- Mengapa kita memerlukan Sistem Pengurusan Bateri (BMS)?
- Pertimbangan Reka Bentuk Sistem Pengurusan Bateri (BMS)
- Blok binaan BMS
- Pemerolehan Data BMS
- Multiplexed Analog Front End (AFE) untuk Voltan Sel dan Pengukuran Suhu
- Anggaran keadaan bateri
Pada 7 th Januari 2013, penerbangan Boeing 787 diletakkan untuk penyelenggaraan, semasa bahawa api perhatian mekanik dan asap yang datang dari unit kuasa tambahan (Lithium bateri pack) penerbangan, yang digunakan untuk kuasa sistem penerbangan elektronik. Usaha telah diambil untuk meletakkan api di luar, tetapi 10 hari kemudian sebelum isu ini boleh diselesaikan, pada 16 th Januari satu lagi kegagalan bateri berlaku dalam penerbangan yang dikendalikan oleh All Nippon Airways 787 yang menyebabkan pendaratan kecemasan di lapangan terbang Jepun. Kedua-dua kegagalan bateri yang sering berlaku menyebabkan penerbangan Boeing 787 Dreamliners dihancurkan selama-lamanya yang merosakkan reputasi pengeluar sehingga menyebabkan kerugian kewangan yang luar biasa.
Setelah satu siri siasatan bersama oleh AS dan Jepun, Bateri Lithium B-787 menjalani imbasan CT dan mendedahkan bahawa salah satu daripada lapan sel Li-ion rosak menyebabkan litar pintas yang memicu pelarian terma dengan api. Kejadian ini dapat dielakkan dengan mudah sekiranya sistem pengurusan Bateri Li-ion bateri dirancang untuk mengesan / mencegah litar pintas. Setelah beberapa perubahan reka bentuk dan peraturan keselamatan, B-787 mulai terbang lagi, namun kejadian itu tetap menjadi bukti untuk membuktikan betapa berbahayanya bateri litium jika tidak ditangani dengan baik.
Maju cepat 15 tahun, hari ini kita mempunyai kereta elektrik yang menggunakan bateri Li-ion yang sama yang dikemas bersama dalam ratus jika tidak beribu-ribu jumlahnya. Pek bateri besar ini dengan nilai voltan sekitar 300V duduk di dalam kereta dan membekalkan arus setinggi 300A (angka kasar) semasa operasi. Apa-apa kecelakaan di sini akan berakhir dengan bencana besar, sebab itulah sistem Pengurusan Bateri selalu ditekankan dalam EV. Oleh itu, dalam artikel ini kita akan mengetahui lebih lanjut mengenai Sistem Pengurusan Bateri ini (BMS) dan menguraikan untuk memahami reka bentuk dan fungsinya untuk memahaminya dengan lebih baik. Oleh kerana bateri dan BMS berkait rapat, sangat disarankan membaca artikel kami sebelumnya mengenai Kenderaan Elektrik dan bateri EV.
Mengapa kita memerlukan Sistem Pengurusan Bateri (BMS)?
Bateri Lithium-ion terbukti menjadi bateri menarik bagi pengeluar Kenderaan Elektrik kerana kepadatan caj tinggi dan beratnya rendah. Walaupun bateri ini mempunyai banyak pukulan untuk ukurannya, sifatnya sangat tidak stabil. Adalah sangat penting bahawa bateri ini tidak boleh terlalu lama diisi atau di bawah pengisian dalam keadaan apa pun yang memerlukan keperluan untuk memantau voltan dan arus. Proses ini menjadi lebih sukar kerana terdapat banyak sel yang disatukan untuk membentuk pek bateri dalam EV dan setiap sel harus dipantau secara individu untuk keselamatan dan operasi yang efisien yang memerlukan sistem khusus yang disebut Sistem Pengurusan Bateri. Untuk mendapatkan kecekapan maksimum dari pek bateri, kita harus mengisi dan melepaskan semua sel sepenuhnya pada masa yang sama pada voltan yang sama yang sekali lagi memerlukan BMS. Selain itu, BMS dipertanggungjawabkan untuk banyak fungsi lain yang akan dibincangkan di bawah.
Pertimbangan Reka Bentuk Sistem Pengurusan Bateri (BMS)
Terdapat banyak faktor yang perlu dipertimbangkan semasa merancang BMS. Pertimbangan yang lengkap bergantung pada aplikasi akhir yang tepat di mana BMS akan digunakan. Selain daripada BMS EV juga digunakan di mana sahaja bateri lithium terlibat seperti susunan panel solar, kincir angin, dinding kuasa dan lain-lain. Tanpa mengira aplikasi, reka bentuk BMS harus mempertimbangkan semua atau banyak faktor berikut.
