštevanje posebnih aplikacijskih zahtev, sistemskega okolja in značilnosti uporabljenih baterij, iz katerih je mogoče izpeljati vrsto sistemskih zahtev. Na splošno so naslednje komponente BMS in funkcionalne zahteve običajno pomembne:
Zbiranje temperature
Izbira in namestitev senzorja:Natančno zbiranje temperature je težko pri načrtovanju BMS, zato je treba upoštevati vrsto senzorja (digitalni ali analogni) in lokacijo za merjenje temperature akumulatorskega paketa, ki določa število senzorjev temperature akumulatorja. Včasih je treba zbrati temperaturo kontaktorjev, varovalk ali vodil. Običajno obstaja določen delež kanalov med senzorji temperature in senzorji napetosti.
Temperaturne zahteve za različne scenarije uporabe:Zahteve glede temperature morajo upoštevati tri situacije: polnjenje, praznjenje in shranjevanje, pri čemer je treba paziti tudi na termično časovno konstanto. Litij-ionske baterije ne morejo pravilno delovati zunaj določenega temperaturnega območja in lahko pride do litijskega prevleke pri visokih tokovnih stopnjah v normalnem temperaturnem območju. Zato je potrebno natančno meriti temperaturo, napetost in tok. Na toplotno kapacitivnost in toplotno prevodnost baterij vplivajo dejavniki, kot je zgradba baterije, neustrezna namestitev temperaturnih senzorjev pa lahko povzroči napačno odčitavanje in toplotne mrtve točke.
Pridobivanje napetosti
Prevzemni kanal in natančnost:Klasični BMS, ki temelji na litij-ionskih baterijah, zahteva vsaj en kanal za zajemanje napetosti za vsako serijsko povezano baterijo, nekatere avtomobilske aplikacije pa imajo tudi sekundarno zaščito (doseženo s programabilnim okenskim primerjalnikom). Stopnja pretvorbe podatkov o napetosti se razlikuje glede na aplikacijo, običajno uporabljeni sprednji čipi BMS pa imajo določeno napetostno natančnost in ločljivost.
Vpliv na oceno SOC:Če za primer vzamemo baterije NMC in LFP, je prikazano, da ima natančnost pridobivanja napetosti pomemben vpliv na oceno SOC. Večja kot je natančnost, natančnejša je ocena SOC in uporaba samo podatkov o napetosti za določitev SOC morda ne bo dovolj.
Slika 1. Primerjava negotovosti SOC je odvisna od natančnosti napetosti ± 1 mV.
Aktualna zbirka
Metoda zbiranja in značilnosti senzorja:SOC je mogoče določiti ne le z merjenjem napetosti odprtega tokokroga (OCV), ampak tudi z uporabo Coulombove metode štetja (merjenje toka in integracija). Vendar pa imajo trenutni senzorji nepopolne značilnosti, kot so napake odmika, odmika in temperature, in bodo morda morali hkrati izpolnjevati različne zahteve merilnega območja in imeti določeno pasovno širino.
V praktičnih aplikacijah je zanašanje samo na Coulombovo štetje za določitev SOC netočno, zlasti v pogojih nizkega toka. Da bi rešili to težavo, je mogoče združiti algoritme in parametrizirane modele za obdelavo trenutnih podatkov, vendar to presega obseg tega članka.
Komunikacijske zahteve
Komunikacija znotraj sistema:BMS mora komunicirati s celotnim sistemom (kot je napajalna elektronika, upravljanje z energijo ali krmilne enote vozila), ob upoštevanju dejavnikov, kot so način komunikacije, hitrost, robustnost in zanesljivost. Na primer, morda je treba v vozilih zagotoviti vmesnike CAN za sistemsko komunikacijo, različne aplikacije pa imajo morda že določene komunikacijske zahteve na sistemski ravni, ki se jim mora BMS prilagoditi.
