Elemkezelő rendszer (bms) elektromos járművekhez

2013. január 7- ^én egy Boeing 787-es járatot parkoltak karbantartás céljából, amelynek során egy szerelő lángot és füstöt vett észre a járat kiegészítő tápegységéből (lítium akkumulátor-csomag), amelyet az elektronikus repülési rendszerek áramellátására használnak. Erőfeszítéseket tettek arról, hogy azoknak a tűz ki, de 10 nappal később, mielőtt ezt a kérdést meg lehet oldani, 16 ^-én január másik akkumulátor hiba történt egy 787 által üzemeltetett járat All Nippon Airways, ami miatt kényszerleszállást a japán repülőtéren. Ez a két gyakori katasztrofális akkumulátorhiba miatt a Boeing 787 Dreamliners járata a végtelenségig megalapozott volt, ami rontotta a gyártó hírnevét, ami óriási pénzügyi veszteségeket okozott.

Az Egyesült Államok és a japánok közös vizsgálata után a B-787-es lítium akkumulátorcsomagot CT-vizsgálatnak vetették alá, és kiderült, hogy a nyolc Li-ion cella egyike megrongálódott, rövidzárlatot okozva, amely tűzzel szökevényt váltott ki. Ezt az esetet könnyen el lehetett volna kerülni, ha a Li-ion akkumulátor akkumulátor-kezelő rendszerét a rövidzárlatok észlelésére / megelőzésére tervezték. Bizonyos tervmódosítások és biztonsági előírások után a B-787 ismét repülni kezdett, de az eset továbbra is bizonyíték marad annak bizonyítására, hogy mennyire veszélyesek lehetnek a lítium akkumulátorok, ha nem kezelik megfelelően.

Gyors előretekerés 15 évvel ezelőtt, ma már elektromos autóink vannak, ugyanazokat a lítium-ion akkumulátorokat használva, amelyeket száz, ha nem ezer darabban csomagolunk össze. Ezek a nagy, kb. 300 V feszültségű akkumulátorok az autóban ülnek, és működés közben akár 300A (durva adatok) áramot is szolgáltatnak. Bármely itt történt baleset nagy katasztrófába kerülhet, ezért az akkumulátor-kezelő rendszer mindig feszültség alatt áll az EV-kben. Tehát ebben a cikkben többet megtudunk erről az akkumulátor-kezelő rendszerről (BMS), és lebontjuk, hogy megértsük annak felépítését és funkcióit, hogy sokkal jobban megértsük. Mivel az akkumulátorok és a BMS szorosan kapcsolódnak egymáshoz, nagyon ajánlatos áttekinteni az elektromos járművekről és az EV akkumulátorairól szóló korábbi cikkeket.

Miért van szükség elemkezelő rendszerre (BMS)?

A lítium-ion akkumulátorok nagy töltéssűrűség és alacsony súly miatt az elektromos járműgyártók számára érdekes elemnek bizonyultak. Annak ellenére, hogy ezek az elemek méretüknél fogva sok lyukacsban vannak csomagolva, nagyon instabil természetűek. Nagyon fontos, hogy ezeket az akkumulátorokat soha ne töltsék túl vagy lemerüljenek olyan körülmények között, amelyek szükségessé teszik az akkumulátor feszültségének és áramerősségének ellenőrzését. Ez a folyamat kissé megnehezül, mivel sok cellát állítanak össze az akkumulátor kialakításához EV-ben, és minden cellát külön kell ellenőrizni annak biztonságossága és hatékony működése érdekében, amelyhez speciális dedikált rendszerre van szükség, az úgynevezett Battery Management System-re.. Az akkumulátor maximális hatékonyságának elérése érdekében az összes cellát egyszerre kell teljesen feltölteni és kisütnünk ugyanazon a feszültségen, amely ismét BMS-t igényel. Ezen kívül a BMS felelősséggel tartozik számos más funkcióért, amelyeket az alábbiakban tárgyalunk.

Az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) tervezési szempontjai

Nagyon sok tényezőt kell figyelembe venni a BMS tervezése során. A teljes szempontok attól függenek, hogy pontosan melyik alkalmazásban alkalmazzák a BMS-t. Az EV-n kívül a BMS-t akkor is használják, ahol lítium akkumulátor van, például napelemes tömb, szélmalmok, erőfalak stb.

Kibocsátásszabályozás: A BMS elsődleges feladata a lítiumsejtek biztonságos működési tartományban tartása. Például egy tipikus Lítium 18650 cellának 3 V körüli feszültsége van. A BMS feladata annak biztosítása, hogy a csomag egyik cellája sem ürüljön 3 V alatt.

