Batterihanteringssystem (bms) för elfordon

Den 7 ^{: e} januari 2013 var en Boeing 787 flygning parkerad för underhåll, under att a mekaniker märkte flammor och rök som kommer från hjälpkraftaggregat (Litium batteri pack) av flygningen, som används för att driva de elektroniska flygsystem. Ansträngningar togs att sätta avfyra, men 10 dagar senare innan denna fråga kan lösas, den 16 ^{: e} januari annat batteri inträffade i en 787 flygning som drivs av All Nippon Airways som orsakade en nödlandning på japanska flygplatsen. Dessa två frekventa katastrofala batterifel gjorde att Boeing 787 Dreamliners-flygningen skulle jordas på obestämd tid vilket skadade tillverkarens rykte och orsakade enorma ekonomiska förluster.

Efter en serie gemensamma utredningar av USA och Japan gick Lithium-batteripaketet med B-787 genom en CT-skanning och avslöjade att en av de åtta Li-joncellerna skadades och orsakade en kortslutning som utlöste en termisk runaway med eld. Denna händelse kunde lätt ha undvikits om batterihanteringssystemet för Li-ion-batteripaketet var utformat för att upptäcka / förhindra kortslutning. Efter några designändringar och säkerhetsbestämmelser började B-787 flyga igen, men ändå är händelsen kvar som ett bevis för att bevisa hur farliga litiumbatterier kan bli om de inte hanteras ordentligt.

Snabbspolning framåt 15 år, idag har vi elbilar som använder samma Li-ion-batterier som är förpackade i hundra om inte tusentals i antal. Dessa massiva batteripaket med en spänning på cirka 300V sitter i bilen och levererar så höga som 300A (grova siffror) ström under drift. Varje olycka här skulle hamna i en stor katastrof, varför batterihanteringssystemet alltid är stressat i EV. Så i den här artikeln kommer vi att lära oss mer om detta batterihanteringssystem (BMS) och bryta ner för att förstå dess design och funktioner för att förstå det mycket bättre. Eftersom batterierna och BMS är nära besläktade rekommenderas det att gå igenom våra tidigare artiklar om elfordon och EV: s batterier.

Varför behöver vi ett batterihanteringssystem (BMS)?

Litiumjonbatterierna har visat sig vara ett intressant batteri för elfordonstillverkare på grund av dess höga laddningstäthet och låga vikt. Även om dessa batterier packas mycket för sin storlek är de mycket instabila till sin natur. Det är mycket viktigt att dessa batterier aldrig får överladdas eller laddas ur under några omständigheter som medför behovet av att övervaka dess spänning och ström. Denna process blir lite tuffare eftersom det finns många celler ihop för att bilda ett batteripaket i EV och varje cell bör övervakas individuellt för sin säkerhet och effektiva drift, vilket kräver ett speciellt dedikerat system som kallas Battery Management System. För att få maximal effektivitet från ett batteripaket bör vi ladda och ladda ur alla celler samtidigt samtidigt med samma spänning som återigen kräver en BMS. Bortsett från detta hålls BMS ansvarig för många andra funktioner som kommer att diskuteras nedan.

Batterihanteringssystem (BMS) Designöverväganden

Det finns många faktorer som ska beaktas när man utformar en BMS. De fullständiga övervägandena beror på den exakta slutapplikationen där BMS kommer att användas. Bortsett från EV: s BMS används också överallt där ett litiumbatteripaket är involverat, såsom solpaneler, väderkvarnar, elväggar etc. Oavsett applikation bör en BMS-design beakta alla eller många av följande faktorer.

Urladdningskontroll: Den primära funktionen för en BMS är att hålla litiumcellerna inom det säkra arbetsområdet. Till exempel kommer en typisk litium 18650-cell att ha en underspänning på cirka 3V. Det är BMS: s ansvar att se till att ingen av cellerna i förpackningen släpps ut under 3V.

Laddningskontroll: Förutom urladdningen bör laddningsprocessen också övervakas av BMS. De flesta batterier tenderar att skadas eller minskas under livslängden när de laddas felaktigt. För litiumbatteriladdare används en tvåstegsladdare. Det första steget kallas konstant ström (CC) under vilken laddaren matar ut en konstant ström för att ladda batteriet. När batteriet blir nästan fullt så kallas det andra steget Constant Voltage (CV)används under vilken en konstant spänning tillförs batteriet med en mycket låg ström. BMS bör se till att både spänningen och strömmen under laddningen inte överskrider permeabla gränser för att inte ladda batterierna för snabbt eller snabbt. Den maximalt tillåtna laddningsspänningen och laddningsströmmen finns i batteriets datablad.

Bestämning av laddningsstatus (SOC): Du kan tänka på SOC som bränsleindikatorn för EV. Det berättar faktiskt batteriets kapacitet i procent. Precis som den i vår mobiltelefon. Men det är inte så enkelt som det låter. Packningens spänning och laddnings- / urladdningsström bör alltid övervakas för att förutsäga batteriets kapacitet. När spänningen och strömmen har mätts finns det många algoritmer som kan användas för att beräkna batteriets SOC. Den vanligaste metoden är räkningsmetoden för coulomb; vi kommer att diskutera mer om detta senare i artikeln. Att mäta värdena och beräkna SOC är också ett BMS ansvar.

Bestämning av hälsotillstånd (SOC): Batteriets kapacitet beror inte bara på dess spänning och strömprofil utan också på dess ålder och driftstemperatur. SOH-mätningen berättar om batteriets ålder och förväntade livscykel baserat på dess användningshistorik. På så sätt kan vi veta hur mycket körsträcka (sträcka täckt efter full laddning) av EV minskar när batteriet åldras och vi kan också veta när batteriet ska bytas ut. SOH bör också beräknas och hållas i spår av BMS.

Cellbalansering: En annan viktig funktion hos ett BMS är att upprätthålla cellbalansering. Till exempel, i ett paket med 4 celler som är anslutna i serie ska spänningen för alla de fyra cellerna alltid ha lika. Om en cell är mindre eller hög spänning än den andra kommer det att påverka hela förpackningen, säg om en cell är vid 3,5V medan de andra tre är vid 4V. Under laddning kommer dessa tre celler att uppnå 4,2 V medan den andra precis hade nått 3,7 V på samma sätt kommer denna cell att vara den första som laddas ur till 3 V före de andra tre. På detta sätt kan alla andra celler i förpackningen inte utnyttjas till sin maximala potential på grund av denna enda cell och därmed komprometterar effektiviteten.

För att hantera detta problem måste BMS implementera något som kallas cellbalansering. Det finns många typer av cellbalanseringstekniker, men de vanligaste är den aktiva och passiva cellbalanseringen. Vid passiv balansering är tanken att cellerna med överspänning kommer att tvingas urladdas genom ett belastningsliknande motstånd för att nå spänningsvärdet för de andra cellerna. Under aktiv balansering kommer de starkare cellerna att användas för att ladda de svagare cellerna för att utjämna deras potential. Vi lär oss mer om cellbalansering senare i en annan artikel.

Värmekontroll: Livslängden och effektiviteten för ett litiumbatteripaket beror mycket på driftstemperaturen. Den Batteriet tenderar att ladda ur snabbare i varma klimat jämfört med normal rumstemperatur. Om du lägger till detta kommer förbrukningen av hög ström att öka temperaturen ytterligare. Detta kräver ett termiskt system (mestadels olja) i ett batteripaket. Detta termiska system bör bara kunna sänka temperaturen men bör också kunna öka temperaturen i kalla klimat om det behövs. BMS är ansvarig för att mäta den enskilda celltemperaturen och kontrollera det termiska systemet i enlighet med detta för att bibehålla batteriets totala temperatur.

Drivs från själva batteriet: Den enda strömkällan som finns i EV är själva batteriet. Så en BMS bör utformas för att drivas av samma batteri som den ska skydda och underhålla. Det här låter kanske enkelt men det ökar svårigheten att utforma BMS.

Mindre idealisk effekt: En BMS ska vara aktiv och köra även om bilen går eller laddas eller i idealläge. Detta gör att BMS-kretsen drivs kontinuerligt och därför är det obligatoriskt att BMS förbrukar mycket mindre ström för att inte tömma batteriet mycket. När en EV lämnas oladdad i flera veckor eller månader tenderar BMS och andra kretsar att tömma batteriet av sig själva och så småningom måste det vridas eller laddas innan nästa användning. Detta problem är fortfarande vanligt hos även populära bilar som Tesla.

Galvanisk isolering: BMS fungerar som en brygga mellan batteripaketet och ECU: n för EV. All information som samlas in av BMS måste skickas till styrenheten för att visas på instrumentgruppen eller på instrumentpanelen. Så BMS och ECU bör kontinuerligt kommunicera mest genom standardprotokollet som CAN-kommunikation eller LIN-buss. BMS-designen bör kunna ge en galvanisk isolering mellan batteripaketet och styrenheten.

Dataloggning: Det är viktigt för BMS att ha en stor minnesbank eftersom den måste lagra mycket data. Värden som Sate-of-health SOH kan bara beräknas om batteriets laddningshistorik är känd. Så BMS måste spåra batteriets laddningscykler och laddningstid från installationsdatumet och avbryta dessa data när det behövs. Detta hjälper också till att tillhandahålla kundservice eller analysera ett problem med EV för ingenjörerna.

Noggrannhet: När en cell laddas eller laddas ut spänningen över den ökar eller minskar gradvis. Tyvärr har urladdningskurvan (spänning mot tid) för ett litiumbatteri platta områden, varför spänningsförändringen är mycket mindre. Denna förändring måste mätas exakt för att beräkna värdet av SOC eller för att använda den för cellbalansering. En väldesignad BMS kan ha en noggrannhet så hög som ± 0,2 mV men den bör minst ha en noggrannhet på 1 mV-2 mV. Normalt används en 16-bitars ADC i processen.

Bearbetningshastighet: BMS i en EV måste göra en hel del siffror för att beräkna värdet av SOC, SOH etc. Det finns många algoritmer för att göra detta, och vissa använder till och med maskininlärning för att få uppgiften klar. Detta gör BMS till en bearbetande hungrig enhet. Bortsett från detta måste den också mäta cellspänningen över hundratals celler och märka de subtila förändringarna nästan omedelbart.

Byggstenar i en BMS

Det finns många olika typer av BMS tillgängliga på marknaden, du kan antingen designa en på egen hand eller till och med köpa den integrerade IC som är lätt tillgänglig. Ur ett hårdvarustrukturperspektiv finns det bara tre typer av BMS baserat på dess topologi, de är centraliserade BMS, distribuerade BMS och modulära BMS. Men dessa BMS-funktioner liknar alla. Ett generiskt batterihanteringssystem illustreras nedan.

BMS-datainsamling

Låt oss analysera ovanstående funktionsblock från dess kärna. BMS primära funktion är att övervaka batteriet för vilket det måste mäta tre viktiga parametrar, såsom spänning, ström och temperatur från varje cell i batteripaketet. Vi vet att batteripaket bildas genom att ansluta många celler i serie eller parallellkonfiguration, som Tesla har 8 256 celler där 96 celler är anslutna i serie och 86 är anslutna parallellt för att bilda ett paket. Om en uppsättning celler är anslutna i serie måste vi mäta spänningen över varje cell men strömmen för hela uppsättningen kommer att vara densamma eftersom strömmen kommer att vara densamma i en seriekrets. På samma sätt när en uppsättning celler är anslutna parallellt måste vi bara mäta hela spänningen eftersom spänningen över varje cell kommer att vara densamma när den är parallellkopplad. Bilden nedan visar en uppsättning celler kopplade i serie, du kan märka att spänningen och temperaturen mäts för enskilda celler och packströmmen mäts som en helhet.

"Hur mäter jag cellspänning i BMS?"

Eftersom en typisk EV har ett stort antal celler kopplade ihop, är det lite utmanande att mäta batteriets individuella cellspänning. Men bara om vi känner till den enskilda cellspänningen kan vi utföra cellbalansering och ge cellskydd. För att läsa spänningsvärdet för en cell används en ADC. Men komplexiteten är hög eftersom batterierna är seriekopplade. Det betyder att terminalerna över vilka spänningen mäts måste ändras varje gång. Det finns många sätt att göra detta med reläer, muxer etc. Bortsett från detta finns det också en del batterihanterings-IC som MAX14920 som kan användas för att mäta individuella cellspänningar i flera celler (12-16) kopplade i serie.

"Hur mäter jag celltemperaturen för BMS?"

Bortsett från celltemperaturen måste BMS ibland också mäta busstemperaturen och motortemperaturen eftersom allt fungerar med hög ström. Det vanligaste elementet som används för att mäta temperaturen kallas en NTC, som står för negativ temperatur koeffektiv (NTC). Det liknar ett motstånd men det ändrar (minskar) dess motstånd baserat på temperaturen runt det. Genom att mäta spänningen över denna enhet och genom att använda en enkel ohm-lag kan vi beräkna motståndet och därmed temperaturen.

Multiplexed Analog Front End (AFE) för cellspänning och temperaturmätning

Mätning av cellspänning kan bli komplex eftersom det kräver hög noggrannhet och kan också injicera omkopplingsljud från mux bortsett från detta, varje cell är ansluten till ett motstånd genom en omkopplare för cellbalansering. För att övervinna dessa problem används en AFE - Analog frontend IC. En AFE har inbyggd Mux, buffert och ADC-modul med hög noggrannhet. Det kan enkelt mäta spänningen och temperaturen med vanligt läge och överföra informationen till huvudmikrokontrollern.

"Hur mäter jag packström för BMS?"

EV-batteripaketet kan få ett stort strömvärde upp till 250A eller till och med högt, förutom detta måste vi också mäta strömmen för varje modul i förpackningen för att säkerställa att lasten fördelas jämnt. Vid utformningen av det aktuella avkänningselementet måste vi också tillhandahålla isolering mellan mät- och avkänningsanordningen. Den vanligaste metoden för att känna av ström är Shunt-metoden och Hall-sensor-baserad metod. Båda metoderna har sina för- och nackdelar. Tidigare shuntmetoder ansågs vara mindre exakta, men med den senaste tidens tillgänglighet av högprecisions shuntdesigner med isolerade förstärkare och modulatorer är de mer föredragna än hall-sensorbaserad metod.

Uppskattning av batteriets tillstånd

Den huvudsakliga beräkningskraften för en BMS är avsedd att uppskatta batteriets tillstånd. Detta inkluderar mätning av SOC och SOH. SOC kan beräknas med hjälp av cellspänning, ström, laddningsprofil och urladdningsprofil. SOH kan beräknas med hjälp av antalet laddningscykler och batteriets prestanda.

"Hur mäter jag ett batteris SOC?"

Det finns många algoritmer för att mäta SOC för ett batteri, var och en har sina egna ingångsvärden. Den mest använda metoden för SOC kallas Coulomb Counting aka bokföringsmetoden. Vi ska diskutera