Resum
Aquest article se centra en els aspectes de maquinari dels sistemes de gestió de bateries (BMS) en vehicles elèctrics i aplicacions fixes. El propòsit és esbossar els conceptes dels sistemes avançats existents, permetent als lectors entendre els factors que cal tenir en compte a l'hora de dissenyar BMS per a aplicacions específiques. Després d'una breu anàlisi dels requisits generals, es van estudiar diverses estructures topològiques possibles dels paquets de bateries i el seu impacte en la complexitat del BMS. Com a exemple d'explicació, prenem quatre paquets de bateries seleccionats entre els vehicles elèctrics disponibles comercialment. Posteriorment, es van tractar els aspectes d'implementació de la mesura de les variables físiques requerides (tensió, intensitat, temperatura, etc.), així com qüestions i estratègies d'equilibri. Finalment, es van tractar les consideracions de seguretat i aspectes de fiabilitat.
1. Introducció
La complexitat dels sistemes de gestió de bateries (BMS) depèn de l'aplicació. Una sola bateria, tan senzilla com un telèfon mòbil o un lector de llibres electrònics, es pot mesurar amb un IC simple "mesurador de bateria", que pot mesurar la tensió, la temperatura i el corrent i estimar l'estat de càrrega (SOC). Tan complex com els vehicles elèctrics, BMS ha de realitzar tasques més complexes. A més de mesurar paràmetres bàsics com ara la tensió de la bateria, la temperatura i el corrent, també es requereixen algorismes avançats per determinar l'energia disponible per calcular l'autonomia de creuer.
Aquest treball se centra en l'aspecte del maquinari dels sistemes de gestió de bateries d'ions de liti. La part 2 presenta els requisits de maquinari per a BMS, inclosos els valors de mesura, la interferència electromagnètica, l'aïllament elèctric, els contactors i la redundància. La secció 3 ofereix una visió general de la topologia del BMS, aclareix les diferències entre aplicacions simples i complexes i proporciona un exemple de bateria de vehicle elèctric. A la secció 4 s'explica com complir els requisits de mesura del valor físic i els inconvenients comuns. La secció 5 tracta l'equilibri, presenta i compara els mètodes d'equilibri de càrrega. La secció 6 se centra en la seguretat i la fiabilitat, inclosos els riscos i les contramesures del funcionament dels paquets de bateries d'alta tensió, i presenta breument els mètodes de mesura de l'aïllament i els estàndards relacionats.
2. Requisits de disseny del sistema de gestió de bateries (BMS)
Dissenyar un BMS és una tasca complexa que requereix tenir en compte els requisits específics de l'aplicació, l'entorn del sistema i les característiques de les bateries utilitzades, de les quals es poden derivar una sèrie de requisits del sistema. En termes generals, solen ser rellevants els següents components de BMS i requisits funcionals:
Recollida de temperatura
Selecció i col·locació del sensor:La recollida precisa de la temperatura és difícil quan es dissenya un BMS, i cal tenir en compte el tipus de sensor (digital o analògic) i la ubicació per mesurar la temperatura de la bateria, que determina el nombre de sensors de temperatura de la bateria. De vegades cal recollir la temperatura dels contactors, fusibles o barres. Normalment, hi ha una certa proporció de canals entre sensors de temperatura i sensors de voltatge.
Requisits de temperatura per a diferents escenaris d'aplicació:Els requisits de temperatura han de tenir en compte tres situacions: càrrega, descàrrega i emmagatzematge, alhora que es presta atenció a la constant de temps tèrmica. Les bateries d'ions de liti no poden funcionar correctament fora d'un rang de temperatura específic, i el revestiment de liti pot produir-se a velocitats de corrent elevats dins del rang de temperatura normal. Per tant, és necessari recollir amb precisió la temperatura, la tensió i el corrent. La capacitat tèrmica i la conductivitat tèrmica de les bateries es veuen afectades per factors com l'estructura de la bateria, i la col·locació inadequada dels sensors de temperatura pot provocar una lectura errònia i punts cecs tèrmics.
