Elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru vadības sistēma (bms)

No 7. ^th 2013. gada janvāra, Boeing 787 lidojums tika novietots apkopes laikā, ka mehāniķis pamanīju liesmu un dūmu nāk no jaudas palīgiekārta (litija baterija Pack) lidojuma, kas tiek izmantota, lai darbinātu elektronisko lidojuma sistēmas. Centieni tika veikti, lai aizturētu uguni off, bet 10 dienas vēlāk, pirms šo jautājumu varētu atrisināt, 16. ^th janvārī otru bateriju neveiksmes radās 787 lidojumā ar All Nippon Airways, kas izraisīja avārijas nosēšanos pie Japānas lidostā. Šīs divas biežās katastrofālās akumulatora kļūmes lika Boeing 787 Dreamliners lidojumam uz nenoteiktu laiku pamatoties, kas sabojāja ražotāja reputāciju, radot milzīgus finansiālus zaudējumus.

Pēc ASV un Japānas kopīgas izmeklēšanas sērijas B-787 litija akumulatoru komplekts tika pakļauts datortomogrāfijai un atklāja, ka viena no astoņām litija jonu šūnām ir bojāta, izraisot īssavienojumu, kas ar uguni izraisīja termisko aizbēgšanu. No šī gadījuma varēja viegli izvairīties, ja litija jonu akumulatora bloka akumulatora vadības sistēma būtu paredzēta īssavienojumu noteikšanai / novēršanai. Pēc dažām konstrukcijas izmaiņām un drošības noteikumiem B-787 atkal sāka lidot, bet tomēr incidents joprojām ir pierādījums, lai pierādītu, cik bīstamas litija baterijas varētu iegūt, ja ar tām netiek rīkots pareizi.

Pāriet uz priekšu 15 gadus, šodien mums ir elektriskās automašīnas, kurās izmanto vienus un tos pašus litija jonu akumulatorus, kuru skaits ir simts, ja ne tūkstošos. Šie masīvie akumulatoru bloki ar aptuveni 300 V sprieguma pakāpi atrodas automašīnā un darbības laikā nodrošina līdz pat 300A (aptuvenie skaitļi) strāvu. Jebkura kļūda šeit nonāktu lielā katastrofā, tāpēc akumulatoru pārvaldības sistēma vienmēr tiek uzsvērta EV. Tātad šajā rakstā mēs uzzināsim vairāk par šo akumulatora vadības sistēmu (BMS) un sadalīsimies, lai saprastu tās dizainu un funkcijas, lai to saprastu daudz labāk. Tā kā akumulatori un BMS ir cieši saistīti, ir ļoti ieteicams iepazīties ar mūsu iepriekšējiem rakstiem par elektriskajiem transportlīdzekļiem un EV akumulatoriem.

Kāpēc mums nepieciešama akumulatora vadības sistēma (BMS)?

Litija jonu akumulatori ir izrādījušies interesanti akumulatori elektrisko transportlīdzekļu ražotājiem tā lielā lādēšanas blīvuma un mazā svara dēļ. Lai gan šīs baterijas pēc sava izmēra ir iesaiņotas daudzos perforatoros, tās pēc būtības ir ļoti nestabilas. Ir ļoti svarīgi, lai šīs baterijas nekad netiktu pārāk uzlādētas vai izlādētas jebkādos apstākļos, kad rodas nepieciešamība uzraudzīt to spriegumu un strāvu. Šis process kļūst mazliet grūtāks, jo ir daudz šūnu, kas izveidotas, lai izveidotu akumulatoru EV, un katra šūna ir atsevišķi jāuzrauga, lai pārliecinātos par tās drošību un efektīvu darbību, un tam nepieciešama īpaša īpaša sistēma, ko sauc par akumulatora vadības sistēmu. Lai iegūtu maksimālu akumulatora efektivitāti, mums vajadzētu pilnībā uzlādēt un izlādēt visas šūnas vienlaicīgi ar tādu pašu spriegumu, kas atkal prasa BMS. Bez tam BMS ir atbildīgs par daudzām citām funkcijām, kuras tiks aplūkotas turpmāk.

Akumulatora vadības sistēmas (BMS) dizaina apsvērumi

Veidojot BMS, jāņem vērā daudzi faktori. Pilnīgi apsvērumi ir atkarīgi no precīzas beigu programmas, kurā tiks izmantota BMS. Izņemot EV, BMS tiek izmantoti arī visur, kur ir iesaistīta litija bateriju pakete, piemēram, saules paneļu bloki, vējdzirnavas, elektrības sienas utt. Neatkarīgi no pielietojuma BMS dizainā jāņem vērā visi vai daudzi no šiem faktoriem.

