Abstraktní
Tento článek se zaměřuje na hardwarové aspekty systémů správy baterií (BMS) v elektrických vozidlech a pevných aplikacích. Účelem je nastínit koncepty ve stávajících pokročilých systémech a umožnit čtenářům porozumět faktorům, které je třeba vzít v úvahu při navrhování BMS pro konkrétní aplikace. Po krátké analýze obecných požadavků bylo studováno několik možných topologických struktur bateriových sad a jejich vliv na komplexnost BMS. Vezměme si jako příklad pro vysvětlení čtyři bateriové sady vybrané z komerčně dostupných elektrických vozidel. Následně byly diskutovány implementační aspekty měření požadovaných fyzikálních veličin (napětí, proud, teplota atd.), jakož i otázky a strategie vyvažování. Nakonec byly diskutovány bezpečnostní aspekty a aspekty spolehlivosti.
1. Úvod
Složitost systémů správy baterií (BMS) závisí na aplikaci. Jednu baterii, stejně jednoduchou jako mobilní telefon nebo čtečku elektronických knih, lze měřit pomocí jednoduchého integrovaného obvodu „měřiče baterie“, který dokáže měřit napětí, teplotu a proud a odhadovat stav nabití (SOC). BMS je stejně složité jako elektrická vozidla a musí plnit složitější úkoly. Kromě měření základních parametrů, jako je napětí baterie, teplota a proud, jsou také vyžadovány pokročilé algoritmy k určení dostupné energie pro výpočet dojezdu.
Tato práce se zaměřuje na hardwarový aspekt systémů řízení lithium-iontových baterií. Část 2 uvádí hardwarové požadavky na BMS, včetně hodnot měření, elektromagnetického rušení, elektrické izolace, stykačů a redundance. Část 3 poskytuje přehled topologie BMS, objasňuje rozdíly mezi jednoduchými a komplexními aplikacemi a poskytuje příklad sady baterií pro elektromobily. Část 4 vysvětluje, jak splnit požadavky na měření fyzikálních hodnot a běžná úskalí. Část 5 pojednává o vyvážení, představuje a porovnává metody vyrovnávání náboje. Část 6 se zaměřuje na bezpečnost a spolehlivost, včetně rizik a protiopatření při provozu vysokonapěťových bateriových sad, a stručně představuje metody měření izolace a související normy.
2. Návrhové požadavky na Battery Management System (BMS)
Návrh BMS je komplexní úkol, který vyžaduje zvážení specifických požadavků aplikace, systémového prostředí a charakteristik použitých baterií, z nichž lze odvodit řadu systémových požadavků. Obecně řečeno, následující komponenty BMS a funkční požadavky jsou obvykle relevantní:
Sběr teploty
Výběr a umístění senzoru:Přesný sběr teploty je při navrhování BMS obtížný a je třeba vzít v úvahu typ snímače (digitální nebo analogový) a umístění pro měření teploty baterie, což určuje počet snímačů teploty baterie. Někdy je nutné sbírat teplotu stykačů, pojistek nebo přípojnic. Obvykle je mezi snímači teploty a snímači napětí určitý podíl kanálů.
Požadavky na teplotu pro různé scénáře aplikace:Požadavky na teplotu musí vzít v úvahu tři situace: nabíjení, vybíjení a skladování, přičemž je třeba věnovat pozornost tepelné časové konstantě. Lithium-iontové baterie nemohou správně fungovat mimo určitý teplotní rozsah a lithiové pokovování může nastat při vysokých proudových rychlostech v rámci normálního teplotního rozsahu. Proto je nutné přesně sbírat teplotu, napětí a proud. Tepelná kapacita a tepelná vodivost baterií jsou ovlivněny faktory, jako je struktura baterie, a nesprávné umístění teplotních senzorů může vést k chybnému čtení a tepelným slepým místům.
