Ang sistema ng pamamahala ng baterya (bms) para sa mga de-koryenteng sasakyan

Noong ^ika- 7 ng Enero 2013, ang isang flight ng Boeing 787 ay nakaparada para sa pagpapanatili, habang napansin ng isang mekaniko ang mga apoy at usok na nagmumula sa Auxiliary power unit (Lithium battery Pack) ng flight, na ginagamit upang mapatakbo ang mga electronic flight system. Ang mga pagsisikap ay isinagawa upang patayin ang apoy, ngunit makalipas ang 10 araw bago malutas ang isyung ito, noong ^ika- 16 ng Enero isa pang kabiguan sa baterya ang naganap sa isang 787 flight na pinamamahalaan ng All Nippon Airways na naging sanhi ng isang emergency landing sa paliparan ng Hapon. Ang dalawang madalas na pagkabigo sa baterya na ito ay gumawa ng Boeing 787 Dreamliners flight na ma-grounded walang katiyakan na nadungisan ang reputasyon ng gumawa na nagdulot ng matinding pagkalugi sa pananalapi.

Matapos ang isang serye ng magkasamang pagsisiyasat ng US at Japanese, ang Lithium baterya na Pack ng B-787 ay dumaan sa isang CT scan at isiniwalat na ang isa sa walong Li-ion cell ay nasira sanhi ng isang maikling circuit na nag-uudyok ng isang thermal runaway na may sunog. Ang insidente na ito ay maaaring madaling iwasan kung ang sistema ng pamamahala ng Baterya ng Li-ion na baterya pack ay dinisenyo upang makita / maiwasan ang mga maikling circuit. Matapos ang ilang mga pagbabago sa disenyo at mga regulasyon sa kaligtasan nagsimulang lumipad muli ang B-787, ngunit nananatili pa rin ang insidente bilang isang katibayan upang patunayan kung gaano makukuha ang mga mapanganib na baterya ng lithium kung hindi maayos ang paghawak.

Fast forward 15 taon, ngayon mayroon kaming mga Kotse ng kuryente na gumagamit ng parehong baterya ng Li-ion na naka-pack nang sama-sama sa daang kung hindi libu-libo ang bilang. Ang napakalaking mga pack ng baterya na ito ay may rating ng boltahe na humigit-kumulang 300V na nakaupo sa kotse at naghahatid ng hanggang 300A (magaspang na mga numero) sa kasalukuyang operasyon. Ang anumang kapahamakan dito ay mapupunta sa isang malaking sakuna, na ang dahilan kung bakit ang sistema ng Pamamahala ng Baterya ay palaging binibigyang diin sa EVs. Kaya sa artikulong ito malalaman natin ang higit pa tungkol sa Battery Management System (BMS) na ito at masisira upang maunawaan ang disenyo at pagpapaandar nito upang maunawaan ito nang mas mahusay. Dahil ang mga baterya at BMS ay malapit na nauugnay ito ay lubos na pinapayuhan na dumaan sa aming nakaraang mga artikulo tungkol sa Electric Vehicles at mga baterya ng EV.

Bakit kailangan natin ng isang Battery Management System (BMS)?

Ang mga baterya ng Lithium-ion ay napatunayan na ang baterya ng interes para sa mga tagagawa ng Electric Vehicle dahil sa mataas na density ng singil at mababang timbang. Kahit na ang mga baterya na ito ay naka-pack sa maraming mga suntok para sa laki nito ay lubos na hindi matatag sa likas na katangian. Napakahalaga na ang mga baterya na ito ay hindi dapat labis na masingil o nasa ilalim ng paglabas sa anumang pangyayari na nagdudulot ng pangangailangan na subaybayan ang boltahe at kasalukuyang nito. Ang proseso na ito ay medyo nahihigpit dahil maraming mga cell ang pinagsama upang mabuo ang isang baterya pack sa EV at ang bawat cell ay dapat na isa-isa na subaybayan para sa kanyang kaligtasan at mahusay na pagpapatakbo na nangangailangan ng isang espesyal na nakatuon na sistema na tinatawag na System ng Pamamahala ng Baterya. Gayundin upang makuha ang maximum na kahusayan mula sa isang pack ng baterya, dapat nating ganap na singilin at mailabas ang lahat ng mga cell nang sabay-sabay sa parehong boltahe na muling tumatawag para sa isang BMS. Maliban dito ang responsibilidad ng BMS para sa maraming iba pang mga pagpapaandar na tatalakayin sa ibaba.

