Abstraktus
Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama elektrinių transporto priemonių akumuliatorių valdymo sistemų (BMS) techninės įrangos aspektams ir fiksuotoms programoms. Tikslas yra apibūdinti esamų pažangių sistemų koncepcijas, kad skaitytojai suprastų veiksnius, į kuriuos reikia atsižvelgti kuriant BMS konkrečioms programoms. Trumpai išanalizavus bendruosius reikalavimus, buvo ištirtos kelios galimos baterijų blokų topologinės struktūros ir jų įtaka BMS sudėtingumui. Kaip paaiškinimo pavyzdį paimkime keturis akumuliatorių paketus, atrinktus iš parduodamų elektrinių transporto priemonių. Vėliau buvo aptarti reikalingų fizikinių kintamųjų (įtampos, srovės, temperatūros ir kt.) matavimo įgyvendinimo aspektai, balansavimo klausimai ir strategijos. Galiausiai buvo aptarti saugos ir patikimumo aspektai.
1. Įvadas
Akumuliatoriaus valdymo sistemų (BMS) sudėtingumas priklauso nuo programos. Vieną bateriją, tokią pat paprastą kaip mobilusis telefonas ar elektroninių knygų skaitytuvas, galima išmatuoti naudojant paprastą „baterijos matuoklio“ IC, kuris gali išmatuoti įtampą, temperatūrą ir srovę bei įvertinti įkrovos būseną (SOC). Sudėtingos kaip elektrinės transporto priemonės, BMS turi atlikti sudėtingesnes užduotis. Be pagrindinių parametrų, tokių kaip akumuliatoriaus įtampa, temperatūra ir srovė, matavimo, taip pat reikalingi pažangūs algoritmai turimai energijai nustatyti kreiserinio nuotolio apskaičiavimui.
Šiame darbe pagrindinis dėmesys skiriamas ličio jonų baterijų valdymo sistemų techninės įrangos aspektui. 2 dalyje pateikiami BMS techninės įrangos reikalavimai, įskaitant matavimo vertes, elektromagnetinius trukdžius, elektros izoliaciją, kontaktorius ir dubliavimą. 3 skyriuje pateikiama BMS topologijos apžvalga, paaiškinami skirtumai tarp paprastų ir sudėtingų programų ir pateikiamas elektromobilio akumuliatoriaus paketo pavyzdys. 4 skirsnyje paaiškinama, kaip įvykdyti fizinės vertės matavimo reikalavimus ir įprastus spąstus. 5 skyriuje aptariamas balansas, pristatomi ir palyginami mokesčių balansavimo metodai. 6 skyriuje pagrindinis dėmesys skiriamas saugai ir patikimumui, įskaitant riziką ir atsakomąsias priemones, susijusias su aukštos įtampos akumuliatorių blokų eksploatavimu, ir trumpai pristatomi izoliacijos matavimo metodai ir susiję standartai.
2. Akumuliatoriaus valdymo sistemos (BMS) projektavimo reikalavimai
BMS projektavimas yra sudėtinga užduotis, dėl kurios reikia atsižvelgti į konkrečius programos reikalavimus, sistemos aplinką ir naudojamų baterijų charakteristikas, iš kurių galima nustatyti daugybę sistemos reikalavimų. Paprastai kalbant, dažniausiai svarbūs šie BMS komponentai ir funkciniai reikalavimai:
Temperatūros rinkimas
Jutiklio pasirinkimas ir išdėstymas:Projektuojant BMS sunku tiksliai surinkti temperatūrą, todėl reikia atsižvelgti į jutiklio tipą (skaitmeninį ar analoginį) ir vietą, kurioje bus matuojama akumuliatoriaus temperatūra, kuri lemia akumuliatoriaus temperatūros jutiklių skaičių. Kartais reikia surinkti kontaktorių, saugiklių ar šynų temperatūrą. Paprastai tarp temperatūros jutiklių ir įtampos jutiklių yra tam tikra kanalų dalis.
Temperatūros reikalavimai skirtingiems taikymo scenarijams:Temperatūros reikalavimai turi atsižvelgti į tris situacijas: įkrovimą, iškrovimą ir saugojimą, taip pat atkreipiant dėmesį į šiluminę laiko konstantą. Ličio jonų baterijos negali tinkamai veikti už tam tikro temperatūros diapazono ribų, o esant dideliam srovės greičiui normalioje temperatūros diapazone gali atsirasti ličio dengimas. Todėl būtina tiksliai rinkti temperatūrą, įtampą ir srovę. Akumuliatorių šiluminę talpą ir šilumos laidumą įtakoja tokie veiksniai kaip baterijos struktūra, o netinkamas temperatūros jutiklių išdėstymas gali sukelti klaidingą skaitymą ir šilumines akląsias zonas.
