- Hvorfor trenger vi et batteristyringssystem (BMS)?
- Batteristyringssystem (BMS) Designhensyn
- Byggesteiner i en BMS
- BMS datainnsamling
- Multiplexed Analog Front End (AFE) for cellespenning og temperaturmåling
- Beregning av batteritilstand
På 7 th januar 2013, ble en Boeing 787 fly parkert for vedlikehold, under at en mekaniker lagt merke til flammer og røyk som kommer fra hjelpemotor (Lithium batteripakke) av flyturen, som brukes til makten de elektroniske flight systemer. Innsats ble tatt for å sette brannen av, men 10 dager senere før dette problemet kan løses, på 16 th januar annen batterifeil oppstod i en 787 fly operert av All Nippon Airways som forårsaket en nødlanding på japansk flyplassen. Disse to hyppige katastrofale batterisviktene gjorde at Boeing 787 Dreamliners-flyet ble jordet på ubestemt tid, noe som sverte produsentens rykte og forårsaket enorme økonomiske tap.
Etter en serie felles etterforskning av USA og Japan, gikk Lithium-batteripakken med B-787 gjennom en CT-skanning og avslørte at en av de åtte Li-ion-cellene ble skadet og forårsaket kortslutning som utløste en termisk rømning med brann. Denne hendelsen kunne lett vært unngått hvis batteristyringssystemet til Li-ion-batteripakken var designet for å oppdage / forhindre kortslutning. Etter noen designendringer og sikkerhetsbestemmelser begynte B-787 å fly igjen, men hendelsen er fortsatt et bevis for å bevise hvor farlige litiumbatterier kan bli hvis de ikke håndteres riktig.
Raskt fremover i 15 år, i dag har vi elbiler som bruker de samme Li-ion-batteriene som er pakket sammen i hundre om ikke tusenvis. Disse massive batteripakkene med en spenningsgrad på rundt 300V sitter i bilen og leverer så høyt som 300A (grove tall) strøm under drift. Ethvert uhell her vil ende opp i en stor katastrofe, og det er grunnen til at batteristyringssystemet alltid er understreket i EV. Så i denne artikkelen vil vi lære mer om dette batteristyringssystemet (BMS) og bryte ned for å forstå utformingen og funksjonene for å forstå det mye bedre. Siden batteriene og BMS er nært beslektet, anbefales det å gå gjennom våre tidligere artikler om elektriske kjøretøyer og EVs batterier.
Hvorfor trenger vi et batteristyringssystem (BMS)?
Litiumionbatteriene har vist seg å være det interessante batteriet for produsenter av elektriske biler på grunn av dens høye ladetetthet og lave vekt. Selv om disse batteriene pakker mye for sin størrelse, er de svært ustabile i naturen. Det er veldig viktig at disse batteriene aldri skal overopplades eller under utladning under noen omstendighet som medfører behovet for å overvåke spenningen og strømmen. Denne prosessen blir litt tøffere siden det er mange celler satt sammen for å danne en batteripakke i EV, og hver celle bør overvåkes individuelt for sin sikkerhet og effektiv drift, som krever et spesielt dedikert system kalt Battery Management System. Også for å få maksimal effektivitet fra en batteripakke, bør vi lade opp og lade ut alle cellene samtidig med samme spenning som igjen krever en BMS. Bortsett fra dette holdes BMS ansvarlig for mange andre funksjoner som vil bli diskutert nedenfor.
Batteristyringssystem (BMS) Designhensyn
Det er mange faktorer som skal tas i betraktning når du designer en BMS. De fullstendige vurderingene avhenger av den eksakte sluttapplikasjonen der BMS skal brukes. Bortsett fra EVs BMS blir det også brukt uansett hvor et litiumbatteripakke er involvert, for eksempel en solcellepanel, vindmøller, kraftvegger etc. Uavhengig av applikasjonen, bør en BMS-design vurdere alle eller mange av følgende faktorer.