Pagsasaalang-alang sa Disenyo ng system ng Pamamahala ng Baterya (BMS)

Maraming mga kadahilanan na isasaalang-alang habang nagdidisenyo ng isang BMS. Ang kumpletong pagsasaalang-alang ay nakasalalay sa eksaktong pagtatapos ng application kung saan gagamitin ang BMS. Maliban sa EV's BMS ay ginagamit din kung saan ang isang lithium baterya pack ay kasangkot tulad ng isang solar panel array, windmills, kapangyarihan pader atbp Hindi isinasaalang-alang ng application ang isang disenyo ng BMS ay dapat isaalang-alang ang lahat o marami sa mga sumusunod na kadahilanan.

Pagkontrol sa Paglalabas: Ang pangunahing pagpapaandar ng isang BMS ay upang mapanatili ang mga cell ng lithium sa loob ng ligtas na rehiyon ng pagpapatakbo. Halimbawa ang isang tipikal na Lithium 18650 cell ay magkakaroon ng under rating ng boltahe na humigit-kumulang 3V. Responsibilidad ng BMS na tiyakin na wala sa mga cell sa pack ang natatanggal sa ibaba 3V.

Pagkontrol sa Pagsingil: Bukod sa paglabas ng proseso ng pagsingil dapat ding subaybayan ng BMS. Karamihan sa mga baterya ay may posibilidad na mapinsala o mabawasan sa habang-buhay kapag sisingilin nang hindi naaangkop. Para sa charger ng lithium baterya ginagamit ang isang 2-yugto na charger. Ang unang yugto ay tinatawag na Constant Kasalukuyan (CC) kung saan ang charger ay naglalabas ng isang pare-pareho na kasalukuyang singilin ang baterya. Kapag ang baterya ay halos napuno ang pangalawang yugto na tinatawag na Constant Voltage (CV)ginagamit ang yugto kung saan ang isang pare-pareho na boltahe ay ibinibigay sa baterya sa isang napakababang kasalukuyang. Dapat tiyakin ng BMS na kapwa ang boltahe at kasalukuyang sa panahon ng pagsingil ay hindi lalampas sa mga limitasyong natatagusan upang hindi lumampas sa singil o mabilis na singilin ang mga baterya. Ang maximum na pinahihintulutang boltahe ng pagsingil at kasalukuyang singilin ay maaaring matagpuan sa datasheet ng baterya.

Pagpapasiya ng State-of-Charge (SOC): Maaari mong isipin ang SOC bilang tagapagpahiwatig ng fuel ng EV. Talagang sinasabi nito sa amin ang kapasidad ng baterya ng pack sa porsyento. Tulad na lamang ng nasa aming mobile phone. Ngunit hindi ito kadali ng tunog nito. Ang boltahe at kasalukuyang / singil / paglabas ng pack ay dapat na laging subaybayan upang mahulaan ang kapasidad ng baterya. Kapag nasusukat ang boltahe at kasalukuyang mayroong maraming mga algorithm na maaaring magamit upang makalkula ang SOC ng baterya pack. Ang pinakakaraniwang ginagamit na pamamaraan ay ang pamamaraang pagbibilang ng coulomb; tatalakayin natin ang higit pa tungkol dito sa paglaon ng artikulo. Ang pagsukat ng mga halaga at pagkalkula ng SOC ay responsibilidad din ng isang BMS.

Pagpapasiya ng State-of-Health (SOC): Ang kapasidad ng baterya ay hindi lamang nakasalalay sa boltahe at kasalukuyang profile nito kundi pati na rin sa edad at temperatura ng operating nito. Sinasabi sa atin ng pagsukat ng SOH ang tungkol sa edad at inaasahang ikot ng buhay ng baterya batay sa kasaysayan ng paggamit nito. Sa ganitong paraan malalaman natin kung magkano ang mileage (distansya na sakop pagkatapos ng buong bayad) ng EV na binabawasan habang tumatanda ang baterya at maaari din nating malaman kung kailan dapat mapalitan ang pack ng baterya. Ang SOH ay dapat ding kalkulahin at panatilihing subaybayan ng BMS.