Kawalan Pelepasan: Fungsi utama BMS adalah untuk menjaga sel-sel litium dalam kawasan operasi yang selamat. Sebagai contoh sel Lithium 18650 khas akan mempunyai nilai voltan bawah sekitar 3V. Tanggungjawab BMS adalah untuk memastikan bahawa tidak ada sel dalam bungkusan yang dikeluarkan di bawah 3V.
Pengendalian Pengisian: Selain daripada pengisian, proses pengisian juga harus dipantau oleh BMS. Sebilangan besar bateri cenderung rosak atau mengurangkan jangka hayat apabila dicas dengan tidak betul. Untuk pengecas bateri litium digunakan pengecas 2 peringkat. Tahap pertama disebut Arus Tetap (CC) di mana pengecas mengeluarkan arus tetap untuk mengecas bateri. Apabila bateri hampir penuh tahap kedua disebut Constant Voltage (CV)tahap digunakan semasa voltan berterusan dibekalkan ke bateri pada arus yang sangat rendah. BMS harus memastikan kedua-dua voltan dan arus semasa pengisian tidak melebihi had telap sehingga tidak mengecas berlebihan atau mengecas cepat bateri. Voltan pengecasan maksimum dan arus pengecasan boleh didapati di lembar data bateri.
Penentuan State-of-Charge (SOC): Anda boleh menganggap SOC sebagai penunjuk bahan bakar EV. Ini sebenarnya memberitahu kita kapasiti bateri pek dalam peratusan. Sama seperti telefon bimbit kami. Tetapi ia tidak semudah yang didengar. Voltan dan arus pengisian / pelepasan pek harus selalu dipantau untuk meramalkan kapasiti bateri. Setelah voltan dan arus diukur, terdapat banyak algoritma yang boleh digunakan untuk mengira SOC pek Bateri. Kaedah yang paling kerap digunakan adalah kaedah penghitungan coulomb; kita akan membincangkan lebih lanjut mengenai perkara ini kemudian dalam artikel. Mengukur nilai dan mengira SOC juga merupakan tanggungjawab BMS.
Penentuan Keadaan Kesihatan (SOC): Kapasiti bateri tidak hanya bergantung pada voltan dan profil semasa tetapi juga pada usia dan suhu operasi. Pengukuran SOH memberitahu kami mengenai usia dan jangka hayat jangka hayat bateri berdasarkan sejarah penggunaannya. Dengan cara ini kita dapat mengetahui berapa jarak tempuh (jarak yang ditempuh setelah pengisian penuh) EV berkurang seiring usia bateri dan juga kita dapat mengetahui kapan bateri harus diganti. SOH juga harus dikira dan dipantau oleh BMS.
Pengimbangan Sel: Fungsi penting lain dari BMS adalah menjaga keseimbangan sel. Sebagai contoh, dalam pek 4 sel yang disambungkan secara bersiri voltan keempat-empat sel harus selalu sama. Sekiranya satu sel kurang atau voltan tinggi daripada yang lain, ia akan mempengaruhi keseluruhan pek, katakan jika satu sel berada pada 3.5V sementara tiga sel yang lain berada pada 4V. Semasa mengecas ketiga sel ini akan mencapai 4.2V sementara yang lain hanya akan mencapai 3.7V sama sel ini akan menjadi yang pertama dikeluarkan ke 3V sebelum ketiga yang lain. Dengan cara ini, kerana sel tunggal ini semua sel lain dalam pek tidak dapat digunakan dengan potensi maksimum sehingga menjejaskan kecekapan.
Untuk mengatasi masalah ini, BMS harus melaksanakan sesuatu yang disebut pengimbangan sel. Terdapat banyak jenis teknik pengimbangan sel, tetapi yang biasa digunakan adalah pengimbangan sel jenis aktif dan pasif. Dalam pengimbangan pasif, idea adalah bahawa sel dengan voltan berlebihan akan dipaksa keluar melalui beban seperti perintang untuk mencapai nilai voltan sel lain. Semasa aktif mengimbangi sel yang lebih kuat akan digunakan untuk mengisi sel yang lebih lemah untuk menyamakan potensinya. Kami akan mengetahui lebih lanjut mengenai pengimbangan sel kemudian dalam artikel yang berbeza.
