Abstract
Acest articol se concentrează pe aspectele hardware ale sistemelor de management al bateriei (BMS) în vehiculele electrice și aplicațiile fixe. Scopul este de a sublinia conceptele din sistemele avansate existente, permițând cititorilor să înțeleagă factorii care trebuie luați în considerare atunci când proiectează BMS pentru aplicații specifice. După o scurtă analiză a cerințelor generale, au fost studiate mai multe structuri topologice posibile ale pachetelor de baterii și impactul acestora asupra complexității BMS. Luând drept exemplu pentru explicație patru pachete de baterii selectate dintre vehiculele electrice disponibile comercial. Ulterior, au fost discutate aspectele de implementare ale măsurării variabilelor fizice necesare (tensiune, curent, temperatură etc.), precum și probleme și strategii de echilibrare. În cele din urmă, au fost discutate considerente de siguranță și aspecte de fiabilitate.
1. Introducere
Complexitatea sistemelor de management al bateriei (BMS) depinde de aplicație. O singură baterie, la fel de simplă ca un telefon mobil sau un cititor de cărți electronice, poate fi măsurată cu un simplu IC „contor baterie”, care poate măsura tensiunea, temperatura și curentul și poate estima starea de încărcare (SOC). La fel de complex ca și vehiculele electrice, BMS trebuie să îndeplinească sarcini mai complexe. Pe lângă măsurarea parametrilor de bază, cum ar fi tensiunea bateriei, temperatura și curentul, sunt necesari și algoritmi avansați pentru a determina energia disponibilă pentru calcularea intervalului de croazieră.
Această lucrare se concentrează pe aspectul hardware al sistemelor de gestionare a bateriilor litiu-ion. Partea 2 prezintă cerințele hardware pentru BMS, inclusiv valorile de măsurare, interferența electromagnetică, izolarea electrică, contactoarele și redundanța. Secțiunea 3 oferă o prezentare generală a topologiei BMS, clarifică diferențele dintre aplicațiile simple și complexe și oferă un exemplu de acumulator pentru vehicule electrice. Secțiunea 4 explică cum să îndepliniți cerințele de măsurare a valorii fizice și capcanele comune. Secțiunea 5 discută echilibrul, introduce și compară metodele de echilibrare a taxelor. Secțiunea 6 se concentrează pe siguranță și fiabilitate, inclusiv pe riscurile și contramăsurile de funcționare a pachetelor de baterii de înaltă tensiune și prezintă pe scurt metodele de măsurare a izolației și standardele aferente.
2. Cerințe de proiectare pentru Sistemul de management al bateriei (BMS)
Proiectarea unui BMS este o sarcină complexă care necesită luarea în considerare a cerințelor specifice aplicației, a mediului de sistem și a caracteristicilor bateriilor utilizate, din care pot fi derivate o serie de cerințe de sistem. În general, următoarele componente BMS și cerințe funcționale sunt de obicei relevante:
Colectarea temperaturii
Selectarea și plasarea senzorului:Colectarea exactă a temperaturii este dificilă atunci când se proiectează BMS, iar tipul de senzor (digital sau analogic) și locația pentru măsurarea temperaturii acumulatorului trebuie luate în considerare, ceea ce determină numărul de senzori de temperatură a bateriei. Uneori este necesar să se colecteze temperatura contactoarelor, siguranțelor sau barelor colectoare. De obicei, există o anumită proporție de canale între senzorii de temperatură și senzorii de tensiune.
Cerințe de temperatură pentru diferite scenarii de aplicare:Cerințele de temperatură trebuie să ia în considerare trei situații: încărcare, descărcare și depozitare, acordând în același timp atenție constantei de timp termice. Bateriile cu ioni de litiu nu pot funcționa corect în afara unui anumit interval de temperatură, iar placarea cu litiu poate avea loc la rate de curent ridicate în intervalul normal de temperatură. Prin urmare, este necesar să se colecteze cu precizie temperatura, tensiunea și curentul. Capacitatea termică și conductibilitatea termică a bateriilor sunt afectate de factori precum structura bateriei, iar amplasarea incorectă a senzorilor de temperatură poate duce la citirea greșită și punctele moarte termice.