Komunikacija med moduli:Pri modularnih sistemih je potrebno določiti način komunikacije med glavnim in podrejenim modulom, ki je podoben osnovnim zahtevam za medsistemsko komunikacijo. Konkretne primere lahko najdete v naslednjih poglavjih.
Zaščita pred elektromagnetnimi motnjami (EMI).
Vpliv EMI na senzorje:EMI lahko vpliva na zbiranje podatkov senzorjev, vsi senzorji pa so dovzetni za njegov vpliv, kar lahko povzroči rahlo popačenje ali popolno neuporabnost podatkov.
Ukrepi za zmanjšanje vpliva EMI:Da bi zmanjšali vpliv, morajo imeti motorji, napajalne elektronske komponente in druge obremenitve dobro zasnovo EMI, uporabiti pa je mogoče ustrezne naprave za filtriranje EMI, kot so skupne dušilke in blokirni kondenzatorji, in jih namestiti blizu merilne poti senzorja.
Zahteve v zvezi s kontaktorji
Funkcija in zahteve kontaktorjev:Večina baterijskih paketov zahteva možnost električnega odklopa vsaj ene elektrode, kar zahteva ustrezen kontaktor. Zaradi posebne narave prekinitve enosmernega toka in gašenja obloka morajo kontaktorji imeti naprave za magnetno gašenje obloka in se morajo izogibati kontaktnemu varjenju.
Varnostni ukrepi delovanja:Za zagotovitev varnosti je med delovanjem kontaktorskega stikala potrebno posebno vezje (kot je predpolnilna enota, sestavljena iz zaporedno povezanih kontaktorja in upora), da se zagotovi, da med obema koncema ni razlike v potencialu, in se izognete nevarnim situacijam.
Zahteve glede odpuščanja
Vloga redundance pri zanesljivosti sistema:V skladu s standardom ISO 26262 lahko redundanca izboljša zanesljivost sistema. Napetost akumulatorja se do določene mere običajno opazuje redundantno z dvema metodama: natančno merjenje z glavnim čipom in binarne informacije, ki jih zagotavlja pomožni čip.
Koncept redundance višje ravni:Koncepti redundance obstajajo tudi pri procesiranju na višjih ravneh, kot so koraki zaklepanja, odpravljanje napak v pomnilniku in mehanizmi za samotestiranje v posebnih procesorjih.
Zahteve glede električne izolacije
Izolacija paketa baterij:Baterijski paket je običajno razdeljen na visokonapetostne in nizkonapetostne dele, ki zahtevajo električno izolacijo in se lahko doseže z optičnimi, induktivnimi ali kapacitivnimi metodami.
Izolacija toplotnega senzorja:Vsi toplotni senzorji morajo biti tudi električno izolirani, da se izognemo visokonapetostnim napakam, ki vplivajo na nizkonapetostne dele, podobno kot pri načrtovanju IT omrežja za distribucijo električne energije.
Zahteve za ravnotežje
Vpliv neravnovesja polnjenja:Med serijsko povezanimi baterijami lahko pride do neravnovesja napolnjenosti, kar lahko vpliva na delovanje in zanesljivost sistema, na splošno pa ga je treba vzdrževati na nizki ravni.
Posebni vidiki uporabe:Različne aplikacije imajo lahko posebne premisleke, kot so omejitve teže ali zahteve glede polnilnega toka, kar lahko vodi do ustvarjanja izravnalnega toka. Oddelek 5 bo dodatno predstavil potrebo in metode izvajanja uravnoteženja.
Druge zahteve
Zahteve v zvezi z aplikacijo:Aplikacija ima lahko tudi nekatere druge zahteve, kot so prostor, stroški, mehanska trdnost strojne opreme, teža in poraba energije, ki niso v središču tega članka, vendar jih je treba upoštevati.