Kawalan Termal: Kehidupan dan kecekapan pek bateri Lithium sangat bergantung pada suhu operasi. The bateri cenderung untuk melaksanakan lebih cepat dalam iklim panas berbanding dengan suhu bilik biasa. Menambah ini penggunaan arus tinggi akan meningkatkan suhu. Ini memerlukan sistem termal (kebanyakannya minyak) dalam pek bateri. Sistem termal ini hanya dapat menurunkan suhu tetapi juga dapat meningkatkan suhu di iklim sejuk jika diperlukan. BMS bertanggungjawab untuk mengukur suhu sel individu dan mengawal sistem terma dengan sewajarnya untuk mengekalkan suhu keseluruhan pek bateri.
Dikuasakan dari Bateri itu sendiri: Satu-satunya sumber kuasa yang terdapat dalam EV adalah bateri itu sendiri. Oleh itu, BMS harus dirancang untuk dikuasakan oleh bateri yang sama yang seharusnya dilindungi dan dijaga. Ini mungkin terdengar sederhana tetapi ia meningkatkan kesukaran reka bentuk BMS.
Kekuatan Kurang Ideal: BMS harus aktif dan berjalan walaupun kereta berjalan atau mengecas atau dalam mod ideal. Ini menjadikan litar BMS dihidupkan secara berterusan dan oleh itu adalah wajib bahawa BMS menggunakan kuasa yang sangat sedikit agar tidak menghabiskan bateri dengan banyak. Apabila EV dibiarkan tidak diisi selama berminggu-minggu atau bulan, BMS dan litar lain cenderung menguras bateri sendiri dan akhirnya perlu digerakkan atau dicas sebelum penggunaan seterusnya. Masalah ini masih tetap berlaku dengan kereta popular seperti Tesla.
Pengasingan Galvanik: BMS bertindak sebagai jambatan antara pek Bateri dan ECU EV. Semua maklumat yang dikumpulkan oleh BMS harus dihantar ke ECU untuk dipaparkan di cluster instrumen atau di papan pemuka. Oleh itu, BMS dan ECU harus terus berkomunikasi melalui protokol standard seperti komunikasi CAN atau bas LIN. Reka bentuk BMS harus mampu memberikan pengasingan galvanik antara pek bateri dan ECU.
Pembalakan Data: Penting bagi BMS untuk memiliki bank memori yang besar kerana harus menyimpan banyak data. Nilai seperti SOH Kesihatan Sate boleh dikira hanya jika sejarah pengecasan bateri diketahui. Oleh itu, BMS harus mengesan kitaran pengecasan dan masa pengecasan pek bateri dari tarikh pemasangan, dan mengganggu data ini apabila diperlukan. Ini juga membantu dalam menyediakan perkhidmatan purna jual atau menganalisis masalah dengan EV untuk para jurutera.
Ketepatan: Semasa sel sedang dicas atau dikeluarkan voltan melintangnya meningkat atau menurun secara beransur-ansur. Sayangnya keluk pelepasan (Voltan vs masa) bateri litium mempunyai kawasan rata maka perubahan voltan sangat kurang. Perubahan ini harus diukur dengan tepat untuk mengira nilai SOC atau menggunakannya untuk pengimbangan sel. BMS yang dirancang dengan baik boleh mempunyai ketepatan setinggi ± 0.2mV tetapi minimum harus mempunyai ketepatan 1mV-2mV. Biasanya ADC 16-bit digunakan dalam proses tersebut.
Kelajuan Pemprosesan: BMS EV harus melakukan banyak bilangan untuk mengira nilai SOC, SOH dll. Terdapat banyak algoritma untuk melakukan ini, dan ada juga yang menggunakan pembelajaran mesin untuk menyelesaikan tugas. Ini menjadikan BMS sebagai alat lapar pemprosesan. Selain daripada itu, ia juga perlu mengukur voltan sel merentasi beratus-ratus sel dan melihat perubahan halus dengan segera.
Blok binaan BMS
Terdapat banyak jenis BMS yang tersedia di pasaran, anda boleh merancang sendiri atau membeli IC Bersepadu yang sudah tersedia. Dari perspektif struktur perkakasan hanya terdapat tiga jenis BMS berdasarkan topologinya iaitu BMS Berpusat, BMS diedarkan dan BMS Modular. Walau bagaimanapun, fungsi BMS ini serupa. Sistem Pengurusan Bateri generik digambarkan di bawah.