Achizitia tensiunii
Canal de achiziție și precizie:BMS clasic bazat pe baterii litiu-ion necesită cel puțin un canal de achiziție a tensiunii pentru fiecare baterie conectată în serie, iar unele aplicații auto au și protecție secundară (realizată prin comparator de fereastră programabil). Rata de conversie a datelor de achiziție a tensiunii variază în funcție de aplicație, iar cipurile front-end BMS utilizate în mod obișnuit au o anumită precizie și rezoluție a tensiunii.
Impactul asupra estimării SOC:Luând ca exemple bateriile NMC și LFP, se arată că acuratețea achiziției tensiunii are un impact semnificativ asupra estimării SOC. Cu cât precizia este mai mare, cu atât estimarea SOC este mai precisă și utilizarea numai a datelor de tensiune pentru a determina SOC poate să nu fie suficientă.
Figura 1. Comparația incertitudinii SOC depinde de precizia tensiunii de ± 1 mV.
Colecția curentă
Metoda de colectare și caracteristicile senzorului:SOC poate fi determinat nu numai prin măsurarea tensiunii în circuit deschis (OCV), ci și prin utilizarea metodei de numărare Coulomb (măsurarea curentului și integrarea). Cu toate acestea, senzorii de curent au caracteristici neideale, cum ar fi deviația, decalajul și erorile de temperatură și ar putea fi necesar să îndeplinească simultan diferite cerințe ale domeniului de măsurare și să aibă o anumită lățime de bandă.
În aplicațiile practice, bazarea exclusiv pe numărarea Coulomb pentru a determina SOC este inexact, mai ales în condiții de curent scăzut. Pentru a rezolva această problemă, este posibil să combinați algoritmi și modele parametrizate pentru a procesa datele curente, dar acest lucru depășește scopul acestui articol.
Cerințe de comunicare
Comunicarea in cadrul sistemului:BMS trebuie să comunice cu întregul sistem (cum ar fi electronica de putere, managementul energiei sau unitățile de control al vehiculului), luând în considerare factori precum modul de comunicare, viteza, robustețea și fiabilitatea. De exemplu, interfețele CAN ar putea fi necesare în vehicule pentru comunicarea sistemului și diferite aplicații pot avea deja determinate cerințe de comunicare la nivel de sistem, la care BMS trebuie să se adapteze.
Comunicare între module:Pentru sistemele modulare, este necesar să se definească metoda de comunicare între modulele master și slave, care este similară cu cerințele de bază pentru comunicarea între sisteme. Exemple specifice pot fi găsite în capitolele următoare.
Protecție la interferențe electromagnetice (EMI).
Impactul EMI asupra senzorilor:EMI poate afecta colectarea de date a senzorilor, iar toți senzorii sunt susceptibili la influența acesteia, ceea ce poate duce la o ușoară distorsiune sau la inutilitatea completă a datelor.
Măsuri pentru reducerea impactului EMI:Pentru a minimiza impactul, motoarele, componentele electronice de putere și alte sarcini ar trebui să aibă un design bun EMI, iar dispozitivele de filtrare EMI adecvate, cum ar fi bobinele de mod comun și condensatorii de blocare, pot fi utilizate și instalate lângă calea de măsurare a senzorului.
Cerințe legate de contactori
Funcția și cerințele contactoarelor:Majoritatea pachetelor de baterii necesită capacitatea de a deconecta electric cel puțin un electrod, ceea ce necesită un contactor adecvat. Datorită naturii speciale a întreruperii curentului continuu și a stingerii arcului, contactoarele trebuie să aibă dispozitive de stingere a arcului magnetic și ar trebui să evite sudarea prin contact.
Măsuri de siguranță în funcționare:Pentru a asigura siguranța, este necesar un circuit special (cum ar fi o unitate de preîncărcare constând dintr-un contactor și o rezistență conectate în serie) în timpul funcționării comutatorului contactor pentru a se asigura că nu există nicio diferență de potențial între cele două capete și pentru a evita situațiile periculoase.
Cerințe de redundanță
Rolul redundanței în fiabilitatea sistemului:Conform standardului ISO 26262, redundanța poate îmbunătăți fiabilitatea sistemului. Tensiunea bateriei este de obicei observată redundant într-o anumită măsură, cu două metode: măsurare precisă de către cipul principal și informații binare furnizate de cipul auxiliar.