Įtampos gavimas
Įsigijimo kanalas ir tikslumas:Klasikinei BMS, pagrįsta ličio jonų akumuliatoriais, kiekvienam serijiniu būdu prijungtam akumuliatoriui reikalingas bent vienas įtampos gavimo kanalas, o kai kurios automobilių programos taip pat turi antrinę apsaugą (pasiekiama naudojant programuojamą langų lyginamąjį įrenginį). Įtampos gavimo duomenų konvertavimo greitis skiriasi priklausomai nuo programos, o dažniausiai naudojami BMS priekiniai lustai turi tam tikrą įtampos tikslumą ir skiriamąją gebą.
Poveikis SOC įvertinimui:Atsižvelgiant į NMC ir LFP baterijas kaip pavyzdžius, parodyta, kad įtampos matavimo tikslumas turi didelę įtaką SOC įvertinimui. Kuo didesnis tikslumas, tuo tikslesnis SOC įvertinimas, todėl SOC nustatyti gali nepakakti naudoti tik įtampos duomenis.
1 pav. SOC neapibrėžties palyginimas priklauso nuo ± 1 mV įtampos tikslumo.
Dabartinė kolekcija
Surinkimo būdas ir jutiklio charakteristikos:SOC galima nustatyti ne tik matuojant atviros grandinės įtampą (OCV), bet ir taikant Kulono skaičiavimo metodą (matuojant srovę ir integruojant). Tačiau dabartinių jutiklių charakteristikos nėra idealios, pvz., dreifo, poslinkio ir temperatūros paklaidos, todėl gali tekti vienu metu atitikti skirtingus matavimo diapazono reikalavimus ir turėti tam tikrą pralaidumą.
Praktikoje pasikliauti vien Kulono skaičiavimu SOC nustatyti yra netikslu, ypač esant silpnai srovei. Norint išspręsti šią problemą, dabartiniams duomenims apdoroti galima derinti algoritmus ir parametrizuotus modelius, tačiau tai nepatenka į šio straipsnio taikymo sritį.
Reikalavimai bendravimui
Ryšys sistemoje:BMS turi palaikyti ryšį su visa sistema (pvz., galios elektronika, energijos valdymu ar transporto priemonės valdymo blokais), atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip ryšio režimas, greitis, tvirtumas ir patikimumas. Pavyzdžiui, transporto priemonėse gali prireikti CAN sąsajų sistemos ryšiui palaikyti, o skirtingos programos jau gali nustatyti ryšio reikalavimus sistemos lygiu, prie kurių BMS turi prisitaikyti.
Komunikacija tarp modulių:Modulinėms sistemoms būtina apibrėžti ryšio tarp pagrindinio ir pavaldinio modulių metodą, kuris yra panašus į pagrindinius tarpsisteminio ryšio reikalavimus. Konkrečių pavyzdžių galima rasti tolesniuose skyriuose.
Apsauga nuo elektromagnetinių trukdžių (EMI).
EMI poveikis jutikliams:EMI gali paveikti jutiklių duomenų rinkimą, o visi jutikliai yra jautrūs jo įtakai, todėl duomenys gali būti šiek tiek iškraipyti arba visiškai nenaudoti.
Priemonės, skirtos sumažinti EMI poveikį:Kad poveikis būtų kuo mažesnis, varikliai, galios elektroniniai komponentai ir kitos apkrovos turi būti geros EMI konstrukcijos ir gali būti naudojami atitinkami EMI filtravimo įtaisai, pvz., bendrojo režimo droseliai ir blokuojantys kondensatoriai, sumontuoti šalia jutiklio matavimo kelio.
Reikalavimai, susiję su kontaktoriais
Kontaktorių funkcijos ir reikalavimai:Daugeliui akumuliatorių blokų reikia turėti galimybę elektra atjungti bent vieną elektrodą, tam reikia tinkamo kontaktoriaus. Dėl ypatingo nuolatinės srovės nutraukimo ir lanko gesinimo pobūdžio kontaktoriai turi turėti magnetinio lanko gesinimo įtaisus ir turėtų vengti kontaktinio suvirinimo.
Eksploatacijos saugos priemonės:Siekiant užtikrinti saugumą, kontaktoriaus jungiklio veikimo metu reikalinga speciali grandinė (pvz., išankstinio įkrovimo blokas, susidedantis iš nuosekliai sujungto kontaktoriaus ir rezistoriaus), kad būtų užtikrinta, jog tarp dviejų galų nėra potencialų skirtumo ir išvengta pavojingų situacijų.