Adquisició de voltatge
Canal d'adquisició i precisió:El BMS clàssic basat en bateries d'ions de liti requereix almenys un canal d'adquisició de tensió per a cada bateria connectada en sèrie, i algunes aplicacions d'automoció també tenen protecció secundària (aconseguida mitjançant un comparador de finestres programable). La taxa de conversió de les dades d'adquisició de tensió varia en funció de l'aplicació, i els xips de front-end BMS d'ús habitual tenen una certa precisió i resolució de tensió.
L'impacte en l'estimació del SOC:Prenent com a exemples les bateries NMC i LFP, es demostra que la precisió d'adquisició de voltatge té un impacte significatiu en l'estimació del SOC. Com més gran sigui la precisió, més precisa serà l'estimació del SOC, i pot ser que no sigui suficient utilitzar dades de voltatge per determinar el SOC.
Figura 1. La comparació de la incertesa SOC depèn de la precisió de voltatge de ± 1 mV.
Col·lecció actual
Mètode de recollida i característiques del sensor:El SOC es pot determinar no només mesurant la tensió de circuit obert (OCV), sinó també mitjançant el mètode de comptatge de Coulomb (mesura de corrent i integració). Tanmateix, els sensors actuals tenen característiques no ideals, com ara errors de deriva, compensació i temperatura, i és possible que hagin de complir simultàniament diferents requisits d'interval de mesura i tenir un ample de banda determinat.
En aplicacions pràctiques, confiar únicament en el recompte de Coulomb per determinar el SOC és inexacte, especialment en condicions de corrent baixa. Per resoldre aquest problema, és possible combinar algorismes i models parametritzats per processar les dades actuals, però això està fora de l'abast d'aquest article.
Requisits de comunicació
Comunicació dins del sistema:El BMS ha de comunicar-se amb tot el sistema (com ara l'electrònica de potència, la gestió de l'energia o les unitats de control del vehicle), tenint en compte factors com el mode de comunicació, la velocitat, la robustesa i la fiabilitat. Per exemple, és possible que s'hagin de proporcionar interfícies CAN als vehicles per a la comunicació del sistema, i és possible que diferents aplicacions ja hagin determinat els requisits de comunicació a nivell del sistema, als quals BMS s'ha d'adaptar.
Comunicació entre mòduls:Per als sistemes modulars, cal definir el mètode de comunicació entre els mòduls mestre i esclau, que és similar als requisits bàsics per a la comunicació entre sistemes. En els capítols següents es poden trobar exemples concrets.
Protecció per interferències electromagnètiques (EMI).
L'impacte de l'EMI en els sensors:L'EMI pot afectar la recollida de dades dels sensors, i tots els sensors són susceptibles a la seva influència, cosa que pot provocar una lleugera distorsió o una inutilitat total de les dades.
Mesures per reduir l'impacte de l'EMI:Per minimitzar l'impacte, els motors, els components electrònics de potència i altres càrregues haurien de tenir un bon disseny EMI i es poden utilitzar dispositius de filtratge EMI adequats, com ara bobines de mode comú i condensadors de bloqueig, i instal·lar-los a prop del camí de mesura del sensor.
Requisits relacionats amb els contactors
Funció i requisits dels contactors:La majoria dels paquets de bateries requereixen la capacitat de desconnectar elèctricament almenys un elèctrode, que requereix un contactor adequat. A causa de la naturalesa especial de la interrupció del corrent de corrent continu i l'extinció de l'arc, els contactors han de tenir dispositius d'extinció d'arc magnètic i han d'evitar la soldadura per contacte.
Mesures de seguretat operatives:Per garantir la seguretat, es requereix un circuit especial (com ara una unitat de precàrrega que consta d'un contactor i una resistència connectats en sèrie) durant el funcionament de l'interruptor del contactor per assegurar-se que no hi ha diferència de potencial entre els dos extrems i evitar situacions perilloses.
Requisits de redundància
El paper de la redundància en la fiabilitat del sistema:Segons la norma ISO 26262, la redundància pot millorar la fiabilitat del sistema. La tensió de la bateria s'observa generalment de manera redundant fins a cert punt, amb dos mètodes: mesura precisa pel xip principal i informació binària proporcionada pel xip auxiliar.