Töltésellenőrzés: A lemerülés mellett a töltési folyamatot a BMS-nek is ellenőriznie kell. A legtöbb akkumulátor hajlamos megrongálódni, vagy nem megfelelő töltés esetén csökken az élettartama. Lítium akkumulátortöltőhöz kétfokozatú töltőt használnak. Az első szakaszt állandó áramnak (CC) nevezzük, amelynek során a töltő állandó áramot bocsát ki az akkumulátor feltöltésére. Amikor az akkumulátor majdnem megtelik, akkor az állandó feszültség (CV) második szakaszaszakasz használatos, amelynek során állandó feszültséget táplálnak az akkumulátorba nagyon alacsony áram mellett. A BMS-nek meg kell győződnie arról, hogy a töltés során a feszültség és az áram sem haladja-e meg az áteresztő határokat, hogy ne töltse túl vagy gyorsan töltse fel az elemeket. A maximálisan megengedett töltési feszültség és töltési áram az akkumulátor adatlapján található.

Töltöttségi állapot (SOC) meghatározása: A SOC-t az EV üzemanyag-mutatójának tekintheti. Ez valójában százalékban mondja meg a csomag akkumulátorának kapacitását. Akárcsak a mobiltelefonunkban. De ez nem olyan egyszerű, mint amilyennek hangzik. A csomag feszültségét és töltési / kisütési áramát mindig ellenőrizni kell az akkumulátor kapacitásának előrejelzése érdekében. A feszültség és az áram megmérése után sok algoritmus használható az akkumulátor SOC kiszámításához. A leggyakrabban használt módszer a coulomb számlálási módszer; erről a cikk későbbi részében többet fogunk tárgyalni. Az értékek mérése és az SOC kiszámítása szintén a BMS feladata.

Egészségügyi állapot (SOC) meghatározása: Az akkumulátor kapacitása nemcsak a feszültségtől és az áramprofiltól függ, hanem az életkorától és az üzemi hőmérséklettől is. Az SOH mérés az akkumulátor életkoráról és várható életciklusáról árulkodik a felhasználási előzmények alapján. Így megtudhatjuk, hogy az akkumulátor öregedésével mennyire csökken az EV futásteljesítménye (teljes feltöltés után megtett távolság), és azt is, hogy mikor kell cserélni az akkumulátort. A SOH-t szintén ki kell számolnia és nyomon kell tartania a BMS-nek.

Sejtkiegyensúlyozás: A BMS másik létfontosságú funkciója a sejtek egyensúlyának fenntartása. Például egy sorba kapcsolt 4 cellás csomagban mind a négy cella feszültségének mindig egyenlőnek kell lennie. Ha az egyik cella kisebb vagy magas feszültségű, mint a másik, akkor az hatással lesz az egész csomagra, mondjuk, ha az egyik cella 3,5 V, míg a másik három 4 V feszültségű. Töltés közben ez a három cella eléri a 4,2 V-ot, míg a másik éppen elérte a 3,7 V-ot, hasonlóan ez a cella lesz az első, amely 3 V-ra kisüt a másik három előtt. Ilyen módon az egyetlen cella miatt a csomagban lévő összes többi cellát nem lehet maximálisan kihasználni, ezzel veszélyeztetve a hatékonyságot.

Ennek a problémának a kezeléséhez a BMS-nek végre kell hajtania egy úgynevezett sejtkiegyensúlyozást. A sejtek kiegyensúlyozásának sokféle típusa létezik, de az általánosan alkalmazott módszer az aktív és a passzív típusú sejtek kiegyensúlyozása. A passzív kiegyensúlyozásban az az elképzelés, hogy a túlfeszültségű cellákat egy terhelésszerű ellenálláson keresztül kényszerülnek kisütni, hogy elérjék a többi cella feszültségértékét. Míg az aktív egyensúlyozás során az erősebb sejteket fogják használni a gyengébb sejtek feltöltésére potenciáljuk kiegyenlítése érdekében. A sejtek kiegyensúlyozásáról később, egy másik cikkben fogunk többet megtudni.

Hőszabályozás: A lítium akkumulátor élettartama és hatékonysága nagymértékben függ az üzemi hőmérséklettől. Az akkumulátor hajlamos gyorsabban lemerülni forró éghajlaton a normál szobahőmérséklethez képest. Ehhez hozzáadva a nagy áramfogyasztás tovább növelné a hőmérsékletet. Ehhez termikus rendszerre (főleg olajra) van szükség az akkumulátorban. Ennek a termikus rendszernek csak a hőmérséklet csökkentésére kell képesnek lennie, de szükség esetén a hideg éghajlaton is növelnie kell a hőmérsékletet. A BMS felelős az egyes cellák hőmérsékletének méréséért, és ennek megfelelően szabályozza a termikus rendszert az akkumulátor teljes hőmérsékletének fenntartása érdekében.