3. Topološka struktura BMS
Pregled strukture akumulatorskega sistema:Da bi zadostili električnim specifikacijam sistema, je treba baterije pogosto združiti v baterijske pakete z več povezovalnimi topologijami. Serijska povezava lahko doseže določeno napetostno območje in zmanjša tok; Vzporedna povezava lahko poveča zmogljivost. V praksi obstajajo različne variante, kot so vzporedna vezava baterij majhne kapacitete v module in serijska vezava ali neposredna uporaba baterij velike kapacitete v zaporedni povezavi. Različne topologije imajo različne vplive na kompleksnost BMS, kot so povečani stroški spremljanja in uravnoteženja, ko je več serijskih baterij povezanih vzporedno.
Slika 2. Shematski diagram različnih topologij baterijskega paketa: (a) enocelični; (b) vzporedna vezava dveh baterij; (c) Serijska povezava treh baterij; (d) vzporedna povezava dveh serijskih in treh serijskih baterij; (e) Zaporedna povezava treh modulov, sestavljenih iz dveh vzporednih baterij.
Tabela 1. Značilnosti topoloških variant so prikazane na sliki 2.
Navedite primer za ponazoritev načina priključitve baterije in zahtev glede kanala za merjenje napetosti: na primer kombinacija m zaporedno povezanih baterij in n vzporedno povezanih baterij zahteva različno število kanalov za merjenje napetosti za različne načine povezave.
Razprava o posebnem primeru:V nekaterih posebnih aplikacijah (kot sta sonda Evropske vesoljske agencije za Mars in sonda Rosetta) spremljanje in uravnoteženje posamezne celice morda ne bosta opravljena zaradi dejavnikov, kot so velikost, teža in poraba energije. Čeprav nekatera mnenja kažejo, da lahko skrbno izbiranje baterij iz iste serije izpusti spremljanje, so raziskave pokazale, da imajo lahko celo baterije iz iste serije različno staranje, opustitev nadzora pa lahko predstavlja tveganje. Vendar pa je pri majhnih sistemih in napetostih akumulatorjev v določenem območju vpliv opustitve spremljanja lahko relativno majhen.
Povezano z integriranim vezjem (IC).
IC z osnovno funkcijo spremljanja:Da bi dosegli osnovno nadzorno funkcijo varnega delovanja baterije, proizvajalci polprevodnikov zagotavljajo različna integrirana vezja (ASIC), specifična za uporabo. Za majhne elektronske naprave z eno celico obstaja IC "merilec goriva", ki lahko spremlja napetost, tok in temperaturo, oceni SOC in lahko vključuje tudi funkcije, kot so regulatorji polnjenja. Na primer, TI-jev "bq27220" in Maximov sorodni IC-ji.
IC za sisteme z veliko močjo in povpraševanjem po energiji
Modularizacija in razporeditev funkcij:Za aplikacije z velikimi zahtevami po moči in/ali energiji je paket baterij sestavljen iz več baterij, ustrezen IC pa lahko hkrati nadzira več baterij in zagotavlja funkcijo uravnoteženja. V sistemu je osrednji modul (BMS Master), ki je odgovoren za kompleksne funkcije, kot so ocena SOC in algoritmi za napovedovanje moči; Sprednji modul IC (BMS Slaves) je odgovoren za osnovne funkcije, kot sta pridobivanje signala in filtriranje.
Slika 3. Tipična struktura BMS za aplikacije v električnih vozilih.
Različni primeri IC in metode uravnoteženja:Na primer, bq76PL536A, MAX11068 in LT6802G-2 podjetja TI zagotavljajo pasivno uravnoteženje, medtem ko se AMS-ov AS8506C lahko uporablja za topologijo pasivnega uravnoteženja in omogoča tudi aktivno uravnoteženje. Nekateri IC-ji imajo naslednike in za izboljšanje zanesljivosti nadzora napetosti je mogoče uporabiti IC-je sekundarne zaščite. Čeprav lahko popolnoma redundantni BMS izboljša zanesljivost, so stroški visoki.