Získávání napětí
Akviziční kanál a přesnost:Klasické BMS založené na lithium-iontových bateriích vyžadují alespoň jeden kanál pro sběr napětí pro každou sériově zapojenou baterii a některé automobilové aplikace mají také sekundární ochranu (dosahovanou pomocí programovatelného komparátoru oken). Konverzní poměr dat akvizice napětí se liší v závislosti na aplikaci a běžně používané přední čipy BMS mají určitou přesnost a rozlišení napětí.
Vliv na odhad SOC:Vezmeme-li jako příklady baterie NMC a LFP, ukazuje se, že přesnost snímání napětí má významný dopad na odhad SOC. Čím vyšší je přesnost, tím přesnější je odhad SOC a použití pouze údajů o napětí k určení SOC nemusí stačit.
Obrázek 1. Porovnání nejistoty SOC závisí na přesnosti napětí ± 1 mV.
Aktuální kolekce
Způsob sběru a charakteristiky senzoru:SOC lze určit nejen měřením napětí naprázdno (OCV), ale také pomocí Coulombovy počítací metody (měření proudu a integrace). Proudové senzory však nemají ideální charakteristiky, jako je drift, offset a teplotní chyby, a mohou potřebovat současně splňovat různé požadavky na rozsah měření a mít určitou šířku pásma.
V praktických aplikacích je spoléhání se pouze na Coulombovo počítání k určení SOC nepřesné, zvláště za podmínek nízkého proudu. K vyřešení tohoto problému je možné kombinovat algoritmy a parametrizované modely pro zpracování aktuálních dat, ale to je nad rámec tohoto článku.
Požadavky na komunikaci
Komunikace v rámci systému:BMS potřebuje komunikovat s celým systémem (jako je výkonová elektronika, energetický management nebo řídicí jednotky vozidla), přičemž musí brát v úvahu faktory, jako je komunikační režim, rychlost, robustnost a spolehlivost. Například ve vozidlech může být nutné zajistit rozhraní CAN pro systémovou komunikaci a různé aplikace již mohou stanovit komunikační požadavky na systémové úrovni, kterým se musí BMS přizpůsobit.
Komunikace mezi moduly:U modulárních systémů je nutné definovat způsob komunikace mezi master a slave moduly, který je podobný základním požadavkům na mezisystémovou komunikaci. Konkrétní příklady naleznete v následujících kapitolách.
Ochrana proti elektromagnetickému rušení (EMI).
Vliv EMI na senzory:EMI může ovlivnit sběr dat senzorů a všechny senzory jsou náchylné na jeho vliv, což může mít za následek mírné zkreslení nebo úplnou zbytečnost dat.
Opatření ke snížení dopadu EMI:Aby se minimalizoval dopad, měly by mít motory, výkonové elektronické komponenty a další zátěže dobrou konstrukci EMI a mohou být použita vhodná zařízení pro filtrování EMI, jako jsou tlumivky se společným režimem a blokovací kondenzátory, a mohou být instalovány v blízkosti měřicí cesty snímače.
Požadavky týkající se stykačů
Funkce a požadavky stykačů:Většina bateriových sad vyžaduje schopnost elektricky odpojit alespoň jednu elektrodu, což vyžaduje vhodný stykač. Kvůli zvláštní povaze přerušení stejnosměrného proudu a zhášení oblouku musí mít stykače zařízení pro zhášení magnetického oblouku a neměly by se vyhýbat svařování kontaktů.
Bezpečnostní provozní opatření:Aby byla zajištěna bezpečnost, je během provozu stykačového spínače vyžadován speciální obvod (jako je přednabíjecí jednotka sestávající ze sériově zapojeného stykače a odporu), aby se zajistilo, že mezi oběma konci nebude rozdíl potenciálů a zabrání se nebezpečným situacím.