Conceptul de redundanță de nivel superior:Conceptele de redundanță există, de asemenea, în procesarea de nivel superior, cum ar fi lock stepping, corecția erorilor de memorie și mecanismele de auto-test în procesoarele speciale.
Cerințe de izolare electrică
Izolarea acumulatorului:Pachetul de baterii este de obicei împărțit în părți de înaltă tensiune și joasă tensiune, care necesită izolare electrică și pot fi realizate prin metode optice, inductive sau capacitive.
Izolarea senzorului termic:De asemenea, toți senzorii termici trebuie să fie izolați electric pentru a evita defecțiunile de înaltă tensiune care afectează părțile de joasă tensiune, similar conceptului de distribuție a rețelei IT.
Cerințe de echilibru
Impactul dezechilibrului de încărcare:Poate exista un dezechilibru de încărcare între bateriile conectate în serie, ceea ce poate afecta performanța și fiabilitatea sistemului și, în general, este necesar să-l mențineți la un nivel scăzut.
Considerații speciale de aplicare:Aplicațiile diferite pot avea considerații speciale, cum ar fi constrângerile de greutate sau cerințele de curent de încărcare, care pot duce la generarea de curent de echilibrare. Secțiunea 5 va introduce în continuare necesitatea și metodele de implementare a echilibrării.
Alte cerințe
Cerințe legate de aplicație:Aplicația poate avea și alte cerințe, cum ar fi spațiul, costul, rezistența mecanică hardware, greutatea și consumul de energie, care nu fac obiectul acestui articol, dar trebuie luate în considerare.
3. Structura topologică a BMS
Prezentare generală a structurii sistemului de baterii:Pentru a îndeplini specificațiile electrice ale sistemului, bateriile trebuie adesea combinate în pachete de baterii cu topologii de conexiune multiple. Conexiunea în serie poate atinge un domeniu specific de tensiune și poate reduce curentul; Conexiunea în paralel poate crește capacitatea. Există diferite variante în aplicațiile practice, cum ar fi conectarea în paralel a bateriilor de capacitate mică în module și conexiunea în serie sau utilizarea directă a bateriilor de capacitate mare în conexiune în serie. Diferitele topologii au un impact diferit asupra complexității BMS, cum ar fi costul crescut de monitorizare și echilibrare atunci când bateriile în serie multiple sunt conectate în paralel.
Figura 2. Diagrama schematică a diferitelor topologii de acumulatori: (a) o singură celulă; (b) Conectarea în paralel a două baterii; (c) Conectarea în serie a trei baterii; (d) Conectarea în paralel a două baterii în serie și trei în serie; (e) O conexiune în serie de trei module constând din două baterii paralele.
Tabelul 1. Caracteristicile variantelor topologice sunt prezentate în Figura 2.
Furnizați un exemplu pentru a ilustra metoda de conectare a bateriei și cerințele canalului de măsurare a tensiunii: de exemplu, combinația de baterii conectate în serie m și n baterii conectate în paralel necesită un număr diferit de canale de măsurare a tensiunii pentru diferite metode de conectare.
Discuție de caz special:În unele aplicații speciale (cum ar fi sonda Marte și sonda Rosetta a Agenției Spațiale Europene), este posibil ca monitorizarea și echilibrarea unei singure celule să nu fie efectuate din cauza unor factori precum dimensiunea, greutatea și consumul de energie. Deși unele opinii sugerează că selectarea cu atenție a bateriilor din același lot poate omite monitorizarea, cercetările au arătat că chiar și bateriile din același lot pot avea comportamente diferite de îmbătrânire, iar omiterea monitorizării poate prezenta riscuri. Cu toate acestea, pentru sistemele mici și tensiunile bateriei într-un anumit interval, impactul omiterii monitorizării poate fi relativ mic.
legate de circuitul integrat (IC).