Komunikacija in prenos podatkov
Način povezave IC na sprednji strani:Sprednji IC-ji se običajno lahko povežejo prek verižne povezave, različni IC-ji pa imajo različne metode vmesnika. MAX11068 je povezan prek vrat I2C, bq76PL536A podjetja TI nudi več vmesnikov, LT6802G-2 pa je povezan prek vodila SPI (ki zahteva dodaten digitalni izolator).
Sistemska komunikacijska metoda:V sistemu se običajno uporabljajo nizkocenovni mikrokrmilniki za povezovanje IC-jev na istem PCB-ju, moduli na drugih PCB-jih in glavni moduli BMS pa so povezani prek fieldbus (kot je CAN).
Dejanski primer
Mitsubishi i-MiEV:Baterija je sestavljena iz več modulov, povezanih z vijaki, z 88 prizmatičnimi baterijami. PCB na modulu vsebuje nadzorne IC in temperaturne senzorje, ohišje paketa baterij pa vsebuje več komponent. Glavni modul BMS se nahaja pod zadnjimi sedeži vozila in komunicira prek notranjega vodila CAN. V primerjavi z drugimi baterijami je njen notranji prostor prostornejši, kar je lahko stranski učinek zračnega hlajenja.
Slika 4. (a) Baterijski paket Mitsubishi i-MiEV; (b) baterijski sklop Volkswagen e-Up; (c) Paket baterij za električni pogon Smart fortwo. Opomba: Metode skaliranja so različne.
Slika 5. (a) Pogled od zgoraj na baterijski modul Tesla Model S; (b) Baterijski modul Volkswagen e-Up, modul 6s2p, pogled od zgoraj.
Smart Fortwo Electric Edition:Baterijo sestavlja 90 serijsko povezanih vrečkastih baterij s hladilnim sistemom, osnovne nadzorne naloge pa opravlja TI-jev IC, podoben bq76PL536A. Vsako tiskano vezje vsebuje več nadzornih IC-jev in mikrokrmilnikov, glavni modul BMS pa se nahaja znotraj ohišja baterije z visoko integracijo in malo kabli.
Volkswagen e-Up:Baterija vsebuje več serijskih modulov, brez hladilnega sistema ali servisne odklopne naprave, centraliziran modul BMS, povezan z baterijo in merilnim IC (MAX11068) prek velikega števila linij za merjenje napetosti, z velikim številom uravnoteženih uporov in mikrokrmilnikom brez pretvorbe signali.
Tesla Model S:Baterija je sestavljena iz velikega števila 18650 baterij, razdeljenih na več modulov, povezanih preko veznih žic. BMS se spremlja z bq76PL536A-Q1 podjetja TI, napetost pa se meri z varilnimi žicami. V primerjavi z drugimi baterijami je njegova stopnja integracije drugačna, na primer nizka stopnja integracije pri Volkswagen e-Up in visoka stopnja integracije pri Smart Fortwo.
4. Pregled merilne tehnologije HV baterijskega sistema
Pomen merilne tehnologije:Merilna tehnologija je ključna komponenta sistemov za upravljanje baterij, ki lahko določi spremenljivke stanja, kot so SOC, SOH, SOF itd. Običajno meri spremenljivke, kot so napetost baterije, skupna napetost, skupni tok in temperatura baterijskih sistemov. Te spremenljivke stanja lahko zaščitijo baterijski sistem pred poškodbami, kot sta prekomerno polnjenje ali prekomerno praznjenje, in optimizirajo uporabo baterijskega sistema.
Zahteve za senzor:Določite tipične zahteve za senzorje na podlagi aplikacij za shranjevanje baterij, vključno s stroški, pasovno širino, natančnostjo, merilnim obsegom in velikostjo, kot je podrobno opisano v 2. razdelku.