Požadavky na redundanci
Role redundance ve spolehlivosti systému:Podle normy ISO 26262 může redundance zlepšit spolehlivost systému. Napětí baterie je obvykle do určité míry pozorováno redundantně dvěma způsoby: přesným měřením hlavním čipem a binární informací poskytovanou pomocným čipem.
Koncept redundance vyšší úrovně:Koncepty redundance existují také ve zpracování na vyšší úrovni, jako je krokování zámku, oprava chyb paměti a mechanismy autotestu ve speciálních CPU.
Požadavky na elektrickou izolaci
Izolace baterie:Bateriová sada je obvykle rozdělena na vysokonapěťové a nízkonapěťové části, které vyžadují elektrickou izolaci a lze jich dosáhnout pomocí optických, indukčních nebo kapacitních metod.
Tepelná izolace senzoru:Všechny tepelné senzory musí být také elektricky izolovány, aby se předešlo vysokonapěťovým poruchám ovlivňujícím nízkonapěťové části, podobně jako u konceptu rozvržení rozvodné sítě IT.
Požadavky na rovnováhu
Vliv nevyváženosti náboje:Mezi sériově zapojenými bateriemi může být nerovnováha nabití, která může ovlivnit výkon a spolehlivost systému a obecně je nutné ji udržovat na nízké úrovni.
Zvláštní požadavky na aplikaci:Různé aplikace mohou mít zvláštní ohledy, jako jsou hmotnostní omezení nebo požadavky na nabíjecí proud, což může vést ke generování vyrovnávacího proudu. Část 5 dále představí nezbytnost a způsoby provádění vyvažování.
Jiné požadavky
Požadavky související s aplikací:Aplikace může mít také některé další požadavky, jako je prostor, cena, mechanická pevnost hardwaru, hmotnost a spotřeba energie, které nejsou předmětem tohoto článku, ale je třeba je vzít v úvahu.
3. Topologická struktura BMS
Přehled struktury bateriového systému:Aby byly splněny elektrické specifikace systému, je často nutné baterie kombinovat do bateriových sad s více topologiemi připojení. Sériové připojení může dosáhnout specifického rozsahu napětí a snížit proud; Paralelní připojení může zvýšit kapacitu. V praktických aplikacích existují různé varianty, jako je paralelní zapojení malokapacitních baterií do modulů a sériové zapojení nebo přímé použití velkokapacitních baterií v sériovém zapojení. Různé topologie mají různé dopady na složitost BMS, jako jsou zvýšené náklady na monitorování a vyvažování, když je paralelně zapojeno více sériových baterií.
Obrázek 2. Schéma různých topologií bateriových sad: (a) jeden článek; (b) Paralelní připojení dvou baterií; (c) sériové zapojení tří baterií; (d) Paralelní připojení dvou sériových a tří sériových baterií; (e) Sériové zapojení tří modulů sestávajících ze dvou paralelních baterií.
Tabulka 1. Charakteristiky topologických variant jsou uvedeny na obrázku 2.
Uveďte příklad pro ilustraci způsobu připojení baterie a požadavků na kanál měření napětí: například kombinace m sériově zapojených baterií a n paralelně připojených baterií vyžaduje různé počty kanálů měření napětí pro různé způsoby připojení.
Zvláštní případová diskuze:V některých speciálních aplikacích (jako je sonda Mars a Rosetta Evropské vesmírné agentury) nemusí být monitorování a vyvažování jednotlivých buněk prováděno kvůli faktorům, jako je velikost, hmotnost a spotřeba energie. Ačkoli některé názory naznačují, že pečlivý výběr baterií ze stejné šarže může vynechat monitorování, výzkum ukázal, že i baterie ze stejné šarže mohou mít různé chování při stárnutí a vynechání monitorování může představovat rizika. U malých systémů a napětí baterií v určitém rozsahu však může být dopad vynechání monitorování relativně malý.
Související s integrovaným obvodem (IC).
IC se základní monitorovací funkcí:Pro dosažení základní monitorovací funkce bezpečného provozu baterií poskytují výrobci polovodičů různé integrované obvody specifické pro aplikaci (ASIC). Pro malá elektronická zařízení s jednotlivými články existuje integrovaný obvod „palivoměr“, který dokáže monitorovat napětí, proud a teplotu, odhadovat SOC a může také zahrnovat funkce, jako jsou regulátory nabíjení. Například TI „bq27220“ a související integrované obvody Maxim.
IC pro systémy s vysokým výkonem a spotřebou energie
Modularizace a alokace funkcí:Pro aplikace s vysokými požadavky na výkon a/nebo energii se bateriová sada skládá z více baterií a příslušný IC může současně monitorovat více baterií a poskytovat funkce vyvážení. V systému je centrální modul (BMS Master) odpovědný za komplexní funkce, jako je odhad SOC a algoritmy predikce výkonu; Přední IC modul (BMS Slaves) je zodpovědný za základní funkce, jako je získávání a filtrování signálu.
Obrázek 3. Typická struktura BMS pro aplikace elektrických vozidel.
Různé příklady IC a metody vyvažování:Například TI bq76PL536A, MAX11068 a LT6802G-2 poskytují pasivní vyvažování, zatímco AS8506C od AMS lze použít pro pasivní vyvažovací topologii a také poskytuje schopnost aktivního vyvažování. Některé integrované obvody mají nástupnické produkty a pro zlepšení spolehlivosti monitorování napětí lze použít integrované obvody sekundární ochrany. Přestože plně redundantní BMS může zlepšit spolehlivost, náklady jsou vysoké.
Komunikace a přenos dat
Způsob připojení předního IC:Přední integrované obvody lze obvykle připojit pomocí řetězu a různé integrované obvody mají různé metody rozhraní. MAX11068 je připojen přes port I2C, TI bq76PL536A poskytuje více rozhraní a LT6802G-2 je připojen přes sběrnici SPI (vyžaduje další digitální izolátor).
Způsob komunikace systému:V systému se k připojení integrovaných obvodů na stejné desce plošných spojů obvykle používají levné mikrokontroléry a moduly na jiných deskách plošných spojů a hlavní moduly BMS jsou připojeny přes fieldbus (jako je CAN).
Skutečný případ
Mitsubishi i-MiEV:Baterie se skládá z více modulů spojených šrouby s 88 prizmatickými bateriemi. Deska plošných spojů na modulu obsahuje monitorovací integrované obvody a teplotní senzory a pouzdro baterie obsahuje více komponent. Hlavní modul BMS je umístěn pod zadními sedadly vozidla a komunikuje prostřednictvím interní sběrnice CAN. Oproti jiným bateriím je jeho vnitřní prostor prostornější, což může být vedlejší efekt vzduchového chlazení.
Obrázek 4. (a) Baterie Mitsubishi i-MiEV; (b) akumulátor Volkswagen e-Up; (c) Sada baterií pro elektrický pohon Smart fortwo. Poznámka: Metody změny měřítka jsou různé.
Obrázek 5. (a) Pohled shora na bateriový modul Tesla Model S; (b) Bateriový modul Volkswagen e-Up, modul 6s2p, pohled shora.
Smart Fortwo Electric Edition:Baterie se skládá z 90 sériově připojených pouzdrových baterií, s chladicím systémem a základní monitorovací úlohy plní IC TI, podobně jako u bq76PL536A. Každá deska plošných spojů obsahuje několik monitorovacích integrovaných obvodů a mikrokontrolérů a hlavní modul BMS je umístěn uvnitř bateriového pouzdra s vysokou integrací a malým počtem kabelů.
Volkswagen e-Up:Baterie obsahuje více sériových modulů, žádný chladicí systém nebo servisní odpojovací zařízení, centralizovaný modul BMS, připojený k baterii a měřicímu IC (MAX11068) přes velké množství vedení pro měření napětí, s velkým počtem symetrických rezistorů a mikrokontrolérem bez konverze signály.