IC cu funcție de monitorizare de bază:Pentru a realiza funcția de monitorizare de bază a funcționării în siguranță a bateriei, producătorii de semiconductori furnizează diverse circuite integrate specifice aplicației (ASIC). Pentru dispozitivele electronice mici cu celule unice, există un IC „indicator de combustibil” care poate monitoriza tensiunea, curentul și temperatura, poate estima SOC și poate include, de asemenea, funcții precum regulatoarele de încărcare. De exemplu, „bq27220” de la TI și circuitele integrate aferente lui Maxim.
IC pentru sisteme de mare putere și consum de energie
Modularizare și alocarea funcțiilor:Pentru aplicațiile cu cerințe mari de putere și/sau energie, un pachet de baterii constă din mai multe baterii, iar IC-ul relevant poate monitoriza simultan mai multe baterii și oferă funcționalitate de echilibrare. Există un modul central (BMS Master) în sistem responsabil pentru funcții complexe, cum ar fi algoritmii de estimare SOC și de predicție a puterii; Modulul front-end IC (BMS Slaves) este responsabil pentru funcțiile de bază, cum ar fi achiziția și filtrarea semnalului.
Figura 3. Structura tipică BMS pentru aplicațiile vehiculelor electrice.
Diferite exemple de CI și metode de echilibrare:De exemplu, bq76PL536A, MAX11068 și LT6802G-2 de la TI oferă echilibrare pasivă, în timp ce AS8506C de la AMS poate fi utilizat pentru topologia de echilibrare pasivă și oferă, de asemenea, capacitate de echilibrare activă. Unele circuite integrate au produse succesoare și, pentru a îmbunătăți fiabilitatea monitorizării tensiunii, pot fi utilizate circuite integrate de protecție secundară. Deși BMS complet redundant poate îmbunătăți fiabilitatea, costul este ridicat.
Comunicare și transmitere de date
Metoda de conectare IC frontală:Circuitele integrate frontale pot fi de obicei conectate prin lanț în margaretă, iar circuitele integrate diferite au metode de interfață diferite. MAX11068 este conectat prin portul I2C, bq76PL536A de la TI oferă mai multe interfețe, iar LT6802G-2 este conectat prin magistrala SPI (necesită un izolator digital suplimentar).
Metoda de comunicare a sistemului:În sistem, microcontrolerele cu costuri reduse sunt de obicei folosite pentru a conecta circuitele integrate pe același PCB, iar modulele de pe alte PCB-uri și modulele principale BMS sunt conectate prin fieldbus (cum ar fi CAN).
Caz real
Mitsubishi i-MiEV:Bateria este formată din mai multe module conectate prin șuruburi, cu 88 de baterii prismatice. PCB-ul de pe modul conține circuite integrate de monitorizare și senzori de temperatură, iar carcasa acumulatorului conține mai multe componente. Modulul principal BMS este situat sub scaunele din spate ale vehiculului și comunică printr-o magistrală CAN internă. În comparație cu alte baterii, spațiul său intern este mai spațios, ceea ce poate fi un efect secundar al răcirii cu aer.
Figura 4. (a) Pachet de baterii Mitsubishi i-MiEV; (b) pachet de baterii Volkswagen e-Up; (c) Pachet de baterii de propulsie electrică Smart fortwo. Notă: Metodele de scalare sunt diferite.
Figura 5. (a) Vedere de sus a modulului de baterie Tesla Model S; (b) Modul baterie Volkswagen e-Up, modul 6s2p, vedere de sus.
Smart Fortwo Electric Edition:Bateria este formată din 90 de baterii husă conectate în serie, cu un sistem de răcire, iar sarcinile de monitorizare de bază sunt îndeplinite de IC-ul TI, similar cu bq76PL536A. Fiecare PCB conține mai multe circuite integrate de monitorizare și microcontrolere, iar modulul principal BMS este situat în interiorul carcasei bateriei, cu o integrare ridicată și puține cabluri.
Volkswagen e-Up:Bateria conține mai multe module de serie, fără sistem de răcire sau dispozitiv de deconectare a serviciului, modul BMS centralizat, conectat la baterie și IC de măsurare (MAX11068) printr-un număr mare de linii de măsurare a tensiunii, cu un număr mare de rezistențe echilibrate și un microcontroler fără conversie semnale.