Concepte de redundància de nivell superior:També existeixen conceptes de redundància en el processament de nivell superior, com ara el pas de bloqueig, la correcció d'errors de memòria i els mecanismes d'autoprova en CPU especials.
Requisits d'aïllament elèctric
Aïllament de la bateria:El paquet de bateries normalment es divideix en parts d'alta tensió i baixa tensió, que requereixen aïllament elèctric i es poden aconseguir mitjançant mètodes òptics, inductius o capacitius.
Aïllament del sensor tèrmic:Tots els sensors tèrmics també s'han d'aïllar elèctricament per evitar fallades d'alta tensió que afectin les peces de baixa tensió, de manera similar al concepte de disseny de la xarxa informàtica de distribució d'energia.
Requisits d'equilibri
L'impacte del desequilibri de càrrega:Pot haver-hi un desequilibri de càrrega entre les bateries connectades en sèrie, que pot afectar el rendiment i la fiabilitat del sistema, i generalment cal mantenir-lo a un nivell baix.
Consideracions especials d'aplicació:Les diferents aplicacions poden tenir consideracions especials, com ara restriccions de pes o requisits de corrent de càrrega, que poden provocar la generació de corrent d'equilibri. La secció 5 introduirà a més la necessitat i els mètodes d'implementació de l'equilibri.
Altres requisits
Requisits relacionats amb l'aplicació:L'aplicació també pot tenir altres requisits, com ara l'espai, el cost, la resistència mecànica del maquinari, el pes i el consum d'energia, que no són el focus d'aquest article però que cal tenir en compte.
3. Estructura topològica de BMS
Visió general de l'estructura del sistema de bateries:Per complir amb les especificacions elèctriques del sistema, les bateries sovint s'han de combinar en paquets de bateries amb múltiples topologies de connexió. La connexió en sèrie pot aconseguir un rang de tensió específic i reduir el corrent; La connexió en paral·lel pot augmentar la capacitat. Hi ha diferents variants en aplicacions pràctiques, com ara la connexió en paral·lel de bateries de petita capacitat en mòduls i connexió en sèrie, o l'ús directe de bateries de gran capacitat en connexió en sèrie. Les diferents topologies tenen diferents impactes en la complexitat del BMS, com ara l'augment del cost de la supervisió i l'equilibri quan es connecten diverses bateries en paral·lel.
Figura 2. Diagrama esquemàtic de diferents topologies de bateria: (a) cel·la única; (b) Connexió en paral·lel de dues bateries; (c) Connexió en sèrie de tres bateries; (d) Connexió en paral·lel de dues bateries i tres sèries; (e) Una connexió en sèrie de tres mòduls formats per dues bateries paral·leles.
Taula 1. Les característiques de les variants topològiques es mostren a la figura 2.
Proporcioneu un exemple per il·lustrar el mètode de connexió de la bateria i els requisits del canal de mesura de tensió: per exemple, la combinació de bateries connectades en sèrie m i bateries connectades en paral·lel n requereix diferents nombres de canals de mesura de tensió per a diferents mètodes de connexió.
Discussió de casos especials:En algunes aplicacions especials (com ara la sonda Mart i la sonda Rosetta de l'Agència Espacial Europea), és possible que no es realitzi el control i l'equilibri de cèl·lules individuals a causa de factors com ara la mida, el pes i el consum d'energia. Tot i que algunes opinions suggereixen que seleccionar acuradament les bateries del mateix lot pot ometre el control, la investigació ha demostrat que fins i tot les bateries del mateix lot poden tenir diferents comportaments d'envelliment i ometre el control pot comportar riscos. Tanmateix, per a sistemes petits i tensions de bateries dins d'un determinat rang, l'impacte d'ometre el control pot ser relativament petit.
Relacionat amb el circuit integrat (IC).