Tesla Model S:Baterie se skládá z velkého počtu 18650 baterií, rozdělených do více modulů, propojených spojovacími vodiči. BMS je monitorován pomocí bq76PL536A-Q1 TI a napětí je měřeno pomocí svařovacích drátů. Ve srovnání s jinými bateriemi je její úroveň integrace odlišná, například nízká úroveň integrace u Volkswagen e-Up a vysoká úroveň integrace u Smart Fortwo.
4. Přehled technologie měření HV bateriových systémů
Význam měřicí techniky:Technologie měření je klíčovou součástí systémů správy baterií, která dokáže určit stavové proměnné jako SOC, SOH, SOF atd. Obvykle měří proměnné jako napětí baterie, celkové napětí, celkový proud a teplotu bateriových systémů. Tyto stavové proměnné mohou chránit bateriový systém před poškozením, jako je přebití nebo nadměrné vybití, a optimalizovat využití bateriového systému.
Požadavky na senzor:Určete typické požadavky na senzory založené na aplikacích pro ukládání baterií, včetně ceny, šířky pásma, přesnosti, rozsahu měření a velikosti, jak je podrobně uvedeno v části 2.
Měření proudu
Klasifikace metody měření:Zařízení pro sběr proudu se dělí na dvě základní technologie senzorů: elektrické připojení a izolace. Běžně používané snímání proudu bočníkového rezistoru patří k typu elektrického připojení a Hallův snímač je příkladem izolačního typu.
Kromě technologie senzorů je třeba zvážit také polohu v bateriovém bloku. U bateriových systémů obsahujících více přepínatelných řetězců by měl být každý řetězec vybaven zařízením pro sledování proudu pro sledování nerovnováhy výkonu.
Měření bočníkového odporu
Princip a vlastnosti měření:Díky kombinaci nízkého odporu, vysoce přesného odporu a vysoce přesného systému měření napětí je měřen proud. Odpor je umístěn na dráze proudu a při průchodu proudu dochází ke ztrátě výkonu a nárůstu teploty. Při výběru rezistoru je nutné vyvážit ztrátu a potřebu generování vhodného úbytku napětí. Při měření s vysokou přesností je třeba vzít v úvahu i teplotní koeficient a dlouhodobou stabilitu odporu.
Tato metoda může být použita pro měření stejnosměrných a střídavých proudů a má výhody jednoduchosti, linearity a velké šířky pásma. Rozsah měření je však omezen přesností měření napětí.
Porovnání měření nízké a vysoké strany
Měření na nízké straně se týká odporu umístěného mezi kladným pólem baterie a zátěží. Jeho výhodou je, že vstupní souosé napětí je nízké a lze použít velké množství zesilovačů pro snímání proudu. Obvod je jednoduchý a nákladově efektivní, ale bude rušit zemnící dráhu a nemůže detekovat obtok proudu při vysoké zátěži.
Měření na vysoké straně se týká odporu umístěného mezi zátěží a záporným pólem nebo zemí baterie. Jeho výhodou je, že se může vyhnout rušení zemní cesty a detekovat zkraty, ale vyžaduje úrovňovou konverzi výstupu zesilovače a vyžaduje, aby zesilovač vydržel vysoké napětí v součinném režimu.
Bezkontaktní proudové senzory (Hallovy senzory atd.)
Princip a výhody měření:Použití magnetického pole generovaného proudem pro měření, jako jsou Hallovy senzory založené na Hallově jevu, bez zvýšení odporu proudové cesty, bez dodatečných ztrát ve vedení, s výhodami elektrické izolace a bez potřeby dalších optočlenů nebo digitálních izolátorů pro úpravu signálu.
Hallovy senzory lze zakoupit jako integrované obvody, umístit je na proudovou cestu a jejich výstup je potřeba filtrovat. K dispozici jsou také kompletní moduly, které se skládají z feritových kroužků obsahujících Hallovy senzory a mohou zajistit elektrickou izolaci.
Vlastnosti a omezení snímače:Hlavní nevýhodou je omezená šířka pásma, obvykle nepřesahující desítky kHz, a teplotní drift ve výstupním signálu, který je potřeba kompenzovat. Pokud bateriový systém vyžaduje větší šířku pásma, mělo by se použít měření odporu bočníku a Hallovy senzory jsou drahé a objemné.
Měření napětí
Rozlišení měření napětí baterie:U lithium-iontových baterií je nutné rozlišovat mezi měřením napětí každé baterie a celkovým napětím baterie. Napěťové rozsahy obou jsou různé a součet všech napětí baterie by se měl rovnat celkovému napětí, které lze použít jako kritérium pro posouzení racionality.
Měření napětí baterie:obvykle doplněný integrovaným front-end čipem BMS. Počet baterií, které lze připojit k čipům na trhu, se liší a redundanci a spolehlivost systému lze také zlepšit pomocí integrovaných obvodů sekundárního dohledu.
Měření napětí baterie:doplněná samostatnou měřicí jednotkou, včetně děliče napětí, impedančního převodníku, filtru a analogově-digitálního převodníku (ADC). Dělič napětí se používá ke snížení napětí baterie na vhodný rozsah, což může vyžadovat více odporů pro zajištění bezpečnosti, stejně jako Zenerovu diodu pro ochranu následného obvodu. Zároveň se pro získání měřeného napětí používají impedanční převodníky, filtry a ADC.
Měření teploty
Běžné typy a principy snímačů teploty:Mezi běžné teplotní senzory patří typy s negativním teplotním koeficientem (NTC) a pozitivním teplotním koeficientem (PTC), které měří teplotu měřením poklesu napětí při konstantním proudu. Jejich odpor se mění s teplotou a lze je použít v určitém teplotním rozsahu, ale existují nelineární problémy.
Problémy a řešení při použití senzorů:Kvůli nelinearitě je v řetězci digitálního zpracování vyžadována vyhledávací tabulka pro kalibraci výpočtů teploty. Existují také některé senzory, které používají digitální rozhraní, jejichž použití je pohodlnější, ale při jejich umístění v blízkosti vysokonapěťových cest v bateriových sadách je třeba mít na paměti problémy s EMI. Jiné metody měření, jako je kovový PTC a termočlánek, mohou poskytnout vyšší přesnost a širší teplotní rozsah, ale s vyšší elektronickou složitostí.
Přenos dat
Vlastnosti a aplikační scénáře různých komunikačních sběrnic:je nutná komunikace mezi moduly BMS a mezi BMS a celým systémem. Sběrnice CAN se běžně používá v prostředí vozidel s flexibilitou a odolností proti hluku; Sběrnice LIN je relativně jednoduchá, ale má pomalou rychlost, má špatnou flexibilitu a není diferenciální, takže je vhodná pro scénáře s vysokými požadavky na náklady; Jiná komunikační rozhraní krátkého dosahu, jako je SPI, I2C a sběrnice OneWire, nejsou vhodná pro komunikaci mezi moduly a moduly na velké vzdálenosti, která je náchylná k rušení; Pokud je rychlost sběrnice CAN nedostatečná nebo je vyžadována deterministická schopnost v reálném čase, lze použít sběrnici FlexRay nebo Ethernet.
5. Vyvážení baterie
Důvod rozdílu v SOC baterie:U sériově zapojených baterií mohou výrobní rozdíly a různé provozní a okolní podmínky (jako je teplota) vést k nerovnoměrnostem mezi bateriemi. Tyto faktory mohou způsobit různé počáteční podmínky, stárnutí a rychlost samovybíjení, což vede k odchylkám v hodnotách SOC, kapacity a odporu. Tato část se zaměřuje především na rozdíly v SOC a kapacitě a nezahrnuje rozdíly ve vnitřním odporu. Výzkum ukázal, že i baterie se stejnou počáteční kapacitou a zatížením budou mít po použití rozdíly v kapacitě. Například baterie 18650 se stejnou počáteční kapacitou, se zbývající kapacitou 80 % podle standardu na konci životnosti, mají životnost 1000-1500krát. Zároveň existují rozdíly v rychlosti samovybíjení různých baterií, jako jsou komerční baterie typu soft pack skladované při 40 °C, kde se odpor samovybíjení pohybuje mezi 10k Ω a 14k Ω.
Obrázek 6. (a) Důvody pro nevyvážené bateriové články, čísla založená na [57]; (b) Klasifikace různých rovnovážných metod se vztahuje ke směru přenosu energie jako název zobrazené nedisipativní metody.
Nutnost rovnováhy:Rozdíly v SOC, kapacitě a vnitřním odporu mohou vést ke snížení dostupné energie baterie, což lze vyřešit pomocí balančního obvodu.
Přehled bilančních metod
Implementace hardwaru:Literatura popisuje různé hardwarové implementační metody pro vyvažovací obvody, které lze rozdělit do různých topologických struktur, způsobů řízení (jako aktivní/pasivní) nebo komerční dostupnosti.
Metody vyvažování v komerčních aplikacích:Většina komerčních bateriových sad používá řízené pasivní vyvažovací systémy, dosažené paralelními vyvažovacími odpory na obou koncích baterie. Tato metoda může vyřešit problém kolísání SOC pouze s malým vyrovnávacím proudem (asi 100 mA) a žádnou změnou kapacity baterie, která může být omezena ztrátou energie BMS nebo průměrem kabelu mezi baterií a monitorovacím obvodem. Každá baterie nebo paralelní kombinace baterií má přepínatelný balanční odpor s hodnotou odporu mezi 30 Ω -40 Ω (za předpokladu napětí baterie 4,2 V) a každá baterie spotřebovává energii mezi 387 mW -430 mW.
Metody řešení různých kapacitních problémů:K řešení různých kapacitních problémů jsou potřeba složitější metody pro přerozdělení energie mezi bateriemi pomocí výkonové elektroniky. Tyto metody však vyžadují složité řídicí algoritmy a drahé induktory. Ačkoli existují příbuzné produkty BMS IC, nebyly široce používány v komerčních automobilových bateriových sadách.
6. Bezpečnost and spolehlivost
Celkový cíl snížení rizika:Jedním z hlavních cílů BMS je snížit rizika spojená s provozem lithium-iontových baterií v bateriových sadách.
Obrázek 7. Ekvivalentní obvodový model front-endu pro sběr napětí baterie, demonstrující detekovatelnost poruch snímacího vedení.
Specifická bezpečnostní opatření
Bezpečnost vysokého napětí:Vysokonapěťová bezpečnost baterie je zajištěna monitorováním izolace a blokovacími obvody, které mohou snížit riziko elektrického oblouku způsobeného znečištěním nebo kondenzací. Návrh hardwaru BMS by měl zároveň splňovat příslušné normy, aby byla zajištěna povrchová dráha a elektrická vzdálenost desky plošných spojů a konektorů.
Elektrická izolace:Pro zajištění elektrické izolace od vysokého napětí baterie na rozhraních s jinými řídicími jednotkami nebo pomocnými zdroji energie lze použít izolační zařízení, které splňuje normu „vylepšené izolace“. Používají se tradiční optočleny, ale nyní mají „digitální izolátory“ lepší výkon IC.
Protipožární opatření:Umístěte teplotní senzory do baterie a reagujte na kritické teploty. Ke snížení rizika požáru lze také použít metody detekce teploty bez použití senzorů (jako je elektrochemická impedanční spektroskopie) a nové metody měření teploty.