Tesla Model S:Bateria este compusă dintr-un număr mare de baterii 18650, împărțite în mai multe module, conectate prin fire de legătură. BMS-ul este monitorizat folosind bq76PL536A-Q1 de la TI și tensiunea este măsurată prin fire de sudură. În comparație cu alte baterii, nivelul său de integrare este diferit, cum ar fi nivelul scăzut de integrare al Volkswagen e-Up și nivelul ridicat de integrare al Smart Fortwo.
4. Prezentare generală a tehnologiei de măsurare a sistemului de baterii HV
Importanța tehnologiei de măsurare:Tehnologia de măsurare este o componentă cheie a sistemelor de gestionare a bateriei, care poate determina variabile de stare, cum ar fi SOC, SOH, SOF etc. De obicei măsoară variabile precum tensiunea bateriei, tensiunea totală, curentul total și temperatura sistemelor bateriei. Aceste variabile de stare pot proteja sistemul bateriei de daune precum supraîncărcarea sau supradescărcarea și pot optimiza utilizarea sistemului de baterii.
Cerințe pentru senzori:Determinați cerințele tipice pentru senzori pe baza aplicațiilor de stocare a bateriei, inclusiv cost, lățime de bandă, precizie, interval de măsurare și dimensiune, așa cum este detaliat în Secțiunea 2.
Măsurarea curentului
Clasificarea metodei de măsurare:Echipamentul de colectare a curentului este împărțit în două tehnologii de bază ale senzorilor: conexiune electrică și izolație. Senzorul curent al rezistenței de șunt utilizat în mod obișnuit aparține tipului de conexiune electrică, iar senzorul Hall este un exemplu de tip de izolare.
Pe lângă tehnologia senzorilor, trebuie luată în considerare și poziția din acumulatorul. Pentru sistemele de baterii care conțin mai multe șiruri comutabile, fiecare șir ar trebui să fie echipat cu un dispozitiv de monitorizare a curentului pentru a urmări dezechilibrul de putere.
Măsurarea rezistenței la șunt
Principiul de măsurare și caracteristici:Combinând rezistența scăzută, rezistența de înaltă precizie și sistemul de măsurare a tensiunii de înaltă precizie, curentul este măsurat. Rezistența este situată pe calea curentului, iar pierderea de putere și creșterea temperaturii apar atunci când trece curentul. Atunci când selectați un rezistor, este necesar să echilibrați pierderea și necesitatea de a genera o cădere de tensiune adecvată. Atunci când se măsoară cu înaltă precizie, trebuie luate în considerare și coeficientul de temperatură și stabilitatea pe termen lung a rezistenței.
Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura curenții DC și AC și are avantajele simplității, liniarității și lățimii de bandă mari. Cu toate acestea, domeniul de măsurare este limitat de precizia măsurării tensiunii.
Comparație dintre măsurătorile laturii joase și cele înalte
Măsurarea laturii scăzute se referă la rezistența situată între borna pozitivă a bateriei și sarcină. Avantajul său este că tensiunea de intrare în modul comun este scăzută și poate fi utilizat un număr mare de amplificatoare de detectare a curentului. Circuitul este simplu și rentabil, dar va interfera cu calea de masă și nu poate detecta ocolirea curentului de sarcină mare.
Măsurarea laterală înaltă se referă la rezistorul care este situat între sarcină și polul negativ sau masa bateriei. Avantajul său este că poate evita interferența căii de masă și poate detecta scurtcircuite, dar necesită o conversie de nivel a ieșirii amplificatorului și necesită ca amplificatorul să reziste la o tensiune mare în modul comun.
Senzori de curent fără contact (senzori Hall etc.)
Principiul de măsurare și avantaje:Utilizarea câmpului magnetic generat de curent pentru măsurare, cum ar fi senzorii Hall bazați pe efectul Hall, fără creșterea rezistenței la calea curentului, fără pierderi conductoare suplimentare, cu avantaje de izolare electrică și fără a fi nevoie de optocuple suplimentare sau izolatori digitali pentru condiționarea semnalului.
Senzorii Hall pot fi achiziționați ca circuite integrate, plasați pe calea curentului, iar ieșirea lor trebuie filtrată. Există, de asemenea, module complete disponibile pentru utilizare, care sunt compuse din inele de ferită care conțin senzori Hall și pot asigura izolare electrică.