Atleidimo iš darbo reikalavimai
Atleidimo vaidmuo sistemos patikimumui:Remiantis ISO 26262 standartu, perteklius gali pagerinti sistemos patikimumą. Akumuliatoriaus įtampa paprastai stebima pertekliškai iki tam tikro laipsnio, naudojant du metodus: tikslią pagrindinio lusto matavimą ir pagalbinio lusto teikiamą dvejetainę informaciją.
Aukštesnio lygio atleidimo koncepcija:Atleidimo sąvokos taip pat egzistuoja aukštesnio lygio apdorojime, pvz., užrakto žingsniavimas, atminties klaidų taisymas ir savitikros mechanizmai specialiuose CPU.
Elektros izoliacijos reikalavimai
Akumuliatoriaus izoliacija:Baterijų paketas paprastai skirstomas į aukštos ir žemos įtampos dalis, kurioms reikalinga elektros izoliacija ir kurią galima pasiekti optiniais, indukciniais arba talpiniais metodais.
Šilumos jutiklio izoliacija:Visi šilumos jutikliai taip pat turi būti elektra izoliuoti, kad būtų išvengta aukštos įtampos gedimų, turinčių įtakos žemos įtampos dalims, panašiai kaip elektros paskirstymo IT tinklo išdėstymo koncepcija.
Balanso reikalavimai
Įkrovos disbalanso poveikis:Gali būti įkrovimo disbalansas tarp nuosekliai prijungtų baterijų, o tai gali turėti įtakos sistemos veikimui ir patikimumui, todėl paprastai reikalaujama, kad jis būtų žemas.
Specialūs taikymo aspektai:Skirtingoms programoms gali būti taikomi specialūs aspektai, pvz., svorio apribojimai arba įkrovimo srovės reikalavimai, dėl kurių gali susidaryti balansinė srovė. 5 skirsnyje toliau bus pristatyta balansavimo būtinybė ir įgyvendinimo būdai.
Kiti reikalavimai
Su programa susiję reikalavimai:Programai taip pat gali būti taikomi kai kurie kiti reikalavimai, pvz., vietos, sąnaudų, aparatūros mechaninio stiprumo, svorio ir energijos suvartojimo, kurie šiame straipsnyje nėra skirti, tačiau į juos reikia atsižvelgti.
3. BMS topologijos struktūra
Akumuliatoriaus sistemos struktūros apžvalga:Siekiant atitikti elektrines sistemos specifikacijas, baterijas dažnai reikia sujungti į baterijų blokus su keliomis jungties topologijomis. Serijiniu ryšiu galima pasiekti tam tikrą įtampos diapazoną ir sumažinti srovę; Lygiagretus ryšys gali padidinti pajėgumą. Praktikoje yra įvairių variantų, pavyzdžiui, lygiagretus mažos talpos akumuliatorių prijungimas prie modulių ir nuoseklus prijungimas arba tiesioginis didelės talpos akumuliatorių naudojimas nuosekliai. Skirtingos topologijos turi skirtingą poveikį BMS sudėtingumui, pvz., padidėjusios stebėjimo ir balansavimo išlaidos, kai lygiagrečiai prijungiami keli serijiniai akumuliatoriai.
2 pav. Įvairių baterijų blokų topologijų schema: (a) vieno elemento; b) lygiagretus dviejų baterijų prijungimas; c) nuoseklus trijų baterijų prijungimas; d) lygiagretus dviejų serijų ir trijų serijų akumuliatorių prijungimas; e) nuoseklus trijų modulių, sudarytų iš dviejų lygiagrečių baterijų, jungtis.
1 lentelė. Topologinių variantų charakteristikos parodytos 2 pav.
Pateikite pavyzdį, iliustruojantį akumuliatoriaus prijungimo būdą ir įtampos matavimo kanalų reikalavimus: pavyzdžiui, m serijos prijungtų baterijų ir n lygiagrečiai prijungtų baterijų deriniui reikalingas skirtingas įtampos matavimo kanalų skaičius skirtingiems prijungimo būdams.
Specialaus atvejo aptarimas:Kai kuriose specialiose programose (pvz., Europos kosmoso agentūros Marso zonde ir Rosetta zonde) vienos ląstelės stebėjimas ir balansavimas gali būti neatliekamas dėl tokių veiksnių kaip dydis, svoris ir energijos suvartojimas. Nors kai kurios nuomonės rodo, kad kruopščiai atrenkant baterijas iš tos pačios partijos gali nebūti stebėjimo, tyrimai parodė, kad net ir tos pačios partijos baterijos gali skirtingai senti, o stebėjimo praleidimas gali kelti pavojų. Tačiau mažoms sistemoms ir akumuliatoriaus įtampai tam tikrame diapazone stebėjimo praleidimo poveikis gali būti palyginti mažas.
