- Зашто нам је потребан систем за управљање батеријама (БМС)?
- Разматрања о дизајну система за управљање батеријама (БМС)
- Грађевински блокови БМС
- Прикупљање података о БМС-у
- Мултиплексирани аналогни предњи крај (АФЕ) за мерење напона и температуре ћелије
- Процена стања батерије
Дана 7. јануара 2013. године, авион Боеинг 787 био је паркиран на одржавање, током чега је механичар приметио пламен и дим који су долазили из помоћне погонске јединице (литијумска батерија) лета, која се користи за напајање електронских система лета. Напори су одведени у угасити ватру искључен, али 10 дана касније пред овом питању може да се реши, 16. -ог јануара још један неуспех батерија догодио у 787 лета управља Алл Ниппон Аирваис који је изазвао принудно на јапанском аеродрому. Ова два честа катастрофална квара на батеријама довела су до тога да је лет Боеинга 787 Дреамлинерс неограничен, што је умањило репутацију произвођача што је изазвало огромне финансијске губитке.
После низа заједничких истрага САД-а и Јапанаца, литијумска батерија Б-787 прошла је ЦТ скенирање и открила да је једна од осам Ли-јонских ћелија оштећена услед кратког споја који је пожар изазвао топлотни одбег. Овај инцидент могао би се лако избећи да је систем управљања батеријама Ли-ион батерија дизајниран за откривање / спречавање кратких спојева. После неких промена у дизајну и сигурносних прописа, Б-787 је поново почео да лети, али инцидент и даље остаје доказ који доказује колико опасне литијумске батерије могу добити ако се њима не рукује правилно.
Премотавамо унапред 15 година, данас имамо електричне аутомобиле који користе исте Ли-ион батерије које су спаковане у стотине, ако не и у хиљаде. Ови масивни акумулатори са напоном од око 300 В седе у аутомобилу и испоручују до 300А струје (грубе цифре) током рада. Свака несрећа овде завршила би у великој катастрофи, због чега је систем управљања батеријама увек наглашен у ЕВ-има. Тако ћемо у овом чланку сазнати више о овом систему за управљање батеријама (БМС) и разбити га да бисмо разумели његов дизајн и функције како бисмо га разумели много боље. Будући да су батерије и БМС блиско повезане, саветујемо вам да прођете кроз наше претходне чланке о електричним возилима и ЕВ батеријама.
Зашто нам је потребан систем за управљање батеријама (БМС)?
Литијум-јонске батерије су се показале као батерија од интереса за произвођаче електричних возила због велике густине напуњености и мале тежине. Иако се ове батерије спакују у велику величину, по природи су врло нестабилне. Веома је важно да ове батерије никада не буду пренапуњене или испражњене ни у каквим околностима које доводе до потребе праћења напона и струје. Овај процес постаје мало тежи, јер постоји пуно ћелија састављених да формирају батеријски пакет у ЕВ, а сваку ћелију треба појединачно надгледати ради њене сигурности и ефикасног рада што захтева посебан наменски систем назван Систем управљања батеријама. Такође, да бисмо добили максималну ефикасност из батеријског пакета, требали бисмо у потпуности напунити и испразнити све ћелије истовремено под истим напоном што опет захтева БМС. Поред овога, БМС је одговоран за многе друге функције о којима ће бити речи у наставку.
Разматрања о дизајну система за управљање батеријама (БМС)
Много је фактора које треба узети у обзир приликом дизајнирања БМС-а. Комплетна разматрања зависе од тачне крајње примене у којој ће се користити БМС. Осим ЕВ-ових БМС, користе се и свуда где је укључена литијумска батерија, као што су соларни панели, ветрењаче, зидови итд. Без обзира на примену, БМС дизајн треба да узме у обзир све или многе од следећих фактора.
Контрола пражњења: Примарна функција БМС-а је одржавање литијумових ћелија у сигурном оперативном подручју. На пример, типична литијумска ћелија 18650 имаће поднапон око 3В. Одговорност је БМС-а да осигура да се ниједна ћелија у пакету не испразни испод 3В.
Контрола пуњења: Осим пражњења, поступак пуњења треба да надгледа и БМС. Већина батерија обично се оштети или им се животни вијек смањи ако се неадекватно напуне. За пуњач литијумске батерије користи се двостепени пуњач. Прва фаза се назива константне струје (ЦЦ) у коме је пуњач на излазу сталну струју за пуњење батерије. Када се батерија скоро напуни, друга фаза назива се константни напон (ЦВ)користи се етапа током које се батерија напаја константним напоном при врло малој струји. БМС треба да осигура да и напон и струја током пуњења не прелазе пропусне границе како се батерије не би превише пуниле или брзо пуниле. Максимално дозвољени напон пуњења и струја пуњења могу се наћи у техничком листу батерије.