Caracteristicile și limitările senzorului:Principalul dezavantaj este lățimea de bandă limitată, care de obicei nu depășește zeci de kHz, și deviația de temperatură a semnalului de ieșire care trebuie compensată. Dacă sistemul de baterii necesită o lățime de bandă mai mare, ar trebui utilizată măsurarea rezistenței la șunt, iar senzorii Hall sunt scumpi și voluminosi.
Măsurarea tensiunii
Diferențierea măsurării tensiunii acumulatorului:În pachetele de baterii litiu-ion, este necesar să se facă distincția între măsurarea tensiunii fiecărei baterii și a tensiunii totale a pachetului de baterii. Domeniile de tensiune ale celor două sunt diferite, iar suma tuturor tensiunilor bateriei ar trebui să fie egală cu tensiunea totală, care poate fi folosită ca criteriu de judecată a raționalității.
Măsurarea tensiunii bateriei:completat de obicei de un cip front-end BMS integrat. Numărul de baterii care pot fi conectate la cipuri de pe piață variază, iar redundanța și fiabilitatea sistemului pot fi, de asemenea, îmbunătățite prin circuite integrate de supraveghere secundare.
Măsurarea tensiunii acumulatorului:completat de o unitate de măsură separată, inclusiv un divizor de tensiune, un convertor de impedanță, un filtru și un convertor analog-digital (ADC). Divizorul de tensiune este utilizat pentru a reduce tensiunea acumulatorului la un interval adecvat, care poate necesita mai multe rezistențe pentru a asigura siguranța, precum și o diodă Zener pentru a proteja circuitul următor. În același timp, convertoare de impedanță, filtre și ADC sunt utilizate pentru a obține tensiunea măsurată.
Măsurarea temperaturii
Tipuri și principii comune ale senzorilor de temperatură:Senzorii de temperatură obișnuiți includ tipuri de coeficient de temperatură negativ (NTC) și coeficient de temperatură pozitiv (PTC), care măsoară temperatura prin măsurarea căderii de tensiune sub un curent constant. Rezistența lor variază în funcție de temperatură și poate fi utilizată într-un anumit interval de temperatură, dar există probleme neliniare.
Probleme și soluții în utilizarea senzorilor:Din cauza neliniarității, este necesar un tabel de căutare în lanțul de procesare digitală pentru a calibra calculele de temperatură. Există, de asemenea, unii senzori care folosesc interfețe digitale care sunt mai convenabile de utilizat, dar problemele EMI trebuie remarcate atunci când le plasați lângă căi de mare putere în pachetele de baterii. Alte metode de măsurare, cum ar fi PTC metalic și termocuplu, pot oferi o precizie mai mare și un interval de temperatură mai larg, dar cu o complexitate electronică mai mare.
Transmiterea datelor
Caracteristicile și scenariile de aplicare ale diferitelor magistrale de comunicație:comunicarea este necesară între modulele BMS și între BMS și întregul sistem. Bus CAN este utilizat în mod obișnuit în mediile vehiculelor, cu flexibilitate și rezistență la zgomot; Autobuzul LIN este relativ simplu, dar lent ca viteză, are flexibilitate slabă și nu este diferențial, făcându-l potrivit pentru scenarii cu cerințe de cost ridicat; Alte interfețe de comunicație cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi SPI, I2C și magistrala OneWire, nu sunt potrivite pentru comunicații pe distanțe lungi, predispuse la interferențe, de la modul la modul; Dacă viteza magistralei CAN este insuficientă sau este necesară o capacitate deterministă în timp real, poate fi utilizată magistrala FlexRay sau Ethernet.
5. Echilibrul bateriei
Motivul diferenței de SOC al bateriei:În cazul bateriilor conectate în serie, diferențele de producție și condițiile de funcționare și de mediu diferite (cum ar fi temperatura) pot duce la neuniformități între baterii. Acești factori pot cauza diferite condiții inițiale, îmbătrânire și rate de autodescărcare, ducând la abateri ale valorilor SOC, capacității și rezistenței. Această secțiune se concentrează în principal pe diferențele de SOC și capacitate și nu implică diferențe de rezistență internă - Cercetările au arătat că chiar și bateriile cu aceeași capacitate și sarcină inițială vor experimenta diferențe de capacitate după utilizare. De exemplu, 18650 de baterii cu aceeași capacitate inițială, cu o capacitate rămasă de 80% ca standardul de sfârșit de viață, au o durată de viață între 1000-1500 ori. În același timp, există diferențe în rata de autodescărcare a diferitelor baterii, cum ar fi bateriile comerciale soft pack stocate la 40 de grade C, unde rezistența de autodescărcare variază între 10k Ω și 14k Ω.
