Accubeheersysteem (bms) voor elektrische voertuigen

Op 7 ^e januari 2013 was een Boeing 787 vlucht geparkeerd voor onderhoud, tijdens die een monteur opgemerkt vlammen en rook uit de Hulpaggregaat (Lithium batterij Pack) van de vlucht, die wordt gebruikt om de macht van de electronic flight-systemen. De inspanningen werden genomen om het vuur uit te stellen, maar 10 dagen later voor dit probleem kan worden opgelost, op 16 ^th januari een andere batterij fout is opgetreden in een 787 vlucht die wordt uitgevoerd door All Nippon Airways, die een noodlanding op de Japanse luchthaven veroorzaakt. Deze twee frequente catastrofale batterijstoringen zorgden ervoor dat de vlucht van de Boeing 787 Dreamliners voor onbepaalde tijd aan de grond zat, wat de reputatie van de fabrikant aantastte en enorme financiële verliezen veroorzaakte.

Na een reeks van gezamenlijk onderzoek door de VS en Japanners onderging het lithiumbatterijpak van de B-787 een CT-scan en onthulde dat een van de acht Li-ioncellen beschadigd was, wat een kortsluiting veroorzaakte die een thermische vlucht met vuur veroorzaakte. Dit incident had gemakkelijk kunnen worden voorkomen als het batterijbeheersysteem van het Li-ion-batterijpakket was ontworpen om kortsluiting te detecteren / voorkomen. Na enkele ontwerpwijzigingen en veiligheidsvoorschriften begon de B-787 weer te vliegen, maar het incident blijft nog steeds als bewijs om te bewijzen hoe gevaarlijk lithiumbatterijen kunnen worden als ze niet correct worden gehanteerd.

15 jaar vooruitspoelen, vandaag hebben we elektrische auto's die dezelfde Li-ion-batterijen gebruiken die samen in honderd, zo niet duizenden in aantal zijn verpakt. Deze massieve accupacks met een nominale spanning van ongeveer 300 V zitten in de auto en leveren tijdens het gebruik een stroom van 300 A (ruwe cijfers). Elk ongeluk hier zou eindigen in een grote ramp, en daarom wordt het batterijbeheersysteem altijd benadrukt in EV's. In dit artikel zullen we dus meer leren over dit batterijbeheersysteem (BMS) en zullen we het ontwerp en de functies ervan opsplitsen om het veel beter te begrijpen. Omdat de batterijen en BMS nauw verwant zijn, wordt het ten zeerste aangeraden om onze eerdere artikelen over elektrische voertuigen en EV's-batterijen door te nemen.

Waarom hebben we een Battery Management System (BMS) nodig?

De lithium-ionbatterijen zijn de interessante batterij van fabrikanten van elektrische voertuigen vanwege de hoge ladingsdichtheid en het lage gewicht. Hoewel deze batterijen vanwege hun formaat veel kracht hebben, zijn ze zeer onstabiel van aard. Het is erg belangrijk dat deze batterijen nooit te veel worden opgeladen of ontladen onder welke omstandigheid dan ook dat het nodig is om de spanning en stroom te controleren. Dit proces wordt een beetje moeilijker omdat er veel cellen zijn samengesteld om een ​​batterijpakket in EV te vormen en elke cel afzonderlijk moet worden gecontroleerd op zijn veiligheid en efficiënte werking, waarvoor een speciaal speciaal systeem nodig is, het batterijbeheersysteem.. Om ook het maximale rendement uit een accupakket te halen, moeten we alle cellen tegelijkertijd volledig opladen en ontladen met dezelfde spanning, wat opnieuw een GBS vereist. Afgezien hiervan wordt de BMS verantwoordelijk gehouden voor vele andere functies die hieronder worden besproken.

Overwegingen bij het ontwerp van het batterijbeheersysteem (BMS)

Er zijn veel factoren waarmee u rekening moet houden bij het ontwerpen van een BMS. De volledige overwegingen zijn afhankelijk van de exacte eindtoepassing waarin het BMS zal worden gebruikt. Afgezien van EV's BMS worden ook overal gebruikt waar een lithiumbatterijpak is betrokken, zoals een zonnepaneel, windmolens, elektriciteitsmuren enz. Ongeacht de toepassing moet een BMS-ontwerp rekening houden met alle of veel van de volgende factoren.

