Sähköajoneuvojen akunhallintajärjestelmä (bms)

7. ^nnen tammikuuta 2013 Boeing 787 lento oli pysäköity huollon aikana että mekaanikko huomannut liekkejä ja savua Aputehoyksikkö (litiumakkupakkaus) lennon, jota käytetään valtaa sähköinen lennon järjestelmiä. Ryhdyttiin laittaa tulen pois, mutta vähintään 10 päivää myöhemmin ennen tätä asiaa ei ole kyetty ratkaisemaan 16 ^th tammikuu toinen akkuvika tapahtui 787 lentoa liikennöi All Nippon Airways, joka aiheutti pakkolaskun klo Japanin lentokentällä. Nämä kaksi usein katastrofaalista akkuhäiriötä tekivät Boeing 787 Dreamliners -lennon maadoitettavaksi loputtomiin, mikä heikensi valmistajan mainetta aiheuttaen valtavia taloudellisia menetyksiä.

Yhdysvaltojen ja japanilaisten yhteisen tutkimuksen jälkeen B-787: n litiumparistopakkaus kävi läpi CT-tutkimuksen ja paljasti, että yksi kahdeksasta litiumionikennosta oli vaurioitunut aiheuttaen oikosulun, joka laukaisi lämpörauman tulella. Tämä tapaus olisi voitu helposti välttää, jos litiumioniakun akunhallintajärjestelmä on suunniteltu tunnistamaan / estämään oikosulut. Muutamien rakennemuutosten ja turvallisuusmääräysten jälkeen B-787 alkoi lentää uudelleen, mutta silti tapaus on todiste siitä, kuinka vaarallisia litiumakut voisivat saada, ellei niitä käsitellä oikein.

Nopeasti eteenpäin 15 vuotta, tänään meillä on sähköautoja, jotka käyttävät samoja litiumioniakkuja, jotka on pakattu yhteen sadassa, ellei tuhansessa. Nämä massiiviset akkupaketit, joiden jännite on noin 300 V, istuvat autossa ja syöttävät jopa 300 A: n (karkeat luvut) virran käytön aikana. Mahdollinen onnettomuus päätyisi suureen katastrofiin, minkä vuoksi akkuhallintajärjestelmään kohdistuu aina jännitteitä sähköautoissa. Joten tässä artikkelissa opimme lisää tästä akunhallintajärjestelmästä (BMS) ja erittelemme ymmärtämään sen suunnittelua ja toimintoja ymmärtämään sitä paljon paremmin. Koska akut ja BMS liittyvät läheisesti toisiinsa, on erittäin suositeltavaa tutustua aiempiin artikkeleihimme sähköajoneuvoista ja EV: n akuista.

Miksi tarvitsemme akunhallintajärjestelmän (BMS)?

Litiumioniakut ovat osoittautuneet kiinnostaviksi akuiksi sähköajoneuvojen valmistajille sen suuren lataustiheyden ja pienen painon vuoksi. Vaikka nämä akut ovat kooltaan paljon pakattavia, ne ovat luonteeltaan erittäin epävakaita. On erittäin tärkeää, että näitä paristoja ei koskaan saa ladata tai tyhjentää missään olosuhteissa, jotka aiheuttavat tarpeen seurata niiden jännitettä ja virtaa. Tämä prosessi muuttuu hieman kovemmaksi, koska on paljon soluja, jotka on koottu muodostamaan akku EV: ssä, ja jokaista kennoa on seurattava erikseen sen turvallisuuden ja tehokkaan toiminnan suhteen, mikä edellyttää erityistä erillistä järjestelmää nimeltä Battery Management System.. Jotta saisimme parhaan mahdollisen hyötysuhteen akusta, meidän tulisi ladata ja purkaa kaikki solut samanaikaisesti samalla jännitteellä, joka taas vaatii BMS: n. Tämän lisäksi BMS on vastuussa monista muista toiminnoista, joista keskustellaan jäljempänä.

Akunhallintajärjestelmän (BMS) suunnittelunäkökohdat

BMS: n suunnittelussa on otettava huomioon monia tekijöitä. Täydelliset näkökohdat riippuvat tarkasta loppusovelluksesta, jossa BMS: ää käytetään. EV: n lisäksi BMS: ää käytetään myös silloin, kun litiumakku on mukana, kuten aurinkopaneeliryhmä, tuulimyllyt, voimaseinät jne. BMS-suunnittelussa tulisi ottaa huomioon kaikki tai monet seuraavista tekijöistä sovelluksesta riippumatta.

Tyhjennyksen hallinta: BMS : n ensisijainen tehtävä on pitää litium-solut turvallisella toiminta-alueella. Esimerkiksi tyypillisen Lithium 18650 -kennon alijänniteluokka on noin 3 V. BMS: n vastuulla on varmistaa, ettei mikään pakkauksen soluista purkaudu alle 3 V: n.