Одређивање стања напуњености (СОЦ): СОЦ можете сматрати индикатором горива ЕВ. Заправо нам говори капацитет батерије у процентима. Баш као и онај на нашем мобилном телефону. Али то није тако лако како звучи. Напон и струју пуњења / пражњења паковања увек треба надгледати како би се предвидео капацитет батерије. Једном када се измере напон и струја, постоји пуно алгоритама који се могу користити за израчунавање СОЦ батеријског пакета. Најчешће коришћена метода је метода пребројавања кулона; о томе ћемо разговарати даље у чланку. Мерење вредности и израчунавање СОЦ је такође одговорност БМС-а.
Одређивање здравственог стања (СОЦ): Капацитет батерије не зависи само од њеног напона и тренутног профила, већ и од старости и радне температуре. Мерење СОХ говори нам о старости и очекиваном животном циклусу батерије на основу историје употребе. На овај начин можемо знати колико се километража (пређена удаљеност након пуњења) ЕВ смањује са старењем батерије, а такође можемо знати и када треба заменити батерију. БМС такође треба да израчуна и одржи на евиденцији СОХ.
Балансирање ћелија: Још једна витална функција БМС је одржавање балансирања ћелија. На пример, у пакету од 4 ћелије повезане у серију, напон све четири ћелије увек треба да буде једнак. Ако је једна ћелија слабијег или високог напона од друге, то ће утицати на читав пакет, реците да ли је једна ћелија на 3,5 В, док су остале три на 4 В. Током пуњења ове три ћелије достићи ће 4,2 В, док би друга тек досегла 3,7 В, слично ће се ова ћелија прва испразнити на 3 В пре остале три. На овај начин, због ове једине ћелије, све остале ћелије у пакету не могу се искористити до максимума, чиме се угрожава ефикасност.
Да би се решио овог проблема, БМС мора да примени нешто што се назива балансирање ћелија. Постоји много врста техника балансирања ћелија, али најчешће се користе балансирање ћелија активног и пасивног типа. У пасивном балансирању идеја је да ћелије са вишком напона буду присилно пражњене кроз терет попут отпорника да достигну вредност напона осталих ћелија. Док су у активном балансирању, јаче ћелије ће се користити за пуњење слабијих ћелија да изједначе своје потенцијале. О балансирању ћелија сазнаћемо касније у другом чланку.
Термичка контрола: Животни век и ефикасност литијумских батерија у великој мери зависе од радне температуре. Батерија тежи да испуни брже у врућим климатским условима у поређењу са нормалним собним температурама. Додавањем овога потрошња јаке струје би додатно повећала температуру. То захтева термални систем (углавном уље) у батеријском пакету. Овај термални систем треба да буде у стању да смањи температуру, али такође треба да повећа температуру у хладној клими ако је потребно. БМС је одговоран за мерење температуре појединачне ћелије и у складу с тим контролише термални систем како би одржао укупну температуру батеријског пакета.
Напајање из саме батерије: Једини извор напајања који је доступан у ЕВ је сама батерија. Дакле, БМС би требало да буде пројектован тако да се напаја истом батеријом коју би требало да штити и одржава. Ово може звучати једноставно, али повећава потешкоће у дизајнирању БМС-а.
Мање идеална снага: БМС треба да буде активан и да ради чак и ако аутомобил ради, пуни се или је у идеалном режиму. То чини БМС круг непрекидним напајањем, па је стога неопходно да БМС троши врло мало енергије како се батерија не би испразнила много. Када ЕВ остане ненапуњен недељама или месецима, БМС и други склопови обично испразњују батерију и на крају је потребно да се окрену или напуне пре следеће употребе. Овај проблем и даље остаје уобичајен чак и код популарних аутомобила попут Тесле.
Галванска изолација: БМС делује као мост између батерије и ЕЦУ-а ЕВ. Све информације које БМС прикупи морају се послати у ЕЦУ да би се приказале на инструмент табли или на контролној табли. Дакле, БМС и ЕЦУ би требали континуирано комуницирати већином путем стандардног протокола попут ЦАН комуникације или ЛИН магистрале. БМС дизајн треба да буде способан да обезбеди галванску изолацију између батерија и ЕЦУ-а.
Записивање података: За БМС је важно да има велику меморијску банку, јер мора да складишти пуно података. Вредности попут СОХ здравственог стања могу се израчунати само ако је позната историја пуњења батерије. Дакле, БМС мора да прати циклусе пуњења и време пуњења батеријског пакета од датума инсталације и да по потреби прекида ове податке. Ово такође помаже у пружању услуга након продаје или анализирању проблема са ЕВ за инжењере.
Тачност: Када се ћелија пуни или празни, напон на њој се постепено повећава или смањује. На жалост, крива пражњења (напон у односу на време) литијумске батерије има равна подручја, па је промена напона веома мала. Ова промена мора се тачно измерити да би се израчунала вредност СОЦ или да би се користила за уравнотежење ћелија. Добро дизајнирани БМС могао би имати тачност до ± 0,2мВ, али би требало да има тачност од 1мВ-2мВ. У процесу се обично користи 16-битни АДЦ.
Брзина обраде: БМС ЕВ-а мора да изврши много бројања бројева да би израчунао вредност СОЦ, СОХ итд. Постоји много алгоритама за то, а неки чак користе и машинско учење да би обавили задатак. Ово чини БМС уређајем гладним за обраду. Поред тога, он такође мора да измери напон ћелије на стотинама ћелија и готово одмах примети суптилне промене.
Грађевински блокови БМС
На тржишту је доступно много различитих врста БМС-а, можете га сами дизајнирати или чак купити интегрисану ИЦ која је лако доступна. Из перспективе хардверске структуре, постоје само три типа БМС-а на основу његове топологије, то су централизовани БМС, дистрибуирани БМС и модуларни БМС. Међутим, функција ових БМС је слична. У наставку је приказан општи систем управљања батеријама.
Прикупљање података о БМС-у
Анализирајмо горњи функцијски блок из његовог језгра. Примарна функција БМС-а је надгледање батерије за коју је потребно измерити три витална параметра као што су напон, струја и температура из сваке ћелије у батеријском пакету. Знамо да се акумулаторски пакети формирају повезивањем многих ћелија у серији или паралелној конфигурацији, као што Тесла има 8.256 ћелија у којима је 96 ћелија повезано у серију, а 86 паралелно у паковање. Ако је скуп ћелија повезан у серију, тада морамо мерити напон на свакој ћелији, али струја за цео сет ће бити иста, јер ће струја бити иста у серијском колу. Слично томе, када је скуп ћелија повезан паралелно, морамо мерити само целокупан напон, јер ће напон на свакој ћелији бити једнак паралелно повезан. На слици испод приказан је низ ћелија повезаних у серију, можете приметити да се напон и температура мере за појединачне ћелије и да се струја у пакету мери у целини.
„Како измерити напон ћелије у БМС?“
Будући да типични ЕВ има велики број ћелија повезаних заједно, помало је изазовно мерити појединачни напон ћелије батеријског пакета. Али само ако знамо појединачни напон ћелије, можемо извршити балансирање ћелија и пружити заштиту ћелија. За очитавање вредности напона ћелије користи се АДЦ. Али сложеност је велика јер су батерије повезане у серију. То значи да се стезаљке на којима се мери напон морају мењати сваки пут. Постоји много начина да се то уради, укључујући релеје, муксеве итд. Осим тога, постоји и неки ИЦ за управљање батеријама, попут МАКС14920, који се може користити за мерење појединачних напона ћелија више ћелија (12-16) повезаних у серију.
„Како измерити температуру ћелије за БМС?“
Осим температуре ћелије, БМС понекад мора да мери и температуру сабирнице и температуру мотора, јер све ради на јакој струји. Најчешћи елемент који се користи за мерење температуре назива се НТЦ, што је скраћеница од негативне температуре коефицијента (НТЦ). Сличан је отпорнику, али свој отпор мења (смањује) на основу температуре око себе. Мерењем напона на овом уређају и применом једноставног закона ома можемо израчунати отпор, а тиме и температуру.
Мултиплексирани аналогни предњи крај (АФЕ) за мерење напона и температуре ћелије
Мерење напона ћелије може да се сложи, јер захтева високу тачност, а такође може да убризгава комутационе звукове из мешавине, осим што је свака ћелија повезана на отпорник преко прекидача за уравнотежење ћелија. Да би се превазишли ови проблеми користи се АФЕ - Аналог ИЦ предњи крај. АФЕ има уграђени Мук, бафер и АДЦ модул са великом тачношћу. Лако може измерити напон и температуру у уобичајеном режиму и пренети информације на главни микроконтролер.
„Како измерити јачину струје за БМС?“
ЕВ батерија може произвести велику вредност струје до 250А или чак високу, осим тога морамо мерити и струју сваког модула у пакету како бисмо били сигурни да је оптерећење равномерно распоређено. Приликом пројектовања тренутног сензорског елемента такође морамо обезбедити изолацију између мерног и сензорског уређаја. Најчешће коришћена метода за одређивање струје је Схунт метода и метода заснована на Халл-сензору. Обе методе имају своје добре и лоше стране. Раније методе ранжирања сматрале су се мање тачним, али с недавном доступношћу високо прецизних дизајна шантова са изолованим појачалима и модулаторима, оне су више префериране од методе засноване на Халл-сензору.
Процена стања батерије
Главна прорачунска снага БМС-а посвећена је процени стања батерије. То укључује мерење СОЦ и СОХ. СОЦ се може израчунати помоћу напона ћелије, струје, профила пуњења и профила пражњења. СОХ се може израчунати коришћењем броја циклуса пуњења и перформанси батерије.
„Како измерити СОЦ батерије?“
Постоји много алгоритама за мерење СОЦ батерије, од којих сваки има своје улазне вредности. Најчешће коришћена метода за СОЦ назива се Кулоново бројање, позната као књиговодствена метода. Ћемо дискутовати