Pagbabalanse ng Cell: Ang isa pang mahalagang pag-andar ng isang BMS ay upang mapanatili ang pagbabalanse ng cell. Halimbawa, sa isang pakete ng 4 na mga cell na konektado sa serye ang boltahe ng lahat ng apat na mga cell ay dapat palaging may pantay. Kung ang isang cell ay mas mababa o mataas na boltahe kaysa sa isa pa makakaapekto ito sa buong pack, sabihin kung ang isang cell ay nasa 3.5V habang ang iba pang tatlo ay nasa 4V. Sa panahon ng pagsingil ng tatlong mga cell na ito ay makakakuha ng 4.2V habang ang isa pa ay umabot lamang sa 3.7V na katulad ng cell na ito ang unang magpapalabas sa 3V bago ang tatlo pa. Sa ganitong paraan, dahil sa solong cell na ito ang lahat ng iba pang mga cell sa pack ay hindi maaaring gamitin sa maximum na potensyal nito sa gayon ay nakompromiso ang kahusayan.

Upang harapin ang problemang ito ang BMS ay kailangang magpatupad ng isang bagay na tinatawag na cell balancing. Maraming uri ng mga diskarte sa pagbabalanse ng cell, ngunit ang karaniwang ginagamit ay ang aktibo at passive type na pagbabalanse ng cell. Sa passive balancing ang ideya ay ang mga cell na may labis na boltahe ay sapilitang naglalabas sa pamamagitan ng isang pagkarga tulad ng risistor upang maabot ang boltahe na halaga ng iba pang mga cell. Habang sa aktibong pagbabalanse ang mas malakas na mga cell ay gagamitin upang singilin ang mga mas mahina na mga cell upang mapantay ang kanilang mga potensyal. Malalaman pa ang nalalaman tungkol sa pagbabalanse ng cell sa ibang pagkakataon sa ibang artikulo.

Thermal Control: Ang buhay at kahusayan ng isang pack ng baterya ng Lithium ay lubos na nakasalalay sa temperatura ng operating. Ang baterya ay may kaugaliang naglabas ng mas mabilis sa mainit na klima kumpara sa normal na temperatura ng kuwarto. Ang pagdaragdag dito ng pagkonsumo ng mataas na kasalukuyang ay karagdagang pagtaas ng temperatura. Tumatawag ito para sa isang Thermal system (karamihan langis) sa isang baterya pack. Ang thermal system na ito ay dapat lamang mabawasan ang temperatura ngunit dapat ding madagdagan ang temperatura sa mga malamig na klima kung kinakailangan. Ang BMS ay responsable para sa pagsukat ng indibidwal na temperatura ng cell at kontrolin ang thermal system nang naaayon upang mapanatili ang pangkalahatang temperatura ng pack ng baterya.

Pinapagana mula sa baterya mismo: Ang tanging mapagkukunan ng kuryente na magagamit sa EV ay ang baterya mismo. Kaya't ang isang BMS ay dapat na idinisenyo upang mapatakbo ng parehong baterya na dapat itong protektahan at mapanatili. Maaari itong tunog simple ngunit nagdaragdag ito ng kahirapan ng disenyo ng BMS.

Mas Mababang Ideyal na Kapangyarihan: Ang isang BMS ay dapat na aktibo at tumatakbo kahit na ang kotse ay tumatakbo o nagcha-charge o sa ideal mode. Ginagawa nitong ang circuit ng BMS na patuloy na pinapatakbo at samakatuwid ay sapilitan na ang BMS ay kumonsumo ng napakaliit na lakas upang hindi maubos ang baterya nang labis. Kapag ang isang EV ay naiwan na walang bayad para sa mga linggo o buwan ang BMS at iba pang circuitry ay may posibilidad na maubos ang baterya sa kanilang sarili at kalaunan ay kinakailangan na cranked o singilin bago susunod na magamit. Ang problemang ito ay mananatiling karaniwan sa kahit na mga tanyag na kotse tulad ng Tesla.

Paghiwalay ng Galvanic: Ang BMS ay gumaganap bilang isang tulay sa pagitan ng baterya pack at ECU ng EV. Ang lahat ng impormasyong nakolekta ng BMS ay kailangang maipadala sa ECU upang maipakita sa cluster ng instrumento o sa dashboard. Kaya't ang BMS at ang ECU ay dapat na patuloy na nakikipag-usap sa pamamagitan ng karaniwang pamantayan tulad ng CAN komunikasyon o LIN bus. Ang disenyo ng BMS ay dapat may kakayahang magbigay ng isang galvanic na paghihiwalay sa pagitan ng baterya pack at ECU.