Magáról az akkumulátorról táplálva: Az EV-ben egyetlen akkumulátor áll rendelkezésre, maga az akkumulátor. Tehát a BMS-t úgy kell megtervezni, hogy ugyanazon akkumulátor működtesse, amelyet védeni és karbantartani kellene. Ez egyszerűnek tűnhet, de növeli a BMS tervezésének nehézségeit.

Kevesebb ideális teljesítmény: A BMS-nek akkor is aktívnak és futónak kell lennie, ha az autó jár vagy éppen tölt, vagy ideális üzemmódban van. Ez teszi a BMS áramkört folyamatosan táplálttá, ezért kötelező, hogy a BMS sokkal kevesebb energiát használjon fel, hogy ne merítse le nagyon az akkumulátort. Ha egy EV-t hetekig vagy hónapokig töltetlenül hagynak, a BMS és más áramkörök általában önmagukban lemerítik az akkumulátort, és végül a következő használat előtt be kell forgatniuk vagy fel kell tölteniük. Ez a probléma még mindig népszerű az olyan népszerű autóknál, mint a Tesla.

Galvanikus szigetelés: A BMS hídként működik az akkumulátor és az EV ECU között. A BMS által összegyűjtött összes információt el kell küldeni az ECU-nak, hogy megjelenjen a műszerfalon vagy a műszerfalon. Tehát a BMS-nek és az ECU-nak folyamatosan kommunikálnia kell a legtöbbet a szokásos protokollon keresztül, mint például a CAN kommunikáció vagy a LIN busz. A BMS kialakításának képesnek kell lennie arra, hogy galvánikus szigetelést biztosítson az akkumulátor és az ECU között.

Adatnaplózás: Fontos, hogy a BMS nagy memóriabankkal rendelkezzen, mivel rengeteg adatot kell tárolnia. Az olyan állapotok, mint a Sate-of-health SOH, csak akkor számíthatók ki, ha ismeretes az akkumulátor töltési előzményei. Tehát a BMS-nek nyomon kell követnie az akkumulátor töltési ciklusait és töltési idejét a telepítés dátumától kezdve, és szükség esetén meg kell szakítania ezeket az adatokat. Ez szintén segítséget nyújt az értékesítés utáni szolgáltatás nyújtásában vagy a mérnökök számára az EV-vel kapcsolatos probléma elemzésében.

Pontosság: Amikor egy cellát töltenek vagy lemerítenek, a feszültség fokozatosan növekszik vagy csökken. Sajnos a lítium akkumulátor kisülési görbéjének (feszültség és idő) sík régiói vannak, ezért a feszültségváltozás nagyon kicsi. Ezt a változást pontosan meg kell mérni az SOC értékének kiszámításához vagy a sejtek kiegyensúlyozásához való felhasználáshoz. Egy jól megtervezett BMS pontossága akár ± 0,2 mV is lehet, de legalább 1mV-2mV pontosságúnak kell lennie. Normál esetben egy 16 bites ADC-t használnak a folyamat során.

Feldolgozási sebesség: Az EV BMS-nek sok számgörgetést kell elvégeznie az SOC, SOH stb. Értékének kiszámításához. Ehhez sok algoritmus létezik, és egyesek még a gépi tanulást is használják a feladat elvégzéséhez. Ezáltal a BMS feldolgozásra éhes eszközzé válik. Ettől eltekintve a cellák feszültségét is meg kell mérnie több száz cellán, és szinte azonnal észre kell vennie a finom változásokat.

A BMS építőelemei

A piacon sokféle BMS-típus érhető el, megtervezheti önállóan, vagy akár megvásárolhatja a könnyen elérhető integrált IC-t. Hardverszerkezeti szempontból csak három típusú BMS létezik topológiája alapján: ezek centralizált BMS, elosztott BMS és moduláris BMS. Ezeknek a BMS-nek a funkciója azonban hasonló. Az alábbiakban egy általános akkumulátorkezelő rendszert mutatunk be.