Ontladingscontrole: De primaire functie van een GBS is om de lithiumcellen binnen het veilige werkgebied te houden. Een typische Lithium 18650-cel heeft bijvoorbeeld een onderspanning van ongeveer 3V. Het is de verantwoordelijkheid van de BMS om ervoor te zorgen dat geen van de cellen in de verpakking onder 3V wordt ontladen.

Laadcontrole: Behalve het ontladen moet het laadproces ook worden gecontroleerd door het BMS. De meeste batterijen hebben de neiging beschadigd te raken of een kortere levensduur te krijgen wanneer ze niet correct worden opgeladen. Voor de lithiumbatterijlader wordt een 2-traps lader gebruikt. De eerste fase wordt de constante stroom (CC) genoemd, waarbij de lader een constante stroom afgeeft om de batterij op te laden. Wanneer de batterij bijna vol raakt, wordt de tweede fase de constante spanning (CV) genoemdfase wordt gebruikt waarin een constante spanning wordt geleverd aan de batterij met een zeer lage stroom. Het BMS moet ervoor zorgen dat zowel de spanning als de stroom tijdens het opladen de doorlaatbare limieten niet overschrijden om de batterijen niet te veel of snel op te laden. De maximaal toegestane laadspanning en laadstroom vindt u in het datablad van de accu.

State-of-Charge (SOC) bepaling: U kunt SOC beschouwen als de brandstofindicator van de EV. Het vertelt ons eigenlijk de batterijcapaciteit van het pakket in procenten. Net als die in onze mobiele telefoon. Maar het is niet zo eenvoudig als het klinkt. De spanning en laad- / ontlaadstroom van het pakket moeten altijd worden gecontroleerd om de capaciteit van de batterij te voorspellen. Nadat de spanning en stroom is gemeten, zijn er veel algoritmen die kunnen worden gebruikt om de SOC van het batterijpakket te berekenen. De meest gebruikte methode is de coulomb-telmethode; we zullen hierover later in het artikel meer bespreken. Het meten van de waarden en het berekenen van de SOC valt ook onder de verantwoordelijkheid van een BVK.

State-of-Health (SOC) bepaling: De capaciteit van de accu is niet alleen afhankelijk van het spannings- en stroomprofiel, maar ook van de leeftijd en bedrijfstemperatuur. De SOH-meting vertelt ons over de leeftijd en verwachte levensduur van de batterij op basis van de gebruiksgeschiedenis. Op deze manier kunnen we weten hoeveel de kilometerstand (afgelegde afstand na volledig opladen) van de EV vermindert naarmate de batterij ouder wordt en kunnen we ook weten wanneer de batterij moet worden vervangen. De SOH moet ook worden berekend en bijgehouden door de BMS.

Celbalancering: een andere vitale functie van een BMS is het handhaven van celbalans. Bijvoorbeeld, in een pakket van 4 cellen die in serie zijn geschakeld, moet de spanning van alle vier de cellen altijd gelijk zijn. Als een cel minder of een hoge spanning heeft dan de andere, heeft dit invloed op het hele pakket, bijvoorbeeld als een cel op 3,5 V staat en de andere drie op 4 V. Tijdens het opladen zullen deze drie cellen 4,2 V bereiken, terwijl de andere net 3,7 V zou hebben bereikt, op dezelfde manier zal deze cel als eerste ontladen worden tot 3 V voor de andere drie. Op deze manier kunnen, vanwege deze enkele cel, alle andere cellen in het pakket niet maximaal worden gebruikt, waardoor de efficiëntie in gevaar komt.

Om dit probleem op te lossen, moet de BMS iets implementeren dat celbalancering wordt genoemd. Er zijn veel soorten celbalanceringstechnieken, maar de meest gebruikte zijn de actieve en passieve celbalancering. Bij passief balanceren is het de bedoeling dat de cellen met een te hoge spanning worden ontladen via een belastingachtige weerstand om de spanningswaarde van de andere cellen te bereiken. Bij het actief balanceren zullen de sterkere cellen worden gebruikt om de zwakkere cellen op te laden om hun potentiaal gelijk te maken. We zullen later in een ander artikel meer leren over celbalancering.

Thermische controle: de levensduur en efficiëntie van een lithiumbatterij is sterk afhankelijk van de bedrijfstemperatuur. De batterij heeft de neiging sneller te ontladen in warme klimaten in vergelijking met normale kamertemperatuur. Daarbij zou het verbruik van hoge stroom de temperatuur verder verhogen. Dit vraagt ​​om een ​​thermisch systeem (meestal olie) in een batterijpakket. Dit thermische systeem zou alleen in staat moeten zijn om de temperatuur te verlagen, maar zou indien nodig ook de temperatuur in koude klimaten moeten kunnen verhogen. Het BMS is verantwoordelijk voor het meten van de individuele celtemperatuur en regelt het thermische systeem dienovereenkomstig om de algehele temperatuur van het batterijpakket te behouden.