Pag-log ng Data: Mahalaga para sa BMS na magkaroon ng isang malaking memory bank dahil kailangang mag-imbak ng maraming data. Ang mga halagang tulad ng Sate-of-health SOH ay maaaring kalkulahin lamang kung ang kasaysayan ng pagsingil ng baterya ay kilala. Kaya't kailangang subaybayan ng BMS ang mga cycle ng singil at oras ng pagsingil ng pack ng baterya mula sa petsa ng pag-install, at makagambala ng data na ito kapag kinakailangan. Nakakatulong din ito sa pagbibigay ng serbisyo pagkatapos ng benta o pag-aaral ng isang problema sa EV para sa mga inhinyero.

Katumpakan: Kapag ang isang cell ay sinisingil o natanggal ang boltahe sa kabuuan nito ay tumataas o bumabagal nang unti. Sa kasamaang palad ang curve ng paglabas (Boltahe kumpara sa oras) ng isang baterya ng lithium ay may mga patag na rehiyon samakatuwid ang pagbabago sa boltahe ay mas mababa. Ang pagbabago na ito ay kailangang sukatin nang wasto upang makalkula ang halaga ng SOC o upang magamit ito para sa pagbabalanse ng cell. Ang isang mahusay na dinisenyo BMS ay maaaring magkaroon ng kawastuhan kasing taas ng ± 0.2mV ngunit dapat itong minimum na magkaroon ng kawastuhan ng 1mV-2mV. Karaniwan isang 16-bit ADC ang ginagamit sa proseso.

Bilis ng pagpoproseso: Ang BMS ng isang EV ay kailangang gumawa ng maraming crunching upang makalkula ang halaga ng SOC, SOH atbp Maraming maraming mga algorithm upang magawa ito, at ang ilan ay gumagamit pa ng pag-aaral ng makina upang matapos ang gawain. Ginagawa nitong BMS ang isang pagpoproseso ng gutom na aparato. Bukod dito kailangan din nitong sukatin ang boltahe ng cell sa daan-daang mga cell at pansinin ang banayad na mga pagbabago halos kaagad.

Mga Block of Building ng isang BMS

Mayroong maraming iba't ibang mga uri ng BMS na magagamit sa merkado, maaari kang mag-disenyo ng isa sa iyong sarili o kahit na bumili ng Integrated IC na madaling magagamit. Mula sa isang pananaw sa istraktura ng hardware mayroong tatlong uri lamang ng BMS batay sa topolohiya nito sila ay Sentralisadong BMS, naipamahagi ng BMS at Modular BMS. Gayunpaman ang pagpapaandar ng mga BMS na ito ay magkatulad. Ang isang generic na sistema ng Pamamahala ng Baterya ay nakalarawan sa ibaba.

Pagkuha ng Data ng BMS

Pag-aralan natin ang bloke ng pag-andar sa itaas mula sa core nito. Ang pangunahing pag-andar ng BMS ay upang subaybayan ang baterya kung saan kailangan nito upang masukat ang tatlong mahahalagang parameter tulad ng boltahe, kasalukuyang at temperatura mula sa bawat cell sa pack ng baterya. Alam namin na ang mga Pack ng baterya ay nabuo sa pamamagitan ng pagkonekta ng maraming mga cell sa serye o parallel na pagsasaayos, tulad ng Tesla ay may 8,256 cells kung saan 96 na mga cell ang konektado sa serye at 86 ay konektado sa parallel upang bumuo ng isang pack. Kung ang isang hanay ng mga cell ay konektado sa serye pagkatapos kailangan nating sukatin ang boltahe sa bawat cell ngunit ang kasalukuyang para sa buong hanay ay magkatulad dahil ang kasalukuyang ay magiging pareho sa isang serye ng circuit. Katulad nito kapag ang isang hanay ng mga cell ay konektado sa kahanay kailangan nating sukatin lamang ang buong boltahe dahil ang boltahe sa bawat cell ay magiging pareho kapag nakakonekta sa parallel. Ang imahe sa ibaba ay nagpapakita ng isang hanay ng mga cell na konektado sa serye, mapapansin mo ang boltahe at temperatura na sinusukat para sa mga indibidwal na cell at ang kasalukuyang pack ay sinusukat bilang isang buo.

"Paano sukatin ang boltahe ng cell sa BMS?"