BMS adatgyűjtés

Elemezzük a fenti funkcióblokkot a magjától. A BMS elsődleges feladata az akkumulátor figyelése, amelyhez három létfontosságú paramétert kell mérnie, mint például az akkumulátor minden cellájának feszültségét, áramát és hőmérsékletét. Tudjuk, hogy az akkumulátorokat úgy alakítják ki, hogy sok cellát soros vagy párhuzamos konfigurációban kapcsolnak össze, például a Teslának 8 256 cellája van, amelyekben 96 cella van sorba kötve, és 86 cella párhuzamosan van összekapcsolva egy csomag kialakításával. Ha egy sor cellát sorosan kötnek össze, akkor meg kell mérnünk az egyes cellák feszültségét, de az egész készlet áramának ugyanaz lesz, mivel az áram azonos lesz egy soros áramkörben. Hasonlóképpen, amikor egy cellakészlet párhuzamosan van csatlakoztatva, akkor csak a teljes feszültséget kell mérnünk, mivel az egyes cellák közötti feszültség azonos lesz, ha párhuzamosan csatlakozunk. Az alábbi kép sorozatosan összekapcsolt cellák sorozatát mutatja, észreveheti az egyes celláknál mért feszültséget és hőmérsékletet, és a csomagáram egészét méri.

"Hogyan mérhető a sejt feszültsége a BMS-ben?"

Mivel egy tipikus EV-ben nagyszámú cella van összekapcsolva, kissé kihívást jelent az akkumulátor egyedi cellafeszültségének mérése. De csak akkor tudjuk elvégezni a sejtek kiegyensúlyozását és a sejtek védelmét, ha ismerjük az egyes cellák feszültségét. Egy cella feszültségértékének leolvasásához ADC-t használunk. De a bonyolultság igen nagy, mivel az elemeket sorba kötik. Ez azt jelenti, hogy a kapcsokat, amelyeken keresztül a feszültséget mérik, minden alkalommal meg kell változtatni. Ennek sokféle módja lehet, beleértve a reléket, muxokat stb. Ezen kívül van még néhány akkumulátor-kezelő IC is, például a MAX14920, amellyel több, egymás után kapcsolt cella (12-16) egyedi cellafeszültségeit lehet mérni.

"Hogyan mérhető a sejtek hőmérséklete a BMS-hez?"

A cellahőmérsékleten kívül néha a BMS-nek is meg kell mérnie a busz hőmérsékletét és a motor hőmérsékletét, mivel minden nagy áram mellett működik. A hőmérséklet mérésére leggyakrabban használt elemet NTC-nek nevezzük, amely negatív hőmérsékleti együttható (NTC). Hasonló egy ellenálláshoz, de az ellenállását a körülötte lévő hőmérséklet alapján megváltoztatja (csökkenti). A készülék feszültségének mérésével és egy egyszerű ohmos törvény alkalmazásával kiszámíthatjuk az ellenállást és ezáltal a hőmérsékletet.

Multiplexelt analóg elülső rész (AFE) a cellák feszültségének és hőmérsékletének méréséhez

A cellafeszültség mérése bonyolulttá válhat, mivel nagy pontosságot igényel, és a mux kapcsolási zajait is befecskendezheti, ettől eltekintve minden cella egy ellenálláshoz van kapcsolva egy kapcsolóval a cella kiegyensúlyozásához. E problémák kiküszöbölésére AFE - analóg elülső IC-t használnak. Az AFE beépített Mux, puffer és ADC modullal rendelkezik, nagy pontossággal. Könnyen meg tudta mérni a feszültséget és a hőmérsékletet közös üzemmódban, és az információkat át tudta adni a fő mikrovezérlőre.

"Hogyan mérhető a BMS csomagárama?"

Az EV akkumulátorcsomag nagy áramot eredményez akár 250A-ig, vagy akár magasig, ettől eltekintve a csomagban lévő összes modul áramát is meg kell mérnünk, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a terhelés egyenletesen oszlik el. Az áramérzékelő elem megtervezése során el kell különítenünk a mérő és az érzékelő készüléket is. Az áram érzékelésére a leggyakrabban alkalmazott módszer a Shunt és a Hall-szenzor alapú módszer. Mindkét módszernek megvannak az előnyei és hátrányai. A korábbi shunt módszereket kevésbé tartották pontosnak, de mivel a közelmúltban elérhetőek voltak az izolált erősítőkkel és modulátorokkal ellátott nagy pontosságú söntök, ezek előnyösebbek, mint a Hall-szenzor alapú módszerek.

Az akkumulátor állapotának becslése

A BMS fő számítási teljesítménye az akkumulátor állapotának becslésére szolgál. Ez magában foglalja a SOC és SOH mérését. Az SOC a cellafeszültség, áram, töltési profil és kisütési profil segítségével számítható. A SOH kiszámítható az akkumulátor töltési ciklusának és teljesítményének felhasználásával.

"Hogyan mérhető az akkumulátor SOC-értéke?"

Számos algoritmus létezik az akkumulátor SOC mérésére, mindegyiknek megvan a saját bemeneti értéke. A SOC-hoz leggyakrabban használt módszert Coulomb Counting néven könyvkezelési módszernek hívják. Majd megbeszéljük