Figura 6. (a) Motive pentru celulele bateriei dezechilibrate, numere bazate pe [57]; (b) Clasificarea diferitelor metode de echilibru se referă la direcția transferului de energie ca denumirea metodei nedisipative prezentate.
Necesitatea echilibrului:Diferențele de SOC, capacitate și rezistență internă pot duce la o scădere a energiei disponibile a acumulatorului, care poate fi rezolvată printr-un circuit de echilibrare.
Prezentare generală a metodelor de echilibrare
Implementarea hardware:Literatura descrie diferite metode de implementare hardware pentru circuitele de echilibrare, care pot fi clasificate în diferite structuri de topologie, metode de control (cum ar fi activ/pasiv) sau disponibilitate comercială.
Metode de echilibrare în aplicații comerciale:Majoritatea pachetelor de baterii comerciale folosesc sisteme de echilibrare pasive controlate, realizate prin rezistențe de echilibrare paralele la ambele capete ale bateriei. Această metodă poate rezolva doar problema variației SOC, cu un curent de echilibru mic (aproximativ 100 mA) și nicio modificare a capacității bateriei, care poate fi limitată de disiparea energiei BMS sau de diametrul cablului dintre baterie și circuitul de monitorizare. Fiecare baterie sau combinație paralelă de baterie are un rezistor de echilibrare comutabil cu o valoare a rezistenței între 30 Ω -40 Ω (presupunând o tensiune a bateriei de 4,2 V), iar fiecare baterie consumă energie între 387 mW -430 mW.
Metode de rezolvare a diferitelor probleme de capacitate:Pentru a rezolva diferite probleme de capacitate, sunt necesare metode mai complexe de redistribuire a energiei între baterii folosind electronica de putere. Cu toate acestea, aceste metode necesită algoritmi de control complecși și inductori scumpi. Deși există produse BMS IC înrudite, acestea nu au fost utilizate pe scară largă în bateriile comerciale pentru automobile.
6. Siguranță and fiabilitatea
Scopul general al reducerii riscului:Unul dintre obiectivele principale ale BMS este reducerea riscurilor asociate cu funcționarea bateriilor litiu-ion din pachetele de baterii.
Figura 7. Model de circuit echivalent al front-end-ului de achiziție a tensiunii bateriei, demonstrând detectabilitatea defecțiunilor liniei de detectare.
Măsuri specifice de siguranță
Siguranta la inalta tensiune:Siguranța la înaltă tensiune a acumulatorului este asigurată prin monitorizarea izolației și circuitele de interblocare, care pot reduce riscul de arc cauzat de poluare sau condens. În același timp, designul hardware BMS ar trebui să urmeze standardele relevante pentru a asigura distanța de fuga și spațiul electric al PCB-ului și conectorilor.
Izolare electrica:Pentru a asigura izolarea electrică de tensiunea ridicată a bateriei la interfețele cu alte unități de control sau surse auxiliare de alimentare, pot fi utilizate echipamente de izolare care îndeplinesc standardul de „izolare îmbunătățită”. Sunt folosite optocuple tradiționale, dar acum „izolatoarele digitale” au performanțe IC mai bune.
Măsuri de prevenire a incendiilor:Puneți senzorii de temperatură în interiorul acumulatorului și răspundeți la temperaturi critice. Metodele de detectare a temperaturii fără senzori (cum ar fi spectroscopia de impedanță electrochimică) și noi metode de măsurare a temperaturii pot fi, de asemenea, utilizate pentru a reduce riscul de incendiu.
Contactor și siguranță:Utilizați un contactor pentru a deconecta acumulatorul de la sistem, coordonând în același timp cu o siguranță. Luați în considerare caracteristicile operaționale ale ambelor și impactul capacității și inductanței parazite din cadrul pachetului de baterii asupra selecției siguranțelor.