Pemerolehan Data BMS
Mari kita analisis blok fungsi di atas dari intinya. Fungsi utama BMS adalah untuk memantau Bateri yang diperlukannya untuk mengukur tiga parameter penting seperti voltan, arus dan suhu dari setiap sel dalam pek bateri. Kita tahu bahawa pek bateri dibentuk dengan menghubungkan banyak sel secara bersiri atau konfigurasi selari, seperti Tesla mempunyai 8,256 sel di mana 96 sel dihubungkan secara bersiri dan 86 sel dihubungkan secara selari untuk membentuk pek. Sekiranya satu set sel dihubungkan secara bersiri maka kita harus mengukur voltan di setiap sel tetapi arus untuk keseluruhan set akan sama kerana arus akan sama dalam rangkaian siri. Begitu juga apabila satu set sel disambungkan secara selari kita hanya perlu mengukur keseluruhan voltan kerana voltan di setiap sel akan sama apabila disambungkan secara selari. Gambar di bawah menunjukkan sekumpulan sel yang dihubungkan secara bersiri, anda dapat melihat voltan dan suhu yang diukur untuk setiap sel dan arus pek diukur secara keseluruhan.
"Bagaimana mengukur voltan sel di BMS?"
Oleh kerana EV biasa mempunyai sebilangan besar sel yang dihubungkan bersama, agak sukar untuk mengukur voltan sel individu pek bateri. Tetapi hanya jika kita mengetahui voltan sel individu, kita dapat melakukan pengimbangan sel dan memberikan perlindungan sel. Untuk membaca nilai voltan sel digunakan ADC. Tetapi kerumitan yang terlibat adalah tinggi kerana bateri dihubungkan secara bersiri. Maksud terminal di mana voltan diukur mesti diubah setiap masa. Terdapat banyak cara untuk melakukan ini yang melibatkan relay, muxes dll. Selain daripada itu terdapat juga beberapa IC pengurusan bateri seperti MAX14920 yang boleh digunakan untuk mengukur voltan sel individu dari beberapa sel (12-16) yang dihubungkan secara bersiri.
"Bagaimana mengukur Suhu sel untuk BMS?"
Terlepas dari suhu sel, kadang-kadang BMS juga harus mengukur suhu bas dan suhu motor kerana semuanya berfungsi pada arus tinggi. Unsur yang paling umum digunakan untuk mengukur suhu disebut NTC, yang bermaksud Negative Co-efisien (NTC). Ia serupa dengan perintang tetapi ia mengubah (menurunkan) rintangan berdasarkan suhu di sekelilingnya. Dengan mengukur voltan di seluruh peranti ini dan dengan menggunakan undang-undang ohm mudah, kita dapat mengira rintangan dan dengan itu suhu.
Multiplexed Analog Front End (AFE) untuk Voltan Sel dan Pengukuran Suhu
Mengukur voltan sel boleh menjadi rumit kerana memerlukan ketepatan yang tinggi dan mungkin juga menyuntikkan suara beralih dari mux selain ini setiap sel disambungkan ke perintang melalui suis untuk pengimbangan sel. Untuk mengatasi masalah ini digunakan IC AFE - Analog Front end. AFE mempunyai modul Mux, buffer dan ADC bawaan dengan ketepatan tinggi. Dengan mudah mengukur voltan dan suhu dengan mod biasa dan memindahkan maklumat ke mikrokontroler utama.
"Bagaimana mengukur arus pek untuk BMS?"
Pek Bateri EV dapat menghasilkan nilai arus yang besar hingga 250A atau bahkan tinggi, selain dari ini kita juga harus mengukur arus setiap modul dalam pek untuk memastikan beban diedarkan secara merata. Semasa merancang elemen penginderaan semasa, kita juga harus memberikan pengasingan antara alat pengukur dan penginderaan. Kaedah yang paling biasa digunakan untuk merasakan arus adalah kaedah Shunt dan kaedah berdasarkan sensor-Hall. Kedua-dua kaedah mempunyai kebaikan dan keburukan. Kaedah shunt sebelumnya dianggap kurang tepat, tetapi dengan adanya reka bentuk shunt ketepatan tinggi baru-baru ini dengan amplifier dan modulator terpencil, kaedah ini lebih disukai daripada kaedah berdasarkan sensor dewan.
Anggaran keadaan bateri
Kuasa komputasi utama BMS dikhaskan untuk mengira keadaan Bateri. Ini termasuk pengukuran SOC dan SOH. SOC dapat dikira menggunakan voltan sel, arus, profil pengecasan dan profil pengosongan. SOH dapat dikira dengan menggunakan jumlah kitaran cas dan prestasi bateri.
"Bagaimana mengukur SOC Bateri?"
Terdapat banyak algoritma untuk mengukur SOC bateri, masing-masing mempunyai nilai input tersendiri. Kaedah yang paling biasa digunakan untuk SOC dipanggil kaedah penyimpanan buku Coulomb Counting aka. Kami akan membincangkan