Dahil ang isang tipikal na EV ay may isang malaking bilang ng mga cell na konektado magkasama, medyo hamon na sukatin ang indibidwal na boltahe ng cell ng isang pack ng baterya. Ngunit kung alam lamang natin ang indibidwal na boltahe ng cell magagawa natin ang pagbabalanse ng cell at magbigay ng proteksyon ng cell. Upang mabasa ang halaga ng boltahe ng isang cell ay ginagamit ang isang ADC. Ngunit ang pagiging kumplikado na kasangkot ay mataas dahil ang mga baterya ay konektado sa serye. Ibig sabihin ang mga terminal kung saan sinusukat ang boltahe ay kailangang mabago tuwing. Maraming mga paraan upang gawin ito na kinasasangkutan ng mga relay, muxes atbp Maliban dito mayroon ding ilang pamamahala ng baterya ng IC tulad ng MAX14920 na maaaring magamit upang masukat ang mga indibidwal na boltahe ng cell ng maraming mga cell (12-16) na konektado sa serye.

"Paano sukatin ang Temperatura ng cell para sa BMS?"

Bukod sa temperatura ng cell, kung minsan kailangan ding sukatin ng BMS ang temperatura ng bus at temperatura ng motor dahil gumagana ang lahat sa isang mataas na kasalukuyang. Ang pinakakaraniwang sangkap na ginamit upang masukat ang temperatura ay tinatawag na isang NTC, na nangangahulugang Negatibong temperatura Co-episyente (NTC). Ito ay katulad ng isang risistor ngunit nagbabago (nababawasan) ang paglaban nito batay sa temperatura sa paligid nito. Sa pamamagitan ng pagsukat ng boltahe sa kabuuan ng aparatong ito at sa pamamagitan ng paggamit ng isang simpleng batas ng ohms maaari nating kalkulahin ang paglaban at sa gayon ang temperatura.

Multiplexed Analog Front End (AFE) para sa Cell Voltage at Sukat sa Temperatura

Ang pagsukat ng boltahe ng cell ay maaaring maging kumplikado dahil nangangailangan ito ng mataas na kawastuhan at maaari ring mag-iniksyon ng mga switching ng switch mula sa mux bukod dito ang bawat cell ay konektado sa isang risistor sa pamamagitan ng isang switch para sa pagbabalanse ng cell. Upang mapagtagumpayan ang mga problemang ito ginagamit ang isang AFE - Analog Front end IC. Ang isang AFE ay may built-in na Mux, buffer at ADC module na may mataas na kawastuhan. Madali nitong masusukat ang boltahe at temperatura sa karaniwang mode at ilipat ang impormasyon sa pangunahing microcontroller.

"Paano sukatin ang kasalukuyang pack para sa BMS?"

Ang EV Battery Pack ay maaaring mapagkukunan ng isang malaking halaga ng kasalukuyang hanggang sa 250A o kahit na mataas, bukod sa ito kailangan din nating sukatin ang kasalukuyang bawat module sa pack upang matiyak na ang pagkarga ay naipamahagi nang pantay. Habang nagdidisenyo ng kasalukuyang elemento ng sensing kailangan din naming magbigay ng paghihiwalay sa pagitan ng pagsukat at pag-sensing na aparato. Ang pinaka-karaniwang ginagamit na paraan upang maunawaan ang kasalukuyang ay ang Shunt na pamamaraan at ang pamamaraang batay sa Hall-sensor. Ang parehong pamamaraan ay mayroong kanilang kalamangan at kahinaan. Ang mga naunang pamamaraan ng shunt ay itinuturing na hindi gaanong tumpak, ngunit may kamakailang kakayahang magamit ang mga disenyo ng shunts na may mataas na katumpakan na may mga nakahiwalay na amplifier at modulator na mas gusto sila kaysa sa pamamaraan na batay sa hall-sensor.

Pagtatantiya ng estado ng baterya

Ang pangunahing kapangyarihan sa computational ng isang BMS ay nakatuon upang tantyahin ang estado ng Baterya. Kasama rito ang pagsukat ng SOC at SOH. Ang SOC ay maaaring kalkulahin gamit ang boltahe ng cell, kasalukuyang, singilin ang profile at paglabas ng profile. Maaaring kalkulahin ang SOH sa pamamagitan ng paggamit ng bilang ng cycle ng pagsingil at pagganap ng baterya.

"Paano sukatin ang SOC ng isang Baterya?"

Maraming mga algorithm upang masukat ang SOC ng isang baterya, ang bawat isa ay mayroong sariling mga halaga ng pag-input. Ang pinakakaraniwang ginagamit na pamamaraan para sa SOC ay tinatawag na Coulomb Counting aka paraan ng pag-iingat ng libro. Paguusapan natin