Siguranța internă a bateriilor:BMS ar trebui să se asigure că bateria este încărcată în intervalul de temperatură specificat, evitând placarea cu litiu la temperatură joasă și descărcarea profundă înainte de operare. În același timp, algoritmii de diagnosticare pot fi utilizați pentru a detecta scurtcircuite interne.
Figura 8. Măsurarea izolației: (a) Izolația în conexiunile IT; (b) Diagrama schematică a măsurării izolației.
Probleme legate de proiectarea hardware BMS
Detectarea defecțiunilor senzorului:Odată cu creșterea complexității implementării hardware și software BMS, probabilitatea erorilor software și a defecțiunilor senzorului crește. De exemplu, defecțiunile cablurilor în detectarea tensiunii bateriei nu sunt detectate cu ușurință doar prin măsurarea tensiunii, dar pot fi detectate prin sistemele de echilibrare a bateriei sau circuitele sursei de curent.
Verificarea validității senzorului:Alte defecțiuni, cum ar fi defectele senzorului, pot fi detectate prin algoritmi de diagnosticare, iar validitatea semnalelor senzorului poate fi verificată utilizând comportamentul electric al bateriei.
Măsurarea izolației
Importanța și structura sistemului de măsurare a izolației:Sistemul de înaltă tensiune al vehiculelor electrice sau parțial electrice este de obicei construit ca o rețea IT și trebuie să detecteze prima defecțiune. Atunci când se măsoară rezistența de izolație, este necesar să se ia în considerare caracteristicile de capacitate și rezistență ale sistemului, deoarece capacitatea poate interfera cu măsurarea.
Metode comune de măsurare:Metodele comune includ măsurarea curentului în modul comun folosind o bobină de buclă și calcularea rezistenței de izolație prin modificarea potențialului dintre sistem și șasiu prin comutatoare și rezistențe. Sunt introduse și alte metode mai simple sau mai complexe.
Standarde de măsurare a izolației:Măsurarea izolației are specificații standard relevante pentru metodele de măsurare și cerințele minime de rezistență a izolației. Diferitele standarde au diferențe în metodele de măsurare, valorile rezistenței și timpul de măsurare.
7. Rezumat
Cerințe generale și considerații de proiectare:Acest articol prezintă concepte comune de hardware BMS, pornind de la cerințele generale și oferind considerații de implementare. Procesul de proiectare ar trebui să includă cât mai mulți parametri posibil, dar cerințele trebuie stabilite în funcție de nevoile dispozitivului țintă. Cerințele diferitelor aplicații variază foarte mult, iar aceste cerințe sunt un bun punct de plecare pentru considerentele de proiectare a pachetului de baterii.
Topologie BMS:Structura sistemului de baterii afectează topologia BMS, iar unele aplicații folosesc metode speciale de monitorizare pentru a reduce greutatea sau complexitatea, cum ar fi cele patru baterii pentru vehicule electrice comerciale, comparate în Secțiunea 3.3, care au unele aspecte comune datorită aplicațiilor lor similare (cum ar fi utilizarea comunicației CAN). ), dar diferă în ceea ce privește integrarea și comunicarea internă.
Măsurarea valorii fizice:Secțiunea 4 oferă o introducere detaliată a metodelor de colectare și transmitere a valorilor fizice necesare. Cerințe diferite de măsurare necesită selectarea diferitelor metode pe baza constrângerilor și nevoilor aplicației.
Problema de echilibru:Secțiunea 5 descrie motivele și metodele de compensare pentru dezechilibrul de încărcare în bateriile în serie, echilibrul pasiv fiind în prezent metoda cea mai frecvent utilizată.
Siguranță și fiabilitate:Secțiunea 6 oferă o privire de ansamblu asupra aspectelor de siguranță, inclusiv respectarea intervalelor de funcționare a bateriei pentru a asigura durata de viață și pentru a proteja utilizatorii de pericolele de înaltă tensiune. Introduce metode standard de monitorizare a izolației și menționează necesitatea de a lua în considerare riscurile la nivel de sistem atunci când se protejează bateriile.