IC amb funció de control bàsica:Per aconseguir la funció bàsica de monitorització del funcionament segur de la bateria, els fabricants de semiconductors proporcionen diversos circuits integrats específics per a aplicacions (ASIC). Per a dispositius electrònics petits amb cèl·lules individuals, hi ha un IC "indicador de combustible" que pot controlar la tensió, el corrent i la temperatura, estimar el SOC i també pot incloure funcions com ara reguladors de càrrega. Per exemple, "bq27220" de TI i CI relacionats amb Maxim.
IC per a sistemes d'alta potència i demanda d'energia
Modularització i assignació de funcions:Per a aplicacions amb uns requisits d'alta potència i/o energia, un paquet de bateries consta de diverses bateries i l'IC rellevant pot controlar simultàniament diverses bateries i proporcionar una funcionalitat d'equilibri. Hi ha un mòdul central (BMS Master) al sistema responsable de funcions complexes com l'estimació de SOC i els algorismes de predicció de potència; El mòdul IC frontal (BMS Slaves) és responsable de funcions bàsiques com l'adquisició i el filtratge de senyals.
Figura 3. Estructura típica de BMS per a aplicacions de vehicle elèctric.
Diferents exemples de CI i mètodes d'equilibri:Per exemple, els bq76PL536A, MAX11068 i LT6802G-2 de TI proporcionen un equilibri passiu, mentre que l'AS8506C d'AMS es pot utilitzar per a la topologia d'equilibri passiu i també ofereix una capacitat d'equilibri actiu. Alguns circuits integrats tenen productes successors i, per millorar la fiabilitat del control de tensió, es poden utilitzar circuits integrats de protecció secundari. Tot i que el BMS totalment redundant pot millorar la fiabilitat, el cost és elevat.
Comunicació i transmissió de dades
Mètode de connexió IC frontal:Els circuits integrats frontals normalment es poden connectar mitjançant una cadena de margarides i els diferents circuits integrats tenen mètodes d'interfície diferents. El MAX11068 està connectat a través del port I2C, el bq76PL536A de TI proporciona múltiples interfícies i el LT6802G-2 està connectat a través del bus SPI (que requereix un aïllador digital addicional).
Mètode de comunicació del sistema:Al sistema, normalment s'utilitzen microcontroladors de baix cost per connectar circuits integrats a la mateixa PCB, i els mòduls d'altres PCB i els mòduls principals de BMS es connecten mitjançant bus de camp (com ara CAN).
Cas real
Mitsubishi i-MiEV:La bateria consta de múltiples mòduls connectats per cargols, amb 88 bateries prismàtiques. La PCB del mòdul conté circuits integrats de supervisió i sensors de temperatura, i la carcassa de la bateria conté diversos components. El mòdul principal BMS es troba sota els seients posteriors del vehicle i es comunica mitjançant un bus CAN intern. En comparació amb altres bateries, el seu espai intern és més ampli, cosa que pot ser un efecte secundari de la refrigeració per aire.
Figura 4. (a) Paquet de bateries Mitsubishi i-MiEV; (b) paquet de bateries Volkswagen e-Up; (c) Paquet de bateries d'accionament elèctric Smart fortwo. Nota: els mètodes d'escala són diferents.
Figura 5. (a) Vista superior del mòdul de bateria Tesla Model S; (b) Mòdul de bateria Volkswagen e-Up, mòdul 6s2p, vista superior.
Smart Fortwo Electric Edition:La bateria consta de 90 bateries de bossa connectades en sèrie, amb un sistema de refrigeració, i les tasques bàsiques de supervisió les completen l'IC de TI, similar al bq76PL536A. Cada PCB conté múltiples circuits integrats de monitorització i microcontroladors, i el mòdul principal BMS es troba dins de la caixa de la bateria, amb una alta integració i pocs cables.
Volkswagen e-Up:La bateria conté diversos mòduls de sèrie, sense sistema de refrigeració ni dispositiu de desconnexió de servei, mòdul BMS centralitzat, connectat a la bateria i IC de mesura (MAX11068) mitjançant un gran nombre de línies de mesura de tensió, amb un gran nombre de resistències equilibrades i un microcontrolador sense conversió. senyals.