Susijęs su integriniu grandynu (IC).
IC su pagrindine stebėjimo funkcija:Kad pasiektų pagrindinę saugaus akumuliatoriaus veikimo stebėjimo funkciją, puslaidininkių gamintojai siūlo įvairias specifines integrines grandines (ASIC). Mažiems elektroniniams prietaisams su pavieniais elementais yra „kuro matuoklio“ IC, kuris gali stebėti įtampą, srovę ir temperatūrą, įvertinti SOC, taip pat gali apimti tokias funkcijas kaip įkrovimo reguliatoriai. Pavyzdžiui, TI „bq27220“ ir su Maximu susiję IC.
IC didelės galios ir energijos poreikio sistemoms
Modularizacija ir funkcijų paskirstymas:Naudojant programas, kurioms reikia daug galios ir (arba) energijos, akumuliatorių bloką sudaro kelios baterijos, o atitinkama IC gali vienu metu stebėti kelias baterijas ir užtikrinti balansavimo funkciją. Sistemoje yra centrinis modulis (BMS Master), atsakingas už sudėtingas funkcijas, tokias kaip SOC įvertinimas ir galios prognozavimo algoritmai; Priekinis IC modulis (BMS Slaves) yra atsakingas už pagrindines funkcijas, tokias kaip signalo gavimas ir filtravimas.
3 pav. Tipinė elektrinių transporto priemonių BMS struktūra.
Įvairūs IC pavyzdžiai ir balansavimo metodai:Pavyzdžiui, TI bq76PL536A, MAX11068 ir LT6802G-2 užtikrina pasyvų balansavimą, o AMS AS8506C gali būti naudojamas pasyviojo balansavimo topologijai ir taip pat suteikia aktyvaus balansavimo galimybę. Kai kurie IC turi tolesnius produktus, o siekiant pagerinti įtampos stebėjimo patikimumą, galima naudoti antrinės apsaugos IC. Nors visiškai perteklinė BMS gali pagerinti patikimumą, kaina yra didelė.
Ryšys ir duomenų perdavimas
Priekinės dalies IC prijungimo būdas:Priekinės dalies IC paprastai gali būti prijungtos per grandinę, o skirtingi IC turi skirtingus sąsajos būdus. MAX11068 yra prijungtas per I2C prievadą, TI bq76PL536A suteikia kelias sąsajas, o LT6802G-2 yra prijungtas per SPI magistralę (reikalingas papildomas skaitmeninis izoliatorius).
Sistemos ryšio būdas:Sistemoje pigūs mikrovaldikliai paprastai naudojami IC prijungti toje pačioje PCB, o kitų PCB moduliai ir BMS pagrindiniai moduliai jungiami per lauko magistralę (pvz., CAN).
Tikras atvejis
Mitsubishi i-MiEV:Baterija susideda iš kelių modulių, sujungtų varžtais, su 88 prizminėmis baterijomis. Modulio PCB yra stebėjimo IC ir temperatūros jutikliai, o akumuliatoriaus korpuse yra keli komponentai. Pagrindinis BMS modulis yra po galinėmis transporto priemonės sėdynėmis ir palaiko ryšį per vidinę CAN magistralę. Palyginti su kitomis baterijomis, jo vidinė erdvė yra erdvesnė, o tai gali būti šalutinis oro aušinimo poveikis.
4 pav. a) „Mitsubishi i-MiEV“ akumuliatorius; b) „Volkswagen e-Up“ akumuliatorių paketas; c) „Smart fortwo“ elektrinės pavaros akumuliatorių paketas. Pastaba: mastelio keitimo metodai yra skirtingi.
5 pav. a) Tesla Model S akumuliatoriaus modulio vaizdas iš viršaus; b) „Volkswagen e-Up“ akumuliatoriaus modulis, 6s2p modulis, vaizdas iš viršaus.
Smart Fortwo Electric Edition:Baterija susideda iš 90 serijos prijungtų maišelių baterijų su aušinimo sistema, o pagrindines stebėjimo užduotis atlieka TI IC, panašiai kaip bq76PL536A. Kiekvienoje PCB yra keli stebėjimo IC ir mikrovaldikliai, o pagrindinis BMS modulis yra akumuliatoriaus korpuso viduje, su aukšta integracija ir keliais kabeliais.
Volkswagen e-Up:Baterijoje yra keli serijiniai moduliai, nėra aušinimo sistemos ar aptarnavimo atjungimo įrenginio, centralizuotas BMS modulis, prijungtas prie akumuliatoriaus ir matavimo IC (MAX11068) per daugybę įtampos matavimo linijų, su daugybe subalansuotų rezistorių ir mikrovaldikliu be konvertavimo. signalus.