Izlādes kontrole: BMS galvenā funkcija ir uzturēt litija šūnas drošā darbības reģionā. Piemēram, tipiskai Lithium 18650 šūnai zemāks spriegums būs aptuveni 3 V. BMS pienākums ir pārliecināties, ka neviena no šūnām iepakojumā netiek izvadīta zem 3V.

Uzlādes kontrole: Papildus izlādei BMS jāuzrauga arī uzlādes process. Nepareizi uzlādējot, lielākajai daļai akumulatoru mēdz sabojāties vai saīsināties tā kalpošanas laiks. Litija akumulatoru lādētājam tiek izmantots divpakāpju lādētājs. Pirmais posms tiek saukta par pastāvīga strāva (CC), kuru laikā lādētājs izvada konstantu strāvu, lai uzlādētu akumulatoru. Kad akumulators ir gandrīz pilns, otrais posms, ko sauc par nemainīgu spriegumu (CV)tiek izmantots posms, kura laikā akumulatoram tiek piegādāts nemainīgs spriegums ar ļoti mazu strāvu. BMS jāpārliecinās, ka uzlādes laikā gan spriegums, gan strāva nepārsniedz caurlaidības robežas, lai nepārslogotu vai ātri uzlādētu baterijas. Maksimāli pieļaujamo uzlādes spriegumu un uzlādes strāvu var atrast akumulatora datu lapā.

Uzlādes stāvokļa (SOC) noteikšana: Jūs varat domāt par SOC kā EV degvielas rādītāju. Tas faktiski mums norāda iepakojuma akumulatora jaudu procentos. Tāpat kā tas, kas ir mūsu mobilajā tālrunī. Bet tas nav tik vienkārši, kā izklausās. Vienmēr jāuzrauga iepakojuma spriegums un uzlādes / izlādes strāva, lai prognozētu akumulatora jaudu. Kad spriegums un strāva ir izmērīti, ir daudz algoritmu, kurus var izmantot, lai aprēķinātu akumulatora SOC. Visbiežāk izmantotā metode ir kulonu skaitīšanas metode; mēs par to vairāk apspriedīsim vēlāk rakstā. Par vērtību mērīšanu un SOC aprēķināšanu atbild arī BMS.

Veselības stāvokļa (SOC) noteikšana: akumulatora jauda ir atkarīga ne tikai no tā sprieguma un strāvas profila, bet arī no vecuma un darba temperatūras. SOH mērījums stāsta par akumulatora vecumu un paredzamo dzīves ciklu, pamatojoties uz tā lietošanas vēsturi. Tādā veidā mēs varam uzzināt, cik daudz samazinās EV nobraukums (nobrauktais attālums pēc pilnas uzlādes), akumulatoram novecojot, kā arī mēs varam zināt, kad akumulators jāaizstāj. SOH arī jāaprēķina un jāseko BMS.

Šūnu līdzsvarošana: Vēl viena svarīga BMS funkcija ir saglabāt šūnu līdzsvarošanu. Piemēram, 4 šūnu virknē, kas savienotas virknē, visu četru šūnu spriegumam vienmēr jābūt vienādam. Ja viena šūna ir mazāka vai augstsprieguma nekā otra, tas ietekmēs visu paketi, teiksim, ja viena šūna ir 3,5 V, bet pārējās trīs ir 4 V. Lādēšanas laikā šīs trīs šūnas sasniegs 4,2 V, kamēr otra būtu tikko sasniegusi 3,7 V, līdzīgi šī kamera pirmoreiz izlādēsies līdz 3 V pirms pārējām trim. Tādā veidā šīs vienas šūnas dēļ visas pārējās šūnas iepakojumā nevar izmantot pēc iespējas vairāk, tādējādi samazinot efektivitāti.

Lai tiktu galā ar šo problēmu, BMS ir jāievieš kaut kas, ko sauc par šūnu balansēšanu. Šūnu balansēšanas paņēmieni ir daudz veidu, taču parasti tiek izmantoti aktīvā un pasīvā tipa šūnu balansēšana. Pasīvās balansēšanas ideja ir tāda, ka šūnas ar pārmērīgu spriegumu tiks piespiedu izlādes caur slodzi līdzīgu rezistoru, lai sasniegtu citu šūnu sprieguma vērtību. Aktīvajā līdzsvarošanā spēcīgākās šūnas tiks izmantotas vājāko šūnu uzlādēšanai, lai izlīdzinātu to potenciālu. Mēs vēlāk uzzināsim vairāk par šūnu līdzsvarošanu citā rakstā.