Utladningskontroll: Den primære funksjonen til en BMS er å opprettholde litiumcellene i det sikre driftsområdet. For eksempel vil en typisk Lithium 18650-celle ha en underspenningsgrad på rundt 3V. Det er BMSs ansvar å sørge for at ingen av cellene i pakken slippes ut under 3V.
Ladekontroll : Bortsett fra utladning, bør ladeprosessen også overvåkes av BMS. De fleste batterier har en tendens til å bli skadet eller bli redusert i levetiden når de lades upassende. For litiumbatterilader brukes en 2-trinns lader. Den første fasen kalles den konstante strømmen (CC) der laderen sender ut en konstant strøm for å lade batteriet. Når batteriet blir nesten fullt, kalles det andre trinnet Constant Voltage (CV)trinn brukes hvor en konstant spenning tilføres batteriet med en veldig lav strøm. BMS bør sørge for at både spenning og strøm under lading ikke overstiger permeable grenser for ikke å lade for raskt eller lade batteriene raskt. Den maksimalt tillatte ladespenningen og ladestrømmen finner du i databladet til batteriet.
Bestemmelse av ladetilstand (SOC): Du kan tenke på SOC som drivstoffindikator for EV. Det forteller oss faktisk batterikapasiteten til pakken i prosent. Akkurat som den i mobiltelefonen vår. Men det er ikke så lett som det høres ut. Pakkenes spenning og lade / utladningsstrøm skal alltid overvåkes for å forutsi batteriets kapasitet. Når spenningen og strømmen er målt, er det mange algoritmer som kan brukes til å beregne SOC på batteripakken. Den mest brukte metoden er coulomb-tellemetoden; vi vil diskutere mer om dette senere i artikkelen. Måling av verdiene og beregning av SOC er også ansvaret for en BMS.
Bestemmelse av helsetilstand (SOC): Batteriets kapasitet avhenger ikke bare av spenning og strømprofil, men også av alder og driftstemperatur. SOH-målingen forteller oss om batteriets alder og forventede livssyklus basert på brukshistorikken. På denne måten kan vi vite hvor mye kjørelengde (avstand tilbakelagt etter full lading) av EV reduseres når batteriet eldes, og vi kan også vite når batteripakken skal byttes ut. SOH bør også beregnes og holdes oppdatert av BMS.
Cellebalansering: En annen viktig funksjon av en BMS er å opprettholde cellebalansering. For eksempel, i en pakke med 4 celler koblet i serie, bør spenningen til alle de fire cellene alltid være lik. Hvis en celle er mindre eller høy spenning enn den andre, vil det påvirke hele pakken, si om en celle er på 3,5V mens de andre tre er på 4V. Under lading vil disse tre cellene oppnå 4,2 V, mens den andre nettopp hadde nådd 3,7 V. På samme måte vil denne cellen være den første som lades ut til 3 V før de andre tre. På grunn av denne enkeltcellen kan ikke alle andre celler i pakken utnyttes maksimalt, og dermed kompromittere effektiviteten.
For å takle dette problemet må BMS implementere noe som kalles cellebalansering. Det er mange typer cellebalanseringsteknikker, men de ofte brukte er aktiv og passiv type cellebalansering. I passiv balansering er tanken at cellene med overskytende spenning vil bli tvunget ut gjennom en last som motstand for å nå spenningsverdien til de andre cellene. Mens du er i aktiv balansering, vil de sterkere cellene bli brukt til å lade de svakere cellene for å utjevne potensialene. Vi vil lære mer om cellebalansering senere i en annen artikkel.
Termisk kontroll: Levetiden og effektiviteten til en litiumbatteripakke avhenger i stor grad av driftstemperaturen. Den Batteriet har en tendens til å slippe ut raskere i varme klima sammenlignet med normale romtemperaturer. Ved å legge til dette vil forbruket av høy strøm øke temperaturen ytterligere. Dette krever et termisk system (for det meste olje) i en batteripakke. Dette termiske systemet skal bare kunne senke temperaturen, men bør også kunne øke temperaturen i kaldt klima om nødvendig. BMS er ansvarlig for å måle den enkelte celletemperaturen og kontrollere det termiske systemet deretter for å opprettholde den totale temperaturen på batteripakken.