Tesla Model S:Baterija sudaryta iš daugybės 18650 baterijų, suskirstytų į kelis modulius, sujungtų jungiamaisiais laidais. BMS yra stebimas naudojant TI bq76PL536A-Q1, o įtampa matuojama suvirinimo laidais. Palyginti su kitais akumuliatoriais, jo integravimo lygis skiriasi, pvz., žemas „Volkswagen e-Up“ integravimo lygis ir aukštas „Smart Fortwo“ integravimo lygis.
4. ŠV baterijų sistemos matavimo technologijos apžvalga
Matavimo technologijos svarba:Matavimo technologija yra pagrindinė baterijų valdymo sistemų sudedamoji dalis, kuri gali nustatyti būsenos kintamuosius, tokius kaip SOC, SOH, SOF ir kt. Ji paprastai matuoja tokius kintamuosius kaip akumuliatoriaus įtampa, bendra įtampa, bendra srovė ir akumuliatorių sistemų temperatūra. Šie būsenos kintamieji gali apsaugoti akumuliatoriaus sistemą nuo pažeidimų, pvz., perkrovimo ar iškrovimo, ir optimizuoti akumuliatoriaus sistemos naudojimą.
Reikalavimai jutikliui:Pagal akumuliatoriaus saugojimo programas nustatykite tipinius jutiklių reikalavimus, įskaitant kainą, pralaidumą, tikslumą, matavimo diapazoną ir dydį, kaip išsamiai aprašyta 2 skyriuje.
Srovės matavimas
Matavimo metodų klasifikacija:Srovės surinkimo įranga skirstoma į dvi pagrindines jutiklių technologijas: elektros prijungimą ir izoliaciją. Dažniausiai naudojamas šunto rezistoriaus srovės jutiklis priklauso elektros jungties tipui, o Holo jutiklis yra izoliacijos tipo pavyzdys.
Be jutiklių technologijos, reikia atsižvelgti ir į vietą baterijos bloke. Akumuliatorių sistemose, kuriose yra kelios perjungiamos eilutės, kiekviena eilutė turėtų būti aprūpinta srovės stebėjimo įtaisu, kad būtų galima stebėti galios disbalansą.
Šunto varžos matavimas
Matavimo principas ir charakteristikos:Sujungus mažą varžą, didelio tikslumo varžą ir didelio tikslumo įtampos matavimo sistemą, matuojama srovė. Atsparumas yra srovės kelyje, o galios praradimas ir temperatūros kilimas atsiranda, kai srovė praeina. Renkantis rezistorių, būtina subalansuoti nuostolius ir poreikį generuoti tinkamą įtampos kritimą. Matuojant labai tiksliai, taip pat reikia atsižvelgti į temperatūros koeficientą ir ilgalaikį rezistoriaus stabilumą.
Šis metodas gali būti naudojamas nuolatinės ir kintamosios srovės srovėms matuoti, o jo pranašumai yra paprastumas, tiesiškumas ir didelis pralaidumas. Tačiau matavimo diapazoną riboja įtampos matavimo tikslumas.
Žemos ir aukštos pusės matavimų palyginimas
Žemos pusės matavimas reiškia rezistorių, esantį tarp teigiamo akumuliatoriaus gnybto ir apkrovos. Jo pranašumas yra tas, kad įvesties bendrojo režimo įtampa yra žema, todėl galima naudoti daug srovės jutimo stiprintuvų. Grandinė yra paprasta ir ekonomiška, tačiau ji trukdys įžeminimo keliui ir negali aptikti didelės apkrovos srovės apėjimo.
Aukštas šoninis matavimas reiškia, kad rezistorius yra tarp apkrovos ir neigiamo akumuliatoriaus poliaus arba žemės. Jo pranašumas yra tas, kad jis gali išvengti įžeminimo trajektorijos trukdžių ir aptikti trumpuosius jungimus, tačiau tam reikia stiprintuvo išvesties lygio konvertavimo ir reikalauja, kad stiprintuvas atlaikytų aukštą bendrojo režimo įtampą.
Mažesnės kontaktinės srovės jutikliai (Hall jutikliai ir kt.)
Matavimo principas ir privalumai:Srovės generuojamo magnetinio lauko naudojimas matavimui, pvz., Holo jutikliai, pagrįsti Holo efektu, nedidinant srovės trajektorijos varžos, be papildomų laidumo nuostolių, su elektros izoliacijos pranašumais ir nereikalaujant papildomų optronų ar skaitmeninių izoliatorių signalo kondicionavimui.
Holo jutiklius galima įsigyti kaip integrinius grandynus, pastatyti ant srovės kelio, o jų išvestį reikia filtruoti. Taip pat galima naudoti visus modulius, sudarytus iš ferito žiedų su Holo jutikliais ir kurie gali užtikrinti elektros izoliaciją.
Jutiklio charakteristikos ir apribojimai:Pagrindinis trūkumas yra ribotas dažnių juostos plotis, paprastai neviršijantis dešimčių kHz, ir temperatūros dreifas išėjimo signale, kurį reikia kompensuoti. Jei akumuliatoriaus sistemai reikalingas didesnis pralaidumas, reikia naudoti šunto varžos matavimą, o Hall jutikliai yra brangūs ir nepatogūs.
Įtampos matavimas
Akumuliatoriaus įtampos matavimo skirtumas:Ličio jonų akumuliatorių blokuose būtina atskirti kiekvienos baterijos įtampos matavimą nuo bendros baterijos bloko įtampos. Šių dviejų įtampų diapazonai yra skirtingi, o visų akumuliatoriaus įtampų suma turi būti lygi bendrai įtampai, kuri gali būti naudojama kaip racionalumo vertinimo kriterijus.
Baterijos įtampos matavimas:paprastai užbaigiama integruotu BMS priekinės dalies lustu. Akumuliatorių, kuriuos galima prijungti prie lustų, skaičius rinkoje skiriasi, o perteklinis ir sistemos patikimumas taip pat gali būti pagerintas naudojant antrinės priežiūros IC.
Akumuliatoriaus įtampos matavimas:užbaigiamas atskiru matavimo vienetu, įskaitant įtampos daliklį, varžos keitiklį, filtrą ir analoginį-skaitmeninį keitiklį (ADC). Įtampos daliklis naudojamas sumažinti akumuliatoriaus įtampą iki atitinkamo diapazono, dėl kurio gali prireikti kelių rezistorių, kad būtų užtikrinta sauga, taip pat Zener diodo, kad apsaugotų tolesnę grandinę. Tuo pačiu metu išmatuotai įtampai gauti naudojami impedanso keitikliai, filtrai ir ADC.
Temperatūros matavimas
Dažni temperatūros jutiklių tipai ir principai:Įprasti temperatūros jutikliai apima neigiamo temperatūros koeficiento (NTC) ir teigiamo temperatūros koeficiento (PTC) tipus, kurie matuoja temperatūrą matuodami įtampos kritimą esant pastoviai srovei. Jų atsparumas kinta priklausomai nuo temperatūros ir gali būti naudojamas tam tikrame temperatūros diapazone, tačiau yra netiesinių problemų.
Problemos ir sprendimai naudojant jutiklius:Dėl netiesiškumo skaitmeninėje apdorojimo grandinėje reikalinga peržvalgos lentelė, kad būtų galima kalibruoti temperatūros skaičiavimus. Taip pat yra kai kurių jutiklių, naudojančių skaitmenines sąsajas, kurias patogiau naudoti, tačiau reikia atkreipti dėmesį į EMI problemas, kai jie baterijų blokuose yra šalia didelės galios takų. Kiti matavimo metodai, tokie kaip metalinis PTC ir termopora, gali užtikrinti didesnį tikslumą ir platesnį temperatūros diapazoną, tačiau elektroninį sudėtingumą.
Duomenų perdavimas
Įvairių ryšio magistralių charakteristikos ir taikymo scenarijai:reikalingas ryšys tarp BMS modulių ir tarp BMS ir visos sistemos. CAN magistralė dažniausiai naudojama transporto priemonių aplinkoje, pasižyminti lankstumu ir atsparumu triukšmui; LIN magistralė yra gana paprasta, bet lėta, jos lankstumas yra menkas ir nediferencijuotas, todėl tinka scenarijams, kai reikalaujama didelių sąnaudų; Kitos trumpojo nuotolio ryšio sąsajos, tokios kaip SPI, I2C ir „OneWire“ magistralė, netinka tolimojo, trikdžiams jautraus modulio ryšiui; Jei CAN magistralės greitis yra nepakankamas arba reikalinga realiojo laiko deterministinė galimybė, galima naudoti FlexRay magistralę arba Ethernet.