Stykač a pojistka:Použijte stykač k odpojení bateriové sady od systému, přičemž koordinujte s pojistkou. Zvažte provozní charakteristiky obou a vliv parazitní kapacity a indukčnosti v sadě baterií na výběr pojistek.
Vnitřní bezpečnost baterií:BMS by měl zajistit, aby se baterie nabíjela ve specifikovaném teplotním rozsahu, přičemž by se mělo před provozem vyhnout nízkoteplotnímu lithiovému pokovování a hlubokému vybití. Současně lze diagnostické algoritmy použít k detekci vnitřních zkratů.
Obrázek 8. Měření izolace: (a) Izolace v IT spojích; (b) Schematický diagram měření izolace.
Problémy související s návrhem hardwaru BMS
Detekce závady senzoru:S rostoucí složitostí hardwarové a softwarové implementace BMS se zvyšuje pravděpodobnost softwarových chyb a selhání senzorů. Například poruchy kabelů při detekci napětí baterie nejsou snadno detekovány samotným měřením napětí, ale mohou být detekovány pomocí balančních systémů baterií nebo obvodů zdroje proudu.
Kontrola platnosti senzoru:Další závady, jako jsou defekty senzoru, mohou být detekovány pomocí diagnostických algoritmů a platnost signálů senzorů může být kontrolována pomocí elektrického chování baterie.
Měření izolace
Význam a struktura systému měření izolace:Vysokonapěťový systém elektrických nebo částečně elektrických vozidel je obvykle konstruován jako IT síť a potřebuje detekovat první poruchu. Při měření izolačního odporu je nutné zvážit kapacitní a odporové charakteristiky systému, protože kapacita může rušit měření.
Běžné metody měření:Mezi běžné metody patří měření proudu v běžném režimu pomocí smyčkové cívky a výpočet izolačního odporu změnou potenciálu mezi systémem a šasi pomocí spínačů a odporů. Jsou představeny i další jednodušší nebo složitější metody.
Normy měření izolace:Měření izolace má příslušné standardní specifikace pro metody měření a minimální požadavky na izolační odpor. Různé normy se liší v metodách měření, hodnotách odporu a době měření.
7. Shrnutí
Obecné požadavky a konstrukční aspekty:Tento článek představuje běžné koncepty hardwaru BMS, počínaje obecnými požadavky a poskytuje úvahy o implementaci. Proces návrhu by měl zahrnovat co nejvíce parametrů, ale požadavky by měly být nastaveny podle potřeb cílového zařízení. Požadavky různých aplikací se velmi liší a tyto požadavky jsou dobrým výchozím bodem pro úvahy o konstrukci bateriových sad.
Topologie BMS:Struktura bateriového systému ovlivňuje topologii BMS a některé aplikace používají speciální monitorovací metody ke snížení hmotnosti nebo složitosti, jako jsou čtyři baterie komerčních elektromobilů srovnávané v části 3.3, které mají některé společné rysy díky jejich podobným aplikacím (jako je použití komunikace CAN ), ale liší se integrací a interní komunikací.
Měření fyzické hodnoty:Část 4 poskytuje podrobný úvod do metod sběru a přenosu požadovaných fyzikálních hodnot. Různé požadavky na měření vyžadují výběr různých metod na základě aplikačních omezení a potřeb.
Problém s rovnováhou:Část 5 popisuje důvody a způsoby kompenzace nerovnováhy nabití u sériových baterií, přičemž v současnosti je nejběžněji používanou metodou pasivní vyvážení.
Bezpečnost a spolehlivost:Část 6 poskytuje přehled bezpečnostních aspektů, včetně dodržování provozních rozsahů baterie, aby byla zajištěna životnost a ochrana uživatelů před riziky vysokého napětí. Zavádí standardní metody monitorování izolace a zmiňuje nutnost zohlednit rizika na úrovni systému při ochraně baterií.