Merjenje toka
Razvrstitev merilne metode:Oprema za odjem toka je razdeljena na dve osnovni senzorski tehnologiji: električno povezavo in izolacijo. Običajno uporabljeno zaznavanje tokovnega upora pripada vrsti električne povezave, Hallov senzor pa je primer vrste izolacije.
Poleg senzorske tehnologije je treba upoštevati tudi položaj v baterijskem paketu. Pri baterijskih sistemih, ki vsebujejo več preklopljivih nizov, mora biti vsak niz opremljen z napravo za nadzor toka za sledenje neravnovesju moči.
Merjenje upora šanta
Načelo merjenja in značilnosti:Tok se meri s kombinacijo nizkega upora, visoko natančnega upora in visoko natančnega sistema za merjenje napetosti. Upor se nahaja na tokovni poti, pri prehodu toka pa pride do izgube moči in dviga temperature. Pri izbiri upora je treba uravnotežiti izgubo in potrebo po ustvarjanju ustreznega padca napetosti. Pri merjenju z visoko natančnostjo je treba upoštevati tudi temperaturni koeficient in dolgoročno stabilnost upora.
Ta metoda se lahko uporablja za merjenje enosmernih in izmeničnih tokov in ima prednosti preprostosti, linearnosti in visoke pasovne širine. Vendar je merilno območje omejeno z natančnostjo merjenja napetosti.
Primerjava meritev nizke in visoke strani
Meritev nizke strani se nanaša na upor, ki se nahaja med pozitivnim polom baterije in obremenitvijo. Njegova prednost je, da je vhodna skupna napetost nizka in je mogoče uporabiti veliko število ojačevalnikov za zaznavanje toka. Vezje je preprosto in stroškovno učinkovito, vendar bo motilo ozemljitveno pot in ne more zaznati obvoda toka visoke obremenitve.
Merjenje visoke strani se nanaša na upor, ki se nahaja med obremenitvijo in negativnim polom ali maso baterije. Njegova prednost je, da se lahko izogne motnjam ozemljitvene poti in zazna kratke stike, vendar zahteva pretvorbo nivoja izhoda ojačevalnika in zahteva, da ojačevalnik prenese visoko skupno napetost.
Kontaktni manj tokovni senzorji (Hall senzorji itd.)
Princip merjenja in prednosti:Uporaba magnetnega polja, ki ga ustvari tok, za merjenje, kot so Hallovi senzorji na podlagi Hallovega učinka, brez povečanja upora tokovne poti, brez dodatnih prevodnih izgub, s prednostmi električne izolacije in brez potrebe po dodatnih optosklopnikih ali digitalnih izolatorjih za kondicioniranje signala.
Hallove senzorje je mogoče kupiti kot integrirana vezja, postaviti na tokovno pot, njihov izhod pa je treba filtrirati. Za uporabo so na voljo tudi celotni moduli, ki so sestavljeni iz feritnih obročev, ki vsebujejo Hallove senzorje in lahko zagotovijo električno izolacijo.
Značilnosti senzorja in omejitve:Glavna pomanjkljivost je omejena pasovna širina, ki običajno ne presega več deset kHz, in temperaturni nihanje v izhodnem signalu, ki ga je treba kompenzirati. Če baterijski sistem zahteva večjo pasovno širino, je treba uporabiti merjenje upornosti šanta, Hallovi senzorji pa so dragi in zajetni.
Merjenje napetosti
Diferenciacija merjenja napetosti baterije:Pri litij-ionskih baterijskih sklopih je treba razlikovati med merjenjem napetosti vsake baterije in skupno napetostjo baterijskega paketa. Območja napetosti obeh sta različna, vsota vseh napetosti akumulatorja pa mora biti enaka skupni napetosti, kar se lahko uporablja kot merilo za presojo racionalnosti.
Merjenje napetosti baterije:običajno dopolnjen z integriranim sprednjim čipom BMS. Število baterij, ki jih je mogoče povezati s čipi na trgu, se razlikuje, redundanco in zanesljivost sistema pa je mogoče izboljšati tudi s sekundarnimi nadzornimi IC-ji.