5. Baterijos balansas
Akumuliatoriaus SOC skirtumo priežastis:Jei akumuliatoriai yra sujungti nuosekliai, dėl gamybos skirtumų ir skirtingų veikimo bei aplinkos sąlygų (pvz., temperatūros) gali atsirasti netolygių baterijų. Šie veiksniai gali lemti skirtingas pradines sąlygas, senėjimą ir savaiminio išsikrovimo greitį, dėl ko gali nukrypti SOC, talpos ir atsparumo vertės. Šiame skyriuje daugiausia dėmesio skiriama SOC ir talpos skirtumams, o vidinės varžos skirtumai nėra susiję. Tyrimai parodė, kad net ir tos pačios pradinės talpos ir vienodos apkrovos baterijos po naudojimo gali skirtis. Pavyzdžiui, 18 650 baterijų, kurių pradinė talpa yra tokia pati, o likusi talpa yra 80 %, kaip standartinis naudojimo pabaigos standartas, ciklo veikimo laikas yra 1000-1500 karto. Tuo pačiu metu skiriasi skirtingų baterijų savaiminio išsikrovimo greitis, pvz., komercinės minkštos baterijos, laikomos 40 ° C temperatūroje, kur savaiminio išsikrovimo pasipriešinimas svyruoja nuo 10 k Ω iki 14 k Ω.
6 pav. (a) Nesubalansuotų baterijų elementų priežastys, skaičiai pagrįsti [57]; b) Skirtingų pusiausvyros metodų klasifikacija nurodo energijos perdavimo kryptį kaip parodyto neišsklaidymo metodo pavadinimą.
Pusiausvyros būtinybė:SOC, talpos ir vidinės varžos skirtumai gali lemti turimos akumuliatoriaus energijos sumažėjimą, o tai galima išspręsti naudojant balanso grandinę.
Balanso metodų apžvalga
Aparatinės įrangos diegimas:Literatūroje aprašomi įvairūs balansavimo grandinių aparatinės įrangos diegimo metodai, kuriuos galima suskirstyti į skirtingas topologijos struktūras, valdymo metodus (pvz., aktyvų/pasyvųjį) arba komercinį prieinamumą.
Balansavimo metodai komercinėse programose:Daugumoje komercinių baterijų blokų naudojamos valdomos pasyvios balansavimo sistemos, pasiekiamos lygiagrečiai balansuojančiais rezistoriais abiejuose akumuliatoriaus galuose. Šis metodas gali išspręsti tik SOC kitimo problemą, esant mažai balansinei srovei (apie 100 mA) ir nekeičiant akumuliatoriaus talpos, kurią gali apriboti BMS energijos išsklaidymas arba kabelio skersmuo tarp akumuliatoriaus ir stebėjimo grandinės. Kiekvienas akumuliatorius arba lygiagretus akumuliatoriaus derinys turi perjungiamą balansavimo rezistorių, kurio varžos vertė yra tarp 30 Ω -40 Ω (darant prielaidą, kad akumuliatoriaus įtampa yra 4,2 V), o kiekviena baterija sunaudoja nuo 387 mW -430 mW energijos.
Įvairių pajėgumų problemų sprendimo būdai:Norint išspręsti įvairias talpos problemas, reikalingi sudėtingesni energijos perskirstymo tarp akumuliatorių metodai naudojant galios elektroniką. Tačiau šie metodai reikalauja sudėtingų valdymo algoritmų ir brangių induktorių. Nors yra susijusių BMS IC produktų, jie nebuvo plačiai naudojami komerciniuose automobilių akumuliatorių paketuose.
6. Sauga and patikimumas
Bendras rizikos mažinimo tikslas:Vienas iš pagrindinių BMS tikslų – sumažinti riziką, susijusią su ličio jonų baterijų veikimu baterijų blokuose.
7 pav. Akumuliatoriaus įtampos gavimo priekinės dalies lygiavertis grandinės modelis, parodantis jutimo linijos gedimų aptikimą.
Specialios saugos priemonės
Aukštos įtampos sauga:Aukštos įtampos akumuliatoriaus saugumas užtikrinamas izoliacijos stebėjimu ir blokavimo grandinėmis, kurios gali sumažinti užteršimo ar kondensato sukeltą lanko riziką. Tuo pačiu metu BMS techninės įrangos konstrukcija turėtų atitikti atitinkamus standartus, kad būtų užtikrintas PCB ir jungčių valkšnumo atstumas ir elektrinis atstumas.
Elektros izoliacija:Norint užtikrinti elektros izoliaciją nuo aukštos baterijos įtampos sąsajose su kitais valdymo blokais arba pagalbiniais maitinimo šaltiniais, galima naudoti izoliavimo įrangą, atitinkančią „patobulintos izoliacijos“ standartą. Naudojami tradiciniai optronai, tačiau dabar „skaitmeniniai izoliatoriai“ pasižymi geresniu IC našumu.
Priešgaisrinės priemonės:Įdėkite temperatūros jutiklius į akumuliatoriaus bloką ir reaguokite į kritinę temperatūrą. Gaisro rizikai sumažinti taip pat gali būti naudojami temperatūros nustatymo metodai be jutiklių (pvz., elektrocheminės varžos spektroskopija) ir nauji temperatūros matavimo metodai.
Kontaktorius ir saugiklis:Naudodami kontaktorių atjunkite akumuliatorių nuo sistemos, derindami su saugikliu. Apsvarstykite abiejų eksploatacines charakteristikas ir parazitinės talpos bei induktyvumo įtaką akumuliatoriaus bloke renkantis saugiklius.
Vidinė baterijų sauga:BMS turėtų užtikrinti, kad akumuliatorius būtų įkraunamas nurodytoje temperatūros diapazone, vengiant žemos temperatūros ličio dengimo ir gilaus iškrovimo prieš naudojant. Tuo pačiu metu diagnostikos algoritmai gali būti naudojami aptikti vidinius trumpuosius jungimus.
8 pav. Izoliacijos matavimas: a) IT jungčių izoliacija; b) Izoliacijos matavimo schema.
BMS techninės įrangos projektavimo problemos
Jutiklio gedimo aptikimas:Didėjant BMS techninės ir programinės įrangos diegimo sudėtingumui, didėja programinės įrangos klaidų ir jutiklių gedimų tikimybė. Pavyzdžiui, akumuliatoriaus įtampos aptikimo kabelių gedimai nėra lengvai nustatomi vien matuojant įtampą, bet gali būti aptikti naudojant akumuliatoriaus balansavimo sistemas arba srovės šaltinio grandines.
Jutiklio galiojimo patikrinimas:Kiti gedimai, pvz., jutiklių defektai, gali būti aptikti naudojant diagnostikos algoritmus, o jutiklių signalų galiojimas gali būti patikrintas naudojant akumuliatoriaus elektrinį elgesį.
Izoliacijos matavimas
Izoliacijos matavimo svarba ir sistemos struktūra:Elektromobilių ar iš dalies elektra varomų transporto priemonių aukštos įtampos sistema dažniausiai yra sukonstruota kaip IT tinklas ir turi aptikti pirmąjį gedimą. Matuojant izoliacijos varžą, būtina atsižvelgti į sistemos talpos ir varžos charakteristikas, nes talpa gali trukdyti matavimui.
Įprasti matavimo metodai:Įprasti metodai apima bendro režimo srovės matavimą naudojant kilpos ritę ir izoliacijos varžos apskaičiavimą keičiant potencialą tarp sistemos ir važiuoklės per jungiklius ir rezistorius. Taip pat pristatomi kiti paprastesni ar sudėtingesni metodai.
Izoliacijos matavimo standartai:Izoliacijos matavimas turi atitinkamas standartines matavimo metodų specifikacijas ir minimalius izoliacijos varžos reikalavimus. Skirtinguose standartuose skiriasi matavimo metodai, varžos vertės ir matavimo laikas.
7. Santrauka
Bendrieji reikalavimai ir dizaino svarstymai:Šiame straipsnyje pristatomos bendros BMS aparatinės įrangos sąvokos, pradedant nuo bendrųjų reikalavimų ir pateikiant įgyvendinimo aspektus. Projektavimo procesas turėtų apimti kuo daugiau parametrų, tačiau reikalavimai turėtų būti nustatomi pagal tikslinio įrenginio poreikius. Įvairių programų reikalavimai labai skiriasi, todėl šie reikalavimai yra geras atspirties taškas sprendžiant akumuliatoriaus paketo konstrukciją.
BMS topologija:Akumuliatoriaus sistemos struktūra turi įtakos BMS topologijai, o kai kuriose programose naudojami specialūs stebėjimo metodai, siekiant sumažinti svorį arba sudėtingumą, pvz., keturi komercinių elektrinių transporto priemonių akumuliatoriai, palyginti 3.3 skirsnyje, kurie turi tam tikrų bendrų bruožų dėl panašių programų (pvz., naudojant CAN ryšį). ), tačiau skiriasi integracija ir vidine komunikacija.
Fizinės vertės matavimas:4 skyriuje pateikiamas išsamus reikalingų fizinių verčių rinkimo ir perdavimo metodų įvadas. Dėl skirtingų matavimo reikalavimų reikia pasirinkti skirtingus metodus, pagrįstus taikymo apribojimais ir poreikiais.
Balanso problema:5 skyriuje aprašomos serijinių baterijų įkrovos disbalanso priežastys ir kompensavimo metodai, o pasyvus balansas šiuo metu yra dažniausiai naudojamas metodas.
Saugumas ir patikimumas:6 skirsnyje apžvelgiami saugos aspektai, įskaitant akumuliatoriaus veikimo diapazono laikymąsi, siekiant užtikrinti tarnavimo laiką ir apsaugoti vartotojus nuo aukštos įtampos pavojų. Jame pristatomi standartiniai izoliacijos stebėjimo metodai ir paminima, kad saugant baterijas reikia atsižvelgti į sistemos lygio riziką.