Drevet fra selve batteriet: Den eneste strømkilden som er tilgjengelig i EV er selve batteriet. Så en BMS skal være designet for å drives av det samme batteriet som det skal beskytte og vedlikeholde. Dette høres kanskje enkelt ut, men det øker vanskeligheten med utformingen av BMS.
Mindre ideell kraft: En BMS skal være aktiv og kjøre selv om bilen går eller lader eller i ideell modus. Dette gjør at BMS-kretsen får strøm kontinuerlig, og det er derfor obligatorisk at BMS bruker mye mindre strøm for ikke å tømme batteriet mye. Når en EV ikke blir ladet i flere uker eller måneder, har BMS og andre kretser en tendens til å tømme batteriet av seg selv, og til slutt må de skrus eller lades før neste bruk. Dette problemet er fortsatt vanlig med selv populære biler som Tesla.
Galvanisk isolasjon: BMS fungerer som en bro mellom batteripakken og ECU til EV. All informasjonen som samles inn av BMS, må sendes til ECU for å vises på instrumentklyngen eller på dashbordet. Så BMS og ECU skal kontinuerlig kommunisere mest gjennom standardprotokollen som CAN-kommunikasjon eller LIN-buss. BMS-designen skal kunne gi en galvanisk isolasjon mellom batteripakken og ECU.
Datalogging: Det er viktig for BMS å ha en stor minnebank siden den må lagre mye data. Verdier som Sate-of-health SOH kan bare beregnes hvis ladeloggen til batteriet er kjent. Så BMS må spore ladesyklusene og ladetiden til batteripakken fra installasjonsdatoen, og avbryte disse dataene når det er nødvendig. Dette hjelper også til å gi kundeservice eller analysere et problem med EV for ingeniørene.
Nøyaktighet: Når en celle lades eller tømmes, øker eller avtar spenningen over den. Dessverre har utladningskurven (spenning mot tid) til et litiumbatteri flate områder, og derfor er endringen i spenning veldig mindre. Denne endringen må måles nøyaktig for å beregne verdien av SOC eller for å bruke den til cellebalansering. Et veldesignet BMS kan ha nøyaktighet så høyt som ± 0,2 mV, men det bør minimum ha en nøyaktighet på 1 mV-2 mV. Normalt brukes en 16-bit ADC i prosessen.
Behandlingshastighet: BMS for en EV må gjøre mye tallknusing for å beregne verdien av SOC, SOH osv. Det er mange algoritmer for å gjøre dette, og noen bruker til og med maskinlæring for å få oppgaven gjort. Dette gjør BMS til en prosesseringssulten enhet. Bortsett fra dette må den også måle cellespenningen over hundrevis av celler og legge merke til de subtile endringene nesten umiddelbart.
Byggesteiner i en BMS
Det er mange forskjellige typer BMS tilgjengelig i markedet, du kan enten designe en på egen hånd eller til og med kjøpe Integrated IC som er lett tilgjengelig. Fra et maskinvarestrukturperspektiv er det bare tre typer BMS basert på topologien de er Centralized BMS, distribuert BMS og Modular BMS. Imidlertid er funksjonen til disse BMS alle like. Et generisk batteristyringssystem er illustrert nedenfor.
BMS datainnsamling
La oss analysere funksjonsblokken ovenfor fra kjernen. Den primære funksjonen til BMS er å overvåke batteriet som det må måle tre viktige parametere for, for eksempel spenning, strøm og temperatur fra hver celle i batteripakken.. Vi vet at batteripakker er dannet ved å koble mange celler i serie eller parallell konfigurasjon, som Tesla har 8256 celler der 96 celler er koblet i serie og 86 er koblet parallelt for å danne en pakke. Hvis et sett med celler er koblet i serie, må vi måle spenningen over hver celle, men strømmen for hele settet vil være den samme siden strømmen vil være den samme i en seriekrets. Tilsvarende når et sett med celler er koblet parallelt, må vi bare måle hele spenningen siden spenningen over hver celle vil være den samme når den er koblet parallelt. Bildet nedenfor viser et sett med celler koblet i serie, du kan legge merke til spenningen og temperaturen som måles for individuelle celler, og pakkestrømmen måles som en helhet.
"Hvordan måler jeg cellespenning i BMS?"
Siden en typisk EV har et stort antall celler koblet sammen, er det litt utfordrende å måle den individuelle cellespenningen til en batteripakke. Men bare hvis vi kjenner den individuelle cellespenningen, kan vi utføre cellebalansering og gi cellebeskyttelse. For å lese spenningsverdien til en celle brukes en ADC. Men kompleksiteten er høy siden batteriene er koblet i serie. Det betyr at terminalene spenningen måles over må endres hver gang. Det er mange måter å gjøre dette på reléer, mikser osv. Bortsett fra dette er det også noe batteristyrings-IC som MAX14920 som kan brukes til å måle individuelle cellespenninger i flere celler (12-16) koblet i serie.
"Hvordan måler jeg celletemperaturen for BMS?"
Bortsett fra celletemperaturen, må BMS noen ganger også måle busstemperaturen og motortemperaturen siden alt fungerer på høy strøm. Det vanligste elementet som brukes til å måle temperaturen kalles en NTC, som står for negativ temperatur koeffektiv (NTC). Det ligner en motstand, men det endrer (reduserer) motstanden basert på temperaturen rundt den. Ved å måle spenningen over denne enheten og ved å bruke en enkel ohm-lov kan vi beregne motstanden og dermed temperaturen.
Multiplexed Analog Front End (AFE) for cellespenning og temperaturmåling
Måling av cellespenning kan bli kompleks siden det krever høy nøyaktighet og kan også injisere koblingslyder fra mux bortsett fra dette, hver celle er koblet til en motstand gjennom en bryter for cellebalansering. For å overvinne disse problemene brukes en AFE - Analog frontend IC. En AFE har innebygd Mux, buffer og ADC-modul med høy nøyaktighet. Det kan enkelt måle spenning og temperatur med vanlig modus og overføre informasjonen til hovedmikrocontrolleren.
"Hvordan måler jeg pakkestrøm for BMS?"
EV-batteripakken kan få en stor strømstyrke på opptil 250A eller til og med høy, bortsett fra dette må vi også måle strømmen til hver modul i pakken for å sikre at lasten fordeles jevnt. Mens vi designer det nåværende sensorelementet, må vi også sørge for isolasjon mellom måle- og sensingapparatet. Den mest brukte metoden for å registrere strøm er Shunt-metoden og den Hall-sensor-baserte metoden. Begge metodene har sine fordeler og ulemper. Tidligere shuntmetoder ble ansett som mindre nøyaktige, men med den nylige tilgjengeligheten av shuntsdesign med høy presisjon med isolerte forsterkere og modulatorer, er de mer foretrukne enn hall-sensor-basert metode.
Beregning av batteritilstand
Den største beregningskraften til en BMS er dedikert til å estimere batteritilstanden. Dette inkluderer måling av SOC og SOH. SOC kan beregnes ved hjelp av cellespenning, strøm, ladeprofil og utladningsprofil. SOH kan beregnes ved hjelp av antall ladesykluser og ytelse til batteriet.
"Hvordan måler jeg SOC på et batteri?"
Det er mange algoritmer for å måle SOC til et batteri, som hver har sine egne inngangsverdier. Den mest brukte metoden for SOC kalles Coulomb Counting aka alias bokføringsmetode. Vi vil diskutere