Merjenje napetosti paketa baterij:dopolnjuje ločena merilna enota, vključno z delilnikom napetosti, impedančnim pretvornikom, filtrom in analogno-digitalnim pretvornikom (ADC). Delilnik napetosti se uporablja za znižanje napetosti paketa baterij na ustrezno območje, kar lahko zahteva več uporov za zagotovitev varnosti, kot tudi Zenerjevo diodo za zaščito naslednjega tokokroga. Istočasno se za pridobivanje izmerjene napetosti uporabljajo impedančni pretvorniki, filtri in ADC.
Merjenje temperature
Pogosti tipi in principi temperaturnih senzorjev:Običajni temperaturni senzorji vključujejo tipe negativnega temperaturnega koeficienta (NTC) in pozitivnega temperaturnega koeficienta (PTC), ki merijo temperaturo z merjenjem padca napetosti pod konstantnim tokom. Njihova odpornost se spreminja s temperaturo in se lahko uporabljajo v določenem temperaturnem območju, vendar obstajajo nelinearne težave.
Težave in rešitve pri uporabi senzorjev:Zaradi nelinearnosti je v verigi digitalne obdelave potrebna iskalna tabela za umerjanje izračunov temperature. Obstaja tudi nekaj senzorjev, ki uporabljajo digitalne vmesnike, ki so bolj priročni za uporabo, vendar je treba opozoriti na težave z elektromagnetnimi motnjami, ko jih postavite blizu poti z visoko močjo v paketih baterij. Druge merilne metode, kot sta kovinski PTC in termočlen, lahko zagotovijo večjo natančnost in širši temperaturni razpon, vendar z večjo elektronsko kompleksnostjo.
Prenos podatkov
Značilnosti in scenariji uporabe različnih komunikacijskih vodil:potrebna je komunikacija med moduli BMS ter med BMS in celotnim sistemom. Vodilo CAN se pogosto uporablja v okoljih vozil, s prilagodljivostjo in odpornostjo proti hrupu; Vodilo LIN je sorazmerno preprosto, vendar počasno, ima slabo prilagodljivost in ni diferencialno, zaradi česar je primerno za scenarije z visokimi stroškovnimi zahtevami; Drugi komunikacijski vmesniki kratkega dosega, kot so SPI, I2C in vodilo OneWire, niso primerni za komunikacijo med moduli na dolge razdalje, ki je nagnjena k motnjam; Če je hitrost vodila CAN nezadostna ali je potrebna deterministična zmogljivost v realnem času, lahko uporabite vodilo FlexRay ali Ethernet.
5. Stanje baterije
Razlog za razliko v SOC baterije:Pri zaporedno povezanih baterijah lahko razlike v proizvodnji ter različni pogoji delovanja in okolja (kot je temperatura) povzročijo neenakost med baterijami. Ti dejavniki lahko povzročijo različne začetne pogoje, staranje in stopnje samopraznjenja, kar povzroči odstopanja v vrednostih SOC, zmogljivosti in odpornosti. Ta razdelek se v glavnem osredotoča na razlike v SOC in zmogljivosti in ne vključuje razlik v notranji upornosti. Raziskave so pokazale, da bodo tudi baterije z enako začetno zmogljivostjo in obremenitvijo imele razlike v zmogljivosti po uporabi. Na primer, baterije 18650 z enako začetno zmogljivostjo, s preostalo zmogljivostjo 80 % kot standard ob koncu življenjske dobe, imajo življenjsko dobo med 1000-1500-krat. Hkrati obstajajo razlike v stopnji samopraznjenja različnih baterij, kot so komercialne mehke baterije, shranjene pri 40 stopinjah C, kjer se upor samopraznjenja giblje med 10 k Ω in 14 k Ω.
Slika 6. (a) Razlogi za neuravnotežene baterijske celice, številke na podlagi [57]; (b) Razvrstitev različnih ravnotežnih metod se nanaša na smer prenosa energije kot ime prikazane nedisipativne metode.
Potreba po ravnotežju:Razlike v SOC, kapaciteti in notranjem uporu lahko privedejo do zmanjšanja razpoložljive energije paketa baterij, kar je mogoče rešiti z uravnoteženim vezjem.
Pregled metod ravnotežja
Izvedba strojne opreme:Literatura opisuje različne metode izvedbe strojne opreme za uravnoteženje tokokrogov, ki jih je mogoče razvrstiti v različne topološke strukture, metode krmiljenja (kot je aktivno/pasivno) ali komercialno dostopnost.
Metode uravnoteženja v komercialnih aplikacijah:Večina komercialnih baterijskih sklopov uporablja nadzorovane pasivne sisteme uravnoteženja, ki se dosežejo z vzporednimi izravnalnimi upori na obeh koncih baterije. Ta metoda lahko reši samo problem variacije SOC z majhnim ravnotežnim tokom (približno 100 mA) in brez spremembe kapacitete baterije, ki je lahko omejena z disipacijo energije BMS ali premerom kabla med baterijo in nadzornim vezjem. Vsaka baterija ali vzporedna kombinacija baterij ima preklopni izravnalni upor z vrednostjo upora med 30 Ω -40 Ω (ob predpostavki, da je napetost baterije 4,2 V), vsaka baterija pa porabi moč med 387 mW -430 mW.
Metode za reševanje različnih težav z zmogljivostjo:Za reševanje različnih težav z zmogljivostjo so potrebne bolj zapletene metode za prerazporeditev energije med baterijami z uporabo močnostne elektronike. Vendar te metode zahtevajo zapletene krmilne algoritme in drage induktorje. Čeprav obstajajo sorodni izdelki BMS IC, niso bili pogosto uporabljeni v komercialnih avtomobilskih akumulatorskih paketih.
6. Varnost and zanesljivost
Splošni cilj zmanjšanja tveganja:Eden glavnih ciljev BMS je zmanjšati tveganja, povezana z delovanjem litij-ionskih baterij v baterijskih paketih.
Slika 7. Model enakovrednega vezja sprednjega dela za zajemanje napetosti baterije, ki prikazuje zaznavnost napak zaznavanja linij.
Posebni varnostni ukrepi
Visokonapetostna varnost:Visokonapetostna varnost baterijskega sklopa je zagotovljena z nadzorom izolacije in zaklepnimi vezji, ki lahko zmanjšajo tveganje iskrenja zaradi onesnaženja ali kondenzacije. Hkrati mora zasnova strojne opreme BMS slediti ustreznim standardom za zagotovitev plazilne poti in električnega odmika tiskanega vezja in priključkov.
Električna izolacija:Za zagotovitev električne izolacije pred visoko napetostjo baterije na vmesnikih z drugimi krmilnimi enotami ali pomožnimi viri napajanja je mogoče uporabiti izolacijsko opremo, ki ustreza standardu "izboljšane izolacije". Uporabljajo se tradicionalni optični sklopniki, zdaj pa imajo "digitalni izolatorji" boljše zmogljivosti IC.
Protipožarni ukrepi:Namestite temperaturne senzorje v baterijski paket in se odzovite na kritične temperature. Za zmanjšanje nevarnosti požara je mogoče uporabiti tudi metode zaznavanja temperature brez senzorjev (kot je elektrokemična impedančna spektroskopija) in nove metode merjenja temperature.
Kontaktor in varovalka:Uporabite kontaktor, da odklopite baterijo od sistema, medtem ko ga uskladite z varovalko. Upoštevajte značilnosti delovanja obeh in vpliv parazitske kapacitivnosti in induktivnosti v paketu baterij na izbiro varovalk.