Latauksen hallinta: Latauksen purkamisen lisäksi BMS: n tulisi myös seurata latausprosessia. Useimmat akut vahingoittuvat tai niiden käyttöikä lyhenee, kun niitä ladataan väärin. Litiumakkulaturissa käytetään 2-vaiheista laturia. Ensimmäinen vaihe on nimeltään Constant Current (CC), jonka aikana laturi vakiovirran akun lataamiseen. Kun akku on melkein täynnä, toinen vaihe, vakiojännite (CV)Vaihetta käytetään, jonka aikana tasainen jännite syötetään akkuun hyvin pienellä virralla. BMS: n tulisi varmistaa, että sekä jännite että virta latauksen aikana eivät ylitä läpäiseviä rajoja, jotta akut eivät lataudu liian nopeasti tai latautuisivat nopeasti. Suurin sallittu latausjännite ja latausvirta löytyvät akun datalehdestä.

Lataustilan (SOC) määrittäminen: Voit ajatella SOC: ta EV: n polttoaineindikaattoriksi. Se kertoo meille pakkauksen akun kapasiteetin prosentteina. Aivan kuten matkapuhelimessamme. Mutta se ei ole niin helppoa kuin miltä se kuulostaa. Pakkauksen jännitettä ja lataus- / purkausvirtaa tulisi aina tarkkailla akun kapasiteetin ennustamiseksi. Kun jännite ja virta on mitattu, on olemassa paljon algoritmeja, joita voidaan käyttää akun SOC-arvon laskemiseen. Yleisimmin käytetty menetelmä on coulomb-laskentamenetelmä; keskustelemme tästä lisää myöhemmin artikkelissa. Arvojen mittaaminen ja SOC: n laskeminen on myös BMS: n vastuulla.

Terveydentilan (SOC) määritys: Akun kapasiteetti ei riipu ainoastaan ​​sen jännitteestä ja virtaprofiilista, vaan myös iästä ja käyttölämpötilasta. SOH-mittaus kertoo meille akun iästä ja odotetusta elinkaaresta sen käyttöhistorian perusteella. Tällä tavalla voimme tietää, kuinka paljon EV: n mittarilukema (täyden latauksen jälkeen kuluva matka) pienenee akun ikääntyessä, ja voimme myös tietää, milloin akku tulisi vaihtaa. BMS: n on myös laskettava SOH ja pidettävä se radalla.

Solutasapaino: BMS : n toinen tärkeä tehtävä on ylläpitää solutasapainoa. Esimerkiksi sarjaan kytkettyjen 4 kennon pakkauksessa kaikkien neljän kennon jännitteen tulisi aina olla sama. Jos yksi kenno on pienempi tai korkeampaa jännitettä kuin toinen, se vaikuttaa koko pakkaukseen, esimerkiksi jos yksi kenno on 3,5 V: n jännitteellä, kun taas muut kolme on 4 V: n jännitteellä. Latauksen aikana nämä kolme kennoa saavuttavat 4,2 V, kun taas toinen olisi juuri saavuttanut 3,7 V: n. Vastaavasti tämä kenno purkautuu ensimmäisenä 3 V: een ennen kolmea muuta. Tällä tavoin tämän yhden solun takia kaikkia muita pakkauksen soluja ei voida käyttää maksimaaliseen potentiaaliinsa, mikä heikentää tehokkuutta.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi BMS: n on toteutettava jotain, jota kutsutaan solujen tasapainottamiseksi. Solujen tasapainottamistekniikoita on monenlaisia, mutta yleisesti käytetyt ovat aktiivisen ja passiivisen tyyppisiä solujen tasapainottamista. Passiivisessa tasapainotuksessa ajatus on, että ylijännitteiset kennot pakotetaan purkautumaan kuorman kaltaisen vastuksen kautta muiden solujen jännitearvon saavuttamiseksi. Aktiivisessa tasapainotuksessa vahvempia soluja käytetään lataamaan heikommat solut potentiaalinsa tasaamiseksi. Opimme lisää solujen tasapainottamisesta myöhemmin eri artikkelissa.

Lämpösäätö: Litiumakun käyttöikä ja tehokkuus riippuvat suuresti käyttölämpötilasta. Akku on taipumus purkautua nopeammin kuumassa ilmastossa verrattuna normaalissa huoneen lämpötilassa. Tämän lisääminen suuren virran kulutuksella nostaisi lämpötilaa entisestään. Tämä vaatii lämpöjärjestelmän (enimmäkseen öljyn) akkuun. Tämän lämpöjärjestelmän pitäisi pystyä vain laskemaan lämpötilaa, mutta sen on kyettävä myös tarvittaessa nostamaan lämpötilaa kylmässä ilmastossa. BMS vastaa yksittäisten kennojen lämpötilan mittaamisesta ja säätää lämpöjärjestelmää vastaavasti akkuyksikön kokonaislämpötilan ylläpitämiseksi.