Tesla Model S:La bateria es compon d'un gran nombre de bateries 18650, dividides en múltiples mòduls, connectades mitjançant cables d'enllaç. El BMS es controla mitjançant el bq76PL536A-Q1 de TI i la tensió es mesura a través de cables de soldadura. En comparació amb altres bateries, el seu nivell d'integració és diferent, com ara el baix nivell d'integració de Volkswagen e-Up i l'alt nivell d'integració de l'Smart Fortwo.
4. Visió general de la tecnologia de mesura del sistema de bateries d'HV
La importància de la tecnologia de mesura:La tecnologia de mesura és un component clau dels sistemes de gestió de bateries, que pot determinar variables d'estat com ara SOC, SOH, SOF, etc. Normalment mesura variables com la tensió de la bateria, la tensió total, el corrent total i la temperatura dels sistemes de bateries. Aquestes variables d'estat poden protegir el sistema de bateria de danys com ara la sobrecàrrega o la sobredescàrrega, i optimitzar la utilització del sistema de bateria.
Requisits del sensor:Determineu els requisits típics dels sensors en funció de les aplicacions d'emmagatzematge de la bateria, com ara el cost, l'amplada de banda, la precisió, el rang de mesura i la mida, tal com es detalla a la secció 2.
Mesura de corrent
Classificació del mètode de mesura:Els equips de recollida de corrent es divideixen en dues tecnologies bàsiques de sensors: connexió elèctrica i aïllament. La detecció de corrent de resistència de derivació que s'utilitza habitualment pertany al tipus de connexió elèctrica i el sensor Hall és un exemple de tipus d'aïllament.
A més de la tecnologia del sensor, també cal tenir en compte la posició de la bateria. Per als sistemes de bateries que contenen múltiples cadenes commutables, cada cadena ha d'estar equipada amb un dispositiu de control de corrent per fer un seguiment del desequilibri de potència.
Mesura de la resistència a la derivació
Principi de mesura i característiques:En combinar una baixa resistència, una resistència d'alta precisió i un sistema de mesura de tensió d'alta precisió, es mesura el corrent. La resistència es troba al camí del corrent, i la pèrdua de potència i l'augment de temperatura es produeixen quan el corrent passa. En seleccionar una resistència, cal equilibrar la pèrdua i la necessitat de generar una caiguda de tensió adequada. Quan es mesura amb alta precisió, també s'ha de tenir en compte el coeficient de temperatura i l'estabilitat a llarg termini de la resistència.
Aquest mètode es pot utilitzar per mesurar corrents DC i AC i té els avantatges de la simplicitat, la linealitat i l'amplada de banda elevada. Tanmateix, el rang de mesura està limitat per la precisió de la mesura de tensió.
Comparació de les mesures del costat baix i del costat alt
La mesura del costat baix es refereix a la resistència situada entre el terminal positiu de la bateria i la càrrega. El seu avantatge és que la tensió del mode comú d'entrada és baixa i es pot utilitzar un gran nombre d'amplificadors de sentit de corrent. El circuit és senzill i rendible, però interferirà amb el camí de terra i no pot detectar un bypass de corrent de càrrega elevada.
La mesura lateral alta fa referència a que la resistència es troba entre la càrrega i el pol negatiu o terra de la bateria. El seu avantatge és que pot evitar interferències en el camí de terra i detectar curtcircuits, però requereix una conversió de nivell de la sortida de l'amplificador i requereix que l'amplificador suporti una tensió alta en mode comú.
Sensors de corrent sense contacte (sensors Hall, etc.)
Principi de mesura i avantatges:Utilitzant el camp magnètic generat pel corrent per a la mesura, com sensors Hall basats en l'efecte Hall, sense augmentar la resistència del camí del corrent, sense pèrdues conductores addicionals, amb avantatges d'aïllament elèctric i sense necessitat d'optoacobladors o aïllants digitals addicionals per al condicionament del senyal.