Aangedreven door de batterij zelf: de enige voedingsbron die beschikbaar is in de EV is de batterij zelf. Een BMS moet dus worden ontworpen om te worden gevoed door dezelfde batterij die het moet beschermen en onderhouden. Dit klinkt misschien simpel, maar het vergroot de moeilijkheidsgraad van het ontwerp van de BMS.

Minder ideaal vermogen: een BMS moet actief en actief zijn, zelfs als de auto loopt of oplaadt of in de ideale modus. Dit zorgt ervoor dat het BMS-circuit continu wordt gevoed en daarom is het verplicht dat het BMS heel weinig stroom verbruikt om de batterij niet veel te laten leeglopen. Wanneer een EV weken of maanden niet wordt opgeladen, hebben het BMS en andere circuits de neiging om de batterij zelf leeg te laten lopen en moeten ze uiteindelijk worden aangezwengeld of opgeladen voor het volgende gebruik. Dit probleem komt nog steeds vaak voor bij zelfs populaire auto's zoals Tesla.

Galvanische isolatie: het BMS fungeert als een brug tussen het accupakket en de ECU van de EV. Alle informatie die door het BMS wordt verzameld, moet naar de ECU worden gestuurd om op het instrumentenpaneel of op het dashboard te worden weergegeven. Het BMS en de ECU moeten dus continu communiceren via het standaardprotocol zoals CAN-communicatie of LIN-bus. Het BMS-ontwerp moet in staat zijn om een ​​galvanische isolatie te bieden tussen het batterijpakket en de ECU.

Datalogging: Het is belangrijk voor het BMS om een ​​grote geheugenbank te hebben aangezien het veel data moet opslaan. Waarden zoals de Sate-of-Health SOH kunnen alleen worden berekend als de oplaadgeschiedenis van de batterij bekend is. Het BMS moet dus de laadcycli en laadtijd van het batterijpakket vanaf de installatiedatum bijhouden en deze gegevens indien nodig onderbreken. Dit helpt ook bij het verlenen van after sales service of het analyseren van een probleem met de EV voor de ingenieurs.

Nauwkeurigheid: wanneer een cel wordt opgeladen of ontladen, neemt de spanning erover geleidelijk toe of af. Helaas heeft de ontladingscurve (spanning versus tijd) van een lithiumbatterij vlakke gebieden, waardoor de verandering in spanning veel minder is. Deze verandering moet nauwkeurig worden gemeten om de waarde van SOC te berekenen of om deze te gebruiken voor celbalancering. Een goed ontworpen GBS kan een nauwkeurigheid hebben van wel ± 0,2 mV, maar moet minimaal een nauwkeurigheid hebben van 1 mV-2 mV. Normaal gesproken wordt in het proces een 16-bits ADC gebruikt.

Verwerkingssnelheid: het BMS van een EV moet veel rekenwerk doen om de waarde van SOC, SOH enz. Te berekenen. Er zijn veel algoritmen om dit te doen, en sommige gebruiken zelfs machine learning om de taak uit te voeren. Dit maakt het BMS een apparaat dat honger heeft naar de verwerking. Afgezien hiervan moet het ook de celspanning over honderden cellen meten en de subtiele veranderingen vrijwel onmiddellijk opmerken.

Bouwstenen van een GBS

Er zijn veel verschillende soorten BMS beschikbaar op de markt, u kunt er zelf een ontwerpen of zelfs de geïntegreerde IC kopen die direct beschikbaar is. Vanuit het perspectief van de hardwarestructuur zijn er slechts drie typen GBS op basis van de topologie: gecentraliseerde GBS, gedistribueerde GBS en modulaire GBS. De functie van deze BMS is echter allemaal vergelijkbaar. Hieronder wordt een algemeen batterijbeheersysteem geïllustreerd.