Virtalähde itsestään akusta: Ainoa virtalähde, joka EV: ssä on käytettävissä, on itse akku. Joten BMS tulisi suunnitella toimimaan samalla akulla, jonka sen on tarkoitus suojata ja ylläpitää. Tämä saattaa kuulostaa yksinkertaiselta, mutta se lisää BMS: n suunnittelun vaikeuksia.

Vähemmän ihanteellinen teho: BMS: n tulisi olla aktiivinen ja käynnissä, vaikka auto olisi käynnissä tai latautuu tai ihanteellisessa tilassa. Tämä saa BMS-piirin toimimaan jatkuvasti, ja siksi on pakollista, että BMS kuluttaa hyvin vähemmän virtaa, jotta akku ei tyhjene paljon. Kun sähköauto jätetään lataamatta viikkoihin tai kuukausiin, BMS ja muut piirit pyrkivät tyhjentämään akun itsestään ja vaativat lopulta kampea tai latausta ennen seuraavaa käyttöä. Tämä ongelma on edelleen yleinen jopa suosittujen autojen, kuten Teslan, kanssa.

Galvaaninen eristys: BMS toimii siltana akun ja EV: n ECU: n välillä. Kaikki BMS: n keräämät tiedot on lähetettävä ECU: lle, jotta ne voidaan näyttää mittaristossa tai kojelaudassa. Joten BMS: n ja ECU: n tulisi olla jatkuvasti yhteydessä eniten vakioprotokollan, kuten CAN-tiedonsiirron tai LIN-väylän, kautta. BMS-rakenteen tulisi pystyä tarjoamaan galvaaninen eristys akun ja ECU: n välille.

Tiedonkeruu: BMS : lle on tärkeää, että sillä on suuri muistipankki, koska sen on tallennettava paljon tietoja. SOH: n kaltaiset arvot voidaan laskea vain, jos akun lataushistoria on tiedossa. Joten BMS: n on seurattava akun latausjaksoja ja latausaikaa asennuspäivästä lähtien ja keskeytettävä nämä tiedot tarvittaessa. Tämä auttaa myös tarjoamaan myynnin jälkeistä palvelua tai analysoimaan insinöörien EV-ongelmaa.

Tarkkuus: Kun kennoa ladataan tai puretaan, sen poikki oleva jännite kasvaa tai pienenee vähitellen. Valitettavasti litiumpariston purkauskäyrällä (Jännite vs. aika) on tasaiset alueet, joten jännitteen muutos on hyvin pieni. Tämä muutos on mitattava tarkasti SOC-arvon laskemiseksi tai sen käyttämiseksi solujen tasapainottamiseen. Hyvin suunnitellun BMS: n tarkkuus voi olla jopa ± 0,2 mV, mutta sen tulisi olla vähintään 1 mV - 2 mV. Normaalisti prosessissa käytetään 16-bittistä ADC: tä.

Käsittelynopeus: EV : n BMS: n on tehtävä paljon numeromurskausta SOC: n, SOH: n jne. Arvon laskemiseksi. Tätä varten on monia algoritmeja, ja jotkut jopa käyttävät koneoppimista tehtävän suorittamiseen. Tämä tekee BMS: stä prosessoinnin nälkäisen laitteen. Tämän lisäksi sen on myös mitattava solujännite satojen solujen yli ja havaittava hienovaraiset muutokset melkein välittömästi.

BMS: n rakennuspalikat

Markkinoilla on monia erilaisia ​​BMS-tyyppejä, voit joko suunnitella sellaisen itse tai jopa ostaa helposti saatavana olevan integroidun IC: n. Laitteistorakenteen näkökulmasta on vain kolme BMS-tyyppiä sen topologian perusteella: ne ovat keskitetty BMS, hajautettu BMS ja modulaarinen BMS. Näiden BMS: n toiminta on kuitenkin samanlainen. Alla on kuvattu yleinen akunhallintajärjestelmä.

BMS-tietojen hankinta

Analysoidaan edellä oleva toimintalohko ytimestään. BMS: n ensisijainen tehtävä on seurata akkua, jota varten sen on mitattava kolme elintärkeää parametria, kuten jännite, virta ja lämpötila akun jokaisesta solusta. Tiedämme, että akkupaketit muodostetaan yhdistämällä useita soluja sarjaan tai rinnakkain, kuten Teslassa on 8 256 solua, joissa 96 solua on kytketty sarjaan ja 86 on kytketty rinnakkain muodostaen paketin. Jos joukko soluja on kytketty sarjaan, meidän on mitattava jokaisen kennon jännite, mutta koko sarjan virta on sama, koska virta on sama sarjapiirissä. Vastaavasti kun joukko soluja on kytketty rinnakkain, meidän on mitattava vain koko jännite, koska jännite jokaisen kennon yli on sama, kun se kytketään rinnakkain. Alla olevassa kuvassa on sarja sarjaa kytkettyjä kennoja, voit huomata yksittäisille kennoille mitattavan jännitteen ja lämpötilan ja pakkausvirran mitattuna kokonaisuutena.

"Kuinka mitata solujännitettä BMS: ssä?"

Koska tyypillisessä sähköautossa on suuri määrä soluja kytkettynä toisiinsa, on vähän haastavaa mitata akun yksittäisen kennojännitteen. Mutta vain, jos tiedämme yksittäisen solujännitteen, voimme suorittaa solujen tasapainottamisen ja tarjota solujen suojauksen. Solun jännitearvon lukemiseen käytetään ADC: tä. Mutta monimutkaisuus on suuri, koska paristot on kytketty sarjaan. Tarkoittaen, että liittimiä, joiden yli jännite mitataan, on vaihdettava joka kerta. On olemassa monia tapoja tehdä tämä, mukaan lukien releet, muxit jne. Tämän lisäksi on myös joitain akunhallinta-IC: tä, kuten MAX14920, jota voidaan käyttää mittaamaan sarjaan kytkettyjen useiden solujen (12-16) yksittäisiä kennojännitteitä.

"Kuinka mitata solun lämpötilaa BMS: lle?"

Solun lämpötilan lisäksi joskus BMS: n on myös mitattava väylän lämpötila ja moottorin lämpötila, koska kaikki toimii suurella virralla. Yleisintä lämpötilan mittaamiseen käytettyä elementtiä kutsutaan NTC: ksi, joka tarkoittaa negatiivisen lämpötilan tehokasta (NTC). Se on samanlainen kuin vastus, mutta se muuttaa (vähentää) vastustaan ​​ympäröivän lämpötilan perusteella. Mittaamalla tämän laitteen jännite ja käyttämällä yksinkertaista ohmilakia voimme laskea vastuksen ja siten lämpötilan.

Multipleksoitu analoginen etupää (AFE) kennojännitteen ja lämpötilan mittaamiseen

Kennojännitteen mittaaminen voi olla monimutkaista, koska se vaatii suurta tarkkuutta ja saattaa myös injektoida kytkentäääniä muxista, lukuun ottamatta jokaista kennoa on kytketty vastukseen kytkimen avulla solujen tasapainottamista varten. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi käytetään AFE - analogista käyttöliittymän IC: tä. AFE: ssä on sisäänrakennettu Mux-, puskuri- ja ADC-moduuli erittäin tarkasti. Se pystyi helposti mittaamaan jännitteen ja lämpötilan yhteisellä tilalla ja siirtämään tiedot päämikrokontrolleriin.

"Kuinka mitata pakkausvirta BMS: lle?"

EV-akkupaketti voi tuottaa suuren arvon jopa 250 A: n tai jopa korkean virran, tämän lisäksi meidän on mitattava myös paketin jokaisen moduulin virta varmistaaksemme, että kuorma jakautuu tasaisesti. Suunnitellessamme nykyistä tunnistuselementtiä meidän on myös tarjottava eristys mittaus- ja anturilaitteen välille. Yleisimmin käytetty menetelmä virran havaitsemiseksi ovat Shunt-menetelmä ja Hall-anturiin perustuva menetelmä. Molemmilla menetelmillä on hyvät ja huonot puolensa. Aikaisempia shuntimenetelmiä pidettiin vähemmän tarkkoina, mutta koska viime aikoina oli saatavana erittäin tarkkoja shunttimalleja eristetyillä vahvistimilla ja modulaattoreilla, ne ovat edullisempia kuin hall-anturiin perustuva menetelmä.

Akun tilan arvio

BMS: n suurin laskentateho on omistettu arvioimaan akun tila. Tähän sisältyy SOC: n ja SOH: n mittaus. SOC voidaan laskea kennojännitteen, virran, latausprofiilin ja purkausprofiilin avulla. SOH voidaan laskea käyttämällä lataussyklin määrää ja akun suorituskykyä.

"Kuinka mitata akun SOC-arvo?"

Akun SOC-arvon mittaamiseksi on monia algoritmeja, joista jokaisella on omat tuloarvonsa. Yleisimmin käytetty menetelmä SOC: lle on nimeltään Coulomb Counting eli kirjanpitomenetelmä. Me tulemme keskustelemaan