Termiskā vadība: Litija akumulatoru darbības laiks un efektivitāte lielā mērā ir atkarīga no darba temperatūras. Akumulators mēdz izpildīt ātrāk karstā klimatā, salīdzinot ar parastajām istabas temperatūru. Pievienojot tam lielas strāvas patēriņu, temperatūra vēl vairāk paaugstināsies. Tas prasa akumulatora blokā siltuma sistēmu (galvenokārt eļļu). Šai siltuma sistēmai vajadzētu būt iespējai tikai pazemināt temperatūru, bet, ja nepieciešams, tai vajadzētu arī paaugstināt temperatūru aukstā klimatā. BMS ir atbildīgs par atsevišķu elementu temperatūras mērīšanu un attiecīgi kontrolē termisko sistēmu, lai uzturētu akumulatora kopējo temperatūru.

Darbina no pašas akumulatora: vienīgais enerģijas avots, kas pieejams EV, ir pats akumulators. Tātad BMS jāprojektē tā, lai to darbinātu ar to pašu akumulatoru, kuru tam vajadzētu aizsargāt un uzturēt. Tas varētu izklausīties vienkārši, bet tas palielina BMS dizaina grūtības.

Mazāk ideāla jauda: BMS jābūt aktīvai un darbīgai pat tad, ja automašīna darbojas vai lādējas, vai ideālā režīmā. Tas padara BMS ķēdi nepārtraukti darbināmu, un tāpēc ir obligāti, ka BMS patērē daudz mazāk enerģijas, lai daudz neiztukšotu akumulatoru. Kad EV paliek nedēļām vai mēnešiem bez uzlādes, BMS un citas shēmas mēdz pašas iztukšot akumulatoru, un galu galā pirms nākamās lietošanas to nepieciešams ieslēgt vai uzlādēt. Šī problēma joprojām ir izplatīta pat populārām automašīnām, piemēram, Tesla.

Galvaniskā izolācija: BMS darbojas kā tilts starp akumulatora bloku un EV ECU. Visa BMS apkopotā informācija ir jānosūta ECU, lai tā tiktu parādīta instrumentu blokā vai vadības panelī. Tātad BMS un ECU vajadzētu nepārtraukti sazināties visvairāk, izmantojot standarta protokolu, piemēram, CAN komunikāciju vai LIN kopni. BMS konstrukcijai jāspēj nodrošināt galvanisku izolāciju starp akumulatoru bloku un ECU.

Datu reģistrēšana: BMS ir svarīgi, lai būtu liela atmiņas banka, jo tai ir jāuzglabā daudz datu. Tādas vērtības kā veselības stāvokļa SOH var aprēķināt tikai tad, ja ir zināma akumulatora uzlādes vēsture. Tātad BMS ir jāseko akumulatora uzlādes cikliem un uzlādes laikam no uzstādīšanas dienas, un pēc vajadzības šie dati jāpārtrauc. Tas arī palīdz nodrošināt pēcpārdošanas servisu vai analizēt inženieru problēmu ar EV.

Precizitāte: kad šūna tiek uzlādēta vai izlādēta, spriegums tajā pakāpeniski palielinās vai samazinās. Diemžēl litija akumulatora izlādes līknei (spriegums pret laiku) ir plakani reģioni, tāpēc sprieguma izmaiņas ir ļoti mazākas. Šīs izmaiņas ir precīzi jāmēra, lai aprēķinātu SOC vērtību vai izmantotu to šūnu balansēšanai. Labi izstrādāta BMS precizitāte varētu būt pat ± 0,2 mV, bet tai jābūt vismaz 1mV – 2mV. Parasti procesā tiek izmantots 16 bitu ADC.

Apstrādes ātrums: EV BMS ir jāveic daudz skaitļu griešanas, lai aprēķinātu SOC, SOH uc vērtību. Lai to izdarītu, ir daudz algoritmu, un daži pat izmanto mašīnmācīšanos, lai veiktu uzdevumu. Tas padara BMS par apstrādes izsalkušu ierīci. Bez tam tam ir jāmēra arī šūnu spriegums simtiem šūnu un gandrīz nekavējoties jāpamana smalkās izmaiņas.

BMS celtniecības bloki

Tirgū ir pieejami daudz un dažādi BMS veidi. Jūs varat pats to noformēt vai pat iegādāties viegli pieejamo integrēto IC. No aparatūras struktūras viedokļa ir tikai trīs BMS veidi, pamatojoties uz tā topoloģiju, tie ir centralizēti BMS, izplatīti BMS un modulāri BMS. Tomēr šo BMS funkcija ir līdzīga. Vispārīga akumulatora vadības sistēma ir parādīta zemāk.