Notranja varnost baterij:BMS mora zagotoviti, da je baterija napolnjena v določenem temperaturnem območju, pri čemer se je treba izogibati nizkotemperaturnemu litijevemu prevleki in globokemu praznjenju pred delovanjem. Hkrati je mogoče uporabiti diagnostične algoritme za odkrivanje notranjih kratkih stikov.
Slika 8. Merjenje izolacije: (a) Izolacija v povezavah IT; (b) Shematski diagram merjenja izolacije.
Težave, povezane z zasnovo strojne opreme BMS
Zaznavanje napak senzorja:Z naraščajočo kompleksnostjo implementacije strojne in programske opreme BMS se povečuje verjetnost programskih napak in okvar senzorjev. Na primer, napak na kablu pri zaznavanju napetosti akumulatorja ni enostavno zaznati samo z merjenjem napetosti, lahko pa jih je zaznati s sistemi za uravnoteženje akumulatorja ali vezji tokovnega vira.
Preverjanje veljavnosti senzorja:Druge napake, kot so okvare senzorjev, je mogoče zaznati z diagnostičnimi algoritmi, veljavnost signalov senzorjev pa je mogoče preveriti z električnim obnašanjem baterije.
Merjenje izolacije
Pomen in struktura sistema merjenja izolacije:Visokonapetostni sistem električnih ali delno električnih vozil je običajno zgrajen kot IT omrežje in mora zaznati prvo napako. Pri merjenju izolacijske upornosti je treba upoštevati kapacitivnost in upornost sistema, saj lahko kapacitivnost moti meritev.
Pogoste metode merjenja:Običajne metode vključujejo merjenje skupnega načina toka z zančno tuljavo in izračun izolacijskega upora s spreminjanjem potenciala med sistemom in ohišjem prek stikal in uporov. Predstavljene so tudi druge enostavnejše ali bolj zapletene metode.
Standardi merjenja izolacije:Merjenje izolacije ima ustrezne standardne specifikacije za merilne metode in minimalne zahteve glede izolacijske upornosti. Različni standardi imajo razlike v merilnih metodah, vrednostih upora in času merjenja.
7. Povzetek
Splošne zahteve in vidiki oblikovanja:Ta članek predstavlja običajne koncepte strojne opreme BMS, začenši s splošnimi zahtevami in zagotavljanjem premislekov o implementaciji. Proces oblikovanja mora vključevati čim več parametrov, vendar morajo biti zahteve postavljene glede na potrebe ciljne naprave. Zahteve za različne aplikacije se zelo razlikujejo in te zahteve so dobro izhodišče za premisleke o načrtovanju paketa baterij.
BMS topologija:Struktura akumulatorskega sistema vpliva na topologijo BMS in nekatere aplikacije uporabljajo posebne metode spremljanja za zmanjšanje teže ali zapletenosti, kot so štiri baterije komercialnih električnih vozil, primerjane v razdelku 3.3, ki imajo nekaj skupnih značilnosti zaradi podobnih aplikacij (kot je uporaba komunikacije CAN ), vendar se razlikujejo po integraciji in notranji komunikaciji.
Merjenje fizične vrednosti:Razdelek 4 ponuja podroben uvod v metode zbiranja in prenosa zahtevanih fizičnih vrednosti. Različne merilne zahteve zahtevajo izbiro različnih metod na podlagi omejitev in potreb uporabe.
Težava z ravnotežjem:Razdelek 5 opisuje razloge in metode kompenzacije za neravnovesje napolnjenosti v serijskih baterijah, pri čemer je pasivna uravnoteženost trenutno najpogosteje uporabljena metoda.
Varnost in zanesljivost:Razdelek 6 ponuja pregled varnostnih vidikov, vključno s skladnostjo z delovnimi območji baterije, da se zagotovi življenjska doba in zaščiti uporabnike pred nevarnostmi visoke napetosti. Predstavlja standardne metode za nadzor izolacije in omenja potrebo po upoštevanju sistemskih tveganj pri zaščiti baterij.