Els sensors Hall es poden comprar com a circuits integrats, col·locats en el camí actual i la seva sortida s'ha de filtrar. També hi ha mòduls complets disponibles per al seu ús, que estan compostos per anells de ferrita que contenen sensors Hall i poden proporcionar aïllament elèctric.
Característiques i limitacions del sensor:El principal desavantatge és l'amplada de banda limitada, que normalment no supera les desenes de kHz, i la deriva de temperatura en el senyal de sortida que cal compensar. Si el sistema de bateries requereix una amplada de banda més gran, s'ha d'utilitzar la mesura de la resistència a la derivació i els sensors Hall són cars i voluminosos.
Mesura de tensió
Diferenciació de la mesura de la tensió de la bateria:En els paquets de bateries d'ions de liti, cal distingir entre mesurar la tensió de cada bateria i la tensió total de la bateria. Els rangs de tensió dels dos són diferents i la suma de totes les tensions de la bateria ha de ser igual a la tensió total, que es pot utilitzar com a criteri per al judici de racionalitat.
Mesura de la tensió de la bateria:generalment es completa amb un xip frontal BMS integrat. El nombre de bateries que es poden connectar als xips del mercat varia, i la redundància i la fiabilitat del sistema també es poden millorar mitjançant CI de supervisió secundària.
Mesura de la tensió de la bateria:completat per una unitat de mesura independent, que inclou un divisor de tensió, un convertidor d'impedància, un filtre i un convertidor analògic a digital (ADC). El divisor de tensió s'utilitza per reduir la tensió de la bateria a un rang adequat, que pot requerir diverses resistències per garantir la seguretat, així com un díode Zener per protegir el circuit posterior. Al mateix temps, s'utilitzen convertidors d'impedància, filtres i ADC per obtenir la tensió mesurada.
Mesura de la temperatura
Tipus i principis comuns de sensors de temperatura:Els sensors de temperatura comuns inclouen tipus de coeficient de temperatura negatiu (NTC) i coeficient de temperatura positiu (PTC), que mesuren la temperatura mesurant la caiguda de tensió sota un corrent constant. La seva resistència varia amb la temperatura i es pot utilitzar dins d'un determinat rang de temperatura, però hi ha problemes no lineals.
Problemes i solucions en l'ús de sensors:A causa de la no linealitat, es requereix una taula de cerca a la cadena de processament digital per calibrar els càlculs de temperatura. També hi ha alguns sensors que utilitzen interfícies digitals que són més còmodes d'utilitzar, però cal tenir en compte els problemes d'EMI quan els col·loqueu a prop de camins d'alta potència als paquets de bateries. Altres mètodes de mesura, com ara el PTC metàl·lic i el termoparell, poden proporcionar una major precisió i un rang de temperatures més ampli, però amb una complexitat electrònica més gran.
Transmissió de dades
Les característiques i escenaris d'aplicació dels diferents busos de comunicació:La comunicació és necessària entre els mòduls BMS i entre el BMS i tot el sistema. El bus CAN s'utilitza habitualment en entorns de vehicles, amb flexibilitat i resistència al soroll; L'autobús LIN és relativament senzill però de velocitat lenta, té poca flexibilitat i no és diferencial, el que el fa adequat per a escenaris amb requisits de costos elevats; Altres interfícies de comunicació de curt abast, com ara SPI, I2C i el bus OneWire, no són adequades per a la comunicació entre mòduls i mòduls propensos a interferències de llarga distància; Si la velocitat del bus CAN és insuficient o es requereix una capacitat determinista en temps real, es pot utilitzar el bus FlexRay o Ethernet.