BMS Data-acquisitie

Laten we het bovenstaande functieblok vanuit de kern analyseren. De primaire functie van het BMS is het bewaken van de batterij waarvoor het drie vitale parameters moet meten, zoals de spanning, stroom en temperatuur van elke cel in het batterijpakket.. We weten dat batterijpakketten worden gevormd door veel cellen in serie of parallelle configuratie met elkaar te verbinden, zoals de Tesla 8256 cellen heeft waarin 96 cellen in serie zijn verbonden en 86 parallel zijn verbonden om een ​​pakket te vormen. Als een set cellen in serie is geschakeld, moeten we de spanning over elke cel meten, maar de stroom voor de hele set zal hetzelfde zijn, aangezien de stroom hetzelfde zal zijn in een serieschakeling. Evenzo, wanneer een set cellen parallel is aangesloten, hoeven we alleen de volledige spanning te meten, aangezien de spanning over elke cel hetzelfde zal zijn wanneer deze parallel is aangesloten. De onderstaande afbeelding toont een reeks cellen die in serie zijn verbonden, u kunt de spanning en temperatuur zien die worden gemeten voor individuele cellen en de pakketstroom wordt als geheel gemeten.

"Hoe celspanning meten in GBS?"

Omdat een typische EV een groot aantal met elkaar verbonden cellen heeft, is het een beetje een uitdaging om de individuele celspanning van een batterijpakket te meten. Maar alleen als we de individuele celspanning kennen, kunnen we celbalancering uitvoeren en celbescherming bieden. Om de spanningswaarde van een cel te lezen, wordt een ADC gebruikt. Maar de complexiteit is hoog, aangezien de batterijen in serie zijn geschakeld. Dit betekent dat de klemmen waarover de spanning wordt gemeten, elke keer moeten worden gewijzigd. Er zijn veel manieren om dit te doen met behulp van relais, muxes enz. Daarnaast is er ook een batterijbeheer-IC zoals MAX14920 die kan worden gebruikt om individuele celspanningen van meerdere in serie geschakelde cellen (12-16) te meten.

"Hoe de celtemperatuur voor GBS te meten?"

Behalve de celtemperatuur moet het GBS soms ook de bustemperatuur en motortemperatuur meten aangezien alles op hoge stroom werkt. Het meest gebruikte element om de temperatuur te meten, wordt een NTC genoemd, wat staat voor Negative Temperature Co-efficient (NTC). Het lijkt op een weerstand, maar het verandert (verlaagt) de weerstand op basis van de temperatuur eromheen. Door de spanning over dit apparaat te meten en door een simpele ohm-wet te gebruiken, kunnen we de weerstand en dus de temperatuur berekenen.

Multiplexed Analog Front End (AFE) voor het meten van celspanning en temperatuur

Het meten van de celspanning kan ingewikkeld worden omdat het een hoge nauwkeurigheid vereist en mogelijk ook schakelgeluiden van mux kan injecteren. Afgezien hiervan is elke cel verbonden met een weerstand via een schakelaar voor celbalancering. Om deze problemen op te lossen wordt een AFE - Analog Front-end IC gebruikt. Een AFE heeft een ingebouwde Mux-, buffer- en ADC-module met hoge nauwkeurigheid. Het kan gemakkelijk de spanning en temperatuur meten met de gemeenschappelijke modus en de informatie overbrengen naar de hoofdmicrocontroller.

"Hoe de packstroom voor GBS te meten?"

EV Battery Pack kan een grote stroomwaarde leveren tot 250A of zelfs hoog, daarnaast moeten we ook de stroom van elke module in het pack meten om ervoor te zorgen dat de belasting gelijkmatig wordt verdeeld. Bij het ontwerpen van het stroomdetectie-element moeten we ook zorgen voor isolatie tussen het meet- en sensorapparaat. De meest gebruikte methode om stroom te detecteren zijn de shuntmethode en de op Hall-sensor gebaseerde methode. Beide methoden hebben hun voor- en nadelen. Eerdere shunt-methoden werden als minder nauwkeurig beschouwd, maar met de recente beschikbaarheid van zeer nauwkeurige shunt-ontwerpen met geïsoleerde versterkers en modulatoren hebben ze meer de voorkeur dan de op hall-sensor gebaseerde methode.

Schatting van de batterijstatus

De belangrijkste rekenkracht van een BMS is bedoeld om de batterijstatus te schatten. Dit omvat de meting van SOC en SOH. SOC kan worden berekend met behulp van de celspanning, stroom, laadprofiel en ontlaadprofiel. SOH kan worden berekend door het aantal laadcycli en de prestaties van de batterij te gebruiken.

"Hoe meet je de SOC van een batterij?"

Er zijn veel algoritmen om de SOC van een batterij te meten, elk met zijn eigen invoerwaarden. De meest gebruikte methode voor SOC wordt de Coulomb Counting oftewel boekhoudmethode genoemd. We zullen bespreken