BMS datu iegūšana

Analizēsim iepriekš minēto funkciju bloku no tā kodola. BMS galvenā funkcija ir uzraudzīt akumulatoru, kuram nepieciešams izmērīt trīs svarīgus parametrus, piemēram, spriegumu, strāvu un temperatūru no katras akumulatora šūnas. Mēs zinām, ka akumulatoru bloki tiek veidoti, savienojot daudzas šūnas virknē vai paralēlā konfigurācijā, piemēram, Tesla ir 8 256 šūnas, kurās 96 šūnas ir savienotas virknē un 86 ir savienotas paralēli, veidojot paku. Ja šūnu kopa ir savienota virknē, mums ir jāmēra spriegums katrā šūnā, bet strāva visai kopai būs vienāda, jo virknes ķēdē strāva būs vienāda. Līdzīgi, kad šūnu kopa ir savienota paralēli, mums jāmēra tikai viss spriegums, jo spriegums katrā šūnā būs vienāds, ja tas ir savienots paralēli. Zemāk redzamajā attēlā parādīts virkne šūnu, kas savienotas virknē. Jūs varat pamanīt, ka atsevišķām šūnām tiek mērīts spriegums un temperatūra, un paketes strāva tiek mērīta kopumā.

"Kā izmērīt šūnu spriegumu BMS?"

Tā kā tipiskā EV ir liels skaits savienotu šūnu, ir nedaudz grūti izmērīt akumulatora individuālo šūnu spriegumu. Bet tikai tad, ja mēs zinām atsevišķu šūnu spriegumu, mēs varam veikt šūnu līdzsvarošanu un nodrošināt šūnu aizsardzību. Šūnas sprieguma vērtības nolasīšanai tiek izmantots ADC. Bet sarežģītība ir ļoti augsta, jo akumulatori ir savienoti virknē. Tas nozīmē, ka spailes, pa kurām mēra spriegumu, katru reizi jāmaina. Ir daudz veidu, kā to izdarīt, iesaistot relejus, muxus utt. Papildus tam ir arī dažas akumulatora vadības IC, piemēram, MAX14920, ko var izmantot, lai izmērītu atsevišķu šūnu spriegumu vairākās šūnās (12-16), kas savienotas virknē.

"Kā izmērīt šūnu temperatūru BMS?"

Bez šūnas temperatūras dažreiz BMS ir jāmēra arī kopnes temperatūra un motora temperatūra, jo viss darbojas ar lielu strāvu. Visizplatītāko temperatūras mērīšanai izmantoto elementu sauc par NTC, kas nozīmē Negative temperature Co -fficient (NTC). Tas ir līdzīgs rezistoram, bet tas maina (samazina) pretestību, pamatojoties uz temperatūru ap to. Mērot spriegumu šai ierīcei un izmantojot vienkāršu omu likumu, mēs varam aprēķināt pretestību un līdz ar to arī temperatūru.

Multipleksēta analogā priekšējā daļa (AFE) šūnu sprieguma un temperatūras mērīšanai

Šūnu sprieguma mērīšana var kļūt sarežģīta, jo tam nepieciešama augsta precizitāte, un tas var arī ievadīt komutācijas trokšņus no mux, izņemot to, ka katra šūna ir savienota ar rezistoru, izmantojot slēdzi šūnu balansēšanai. Lai pārvarētu šīs problēmas, tiek izmantots AFE - analogais priekšējās daļas IC. AFE ir iebūvēts Mux, buferis un ADC modulis ar augstu precizitāti. Tas varētu viegli izmērīt spriegumu un temperatūru ar kopēju režīmu un pārsūtīt informāciju galvenajam mikrokontrollerim.

"Kā izmērīt paketes strāvu BMS?"

EV akumulatora pakete var iegūt lielu strāvas vērtību līdz pat 250A vai pat lielu, izņemot to, mums ir jāmēra arī katra iepakojuma moduļa strāva, lai pārliecinātos, ka slodze tiek vienmērīgi sadalīta. Projektējot pašreizējo sensoru, mums jānodrošina arī izolācija starp mērīšanas un sensora ierīci. Visbiežāk izmantotā metode strāvas uztveršanai ir Šunta metode un uz Halla sensoru balstītā metode. Abām metodēm ir savi plusi un mīnusi. Agrākās šuntu metodes tika uzskatītas par mazāk precīzām, taču, ņemot vērā nesen pieejamus augstas precizitātes šuntu modeļus ar izolētiem pastiprinātājiem un modulatoriem, tie ir vairāk ieteicami nekā uz halles sensoru balstīta metode.

Akumulatora stāvokļa novērtējums

BMS galvenā skaitļošanas jauda ir paredzēta akumulatora stāvokļa novērtēšanai. Tas ietver SOC un SOH mērījumus. SOC var aprēķināt, izmantojot šūnas spriegumu, strāvu, uzlādes profilu un izlādes profilu. SOH var aprēķināt, izmantojot uzlādes cikla skaitu un akumulatora veiktspēju.

"Kā izmērīt akumulatora SOC?"

Akumulatora SOC mērīšanai ir daudz algoritmu, katram no tiem ir savas ieejas vērtības. Visbiežāk izmantoto SOC metodi sauc par Kulonas skaitīšanas jeb grāmatvedības metodi. Mēs apspriedīsimies