5. Balanç de la bateria
El motiu de la diferència en el SOC de la bateria:A les bateries connectades en sèrie, les diferències de producció i les diferents condicions de funcionament i ambientals (com ara la temperatura) poden provocar desigualtats entre les bateries. Aquests factors poden provocar diferents condicions inicials, envelliment i taxes d'autodescàrrega, donant lloc a desviacions en els valors de SOC, capacitat i resistència. Aquesta secció se centra principalment en les diferències de SOC i capacitat, i no implica diferències en la resistència interna. La investigació ha demostrat que fins i tot les bateries amb la mateixa capacitat i càrrega inicials experimentaran diferències de capacitat després de l'ús. Per exemple, 18.650 bateries amb la mateixa capacitat inicial, amb una capacitat restant del 80% que l'estàndard de final de vida útil, tenen una vida útil d'entre 1000-1500 vegades. Al mateix temps, hi ha diferències en la velocitat de descàrrega automàtica de diferents bateries, com ara les bateries de paquets toves comercials emmagatzemades a 40 graus C, on la resistència d'autodescàrrega varia entre 10 k Ω i 14 k Ω.
Figura 6. (a) Raons de les cèl·lules de la bateria desequilibrades, nombres basats en [57]; (b) La classificació de diferents mètodes d'equilibri fa referència a la direcció de la transferència d'energia com el nom del mètode no dissipatiu mostrat.
Necessitat d'equilibri:Les diferències en el SOC, la capacitat i la resistència interna poden provocar una disminució de l'energia disponible del paquet de bateries, que es pot resoldre mitjançant un circuit d'equilibri.
Visió general dels mètodes d'equilibri
Implementació de maquinari:La literatura descriu diversos mètodes d'implementació de maquinari per equilibrar circuits, que es poden classificar en diferents estructures de topologia, mètodes de control (com ara actiu/passiu) o disponibilitat comercial.
Mètodes d'equilibri en aplicacions comercials:La majoria dels paquets de bateries comercials utilitzen sistemes d'equilibri passiu controlat, aconseguits mitjançant resistències d'equilibri paral·lel als dos extrems de la bateria. Aquest mètode només pot resoldre el problema de la variació del SOC, amb un corrent d'equilibri petit (uns 100 mA) i sense canvis en la capacitat de la bateria, que pot estar limitat per la dissipació d'energia del BMS o el diàmetre del cable entre la bateria i el circuit de monitorització. Cada bateria o combinació paral·lela de bateria té una resistència d'equilibri commutable amb un valor de resistència entre 30 Ω -40 Ω (suposant una tensió de la bateria de 4,2 V) i cada bateria consumeix energia entre 387 mW -430 mW.
Mètodes per resoldre diferents problemes de capacitat:Per resoldre diferents problemes de capacitat, es necessiten mètodes més complexos per redistribuir l'energia entre bateries mitjançant l'electrònica de potència. Tanmateix, aquests mètodes requereixen algorismes de control complexos i inductors cars. Tot i que hi ha productes BMS IC relacionats, no s'han utilitzat àmpliament en els paquets de bateries d'automòbils comercials.
6. Seguretat and fiabilitat
L'objectiu general de la reducció del risc:Un dels principals objectius de BMS és reduir els riscos associats al funcionament de les bateries d'ions de liti en els paquets de bateries.
Figura 7. Model de circuit equivalent del front-end d'adquisició de voltatge de la bateria, que demostra la detectabilitat de fallades de la línia de detecció.
Mesures específiques de seguretat
Seguretat d'alta tensió:La seguretat d'alta tensió del paquet de bateries es garanteix mitjançant el control de l'aïllament i els circuits d'enclavament, que poden reduir el risc d'arc causat per la contaminació o la condensació. Al mateix temps, el disseny del maquinari BMS ha de seguir els estàndards rellevants per garantir la distància de fuga i l'espai lliure elèctric de la PCB i els connectors.
Aïllament elèctric:Per garantir l'aïllament elèctric de l'alta tensió de la bateria a les interfícies amb altres unitats de control o fonts d'alimentació auxiliars, es poden utilitzar equips d'aïllament que compleixin l'estàndard d'"aïllament millorat". S'utilitzen optoacobladors tradicionals, però ara els "aïlladors digitals" tenen un millor rendiment de CI.
Mesures de prevenció d'incendis:Col·loqueu sensors de temperatura dins de la bateria i responeu a temperatures crítiques. També es poden utilitzar mètodes de detecció de temperatura sense sensor (com ara l'espectroscòpia d'impedància electroquímica) i nous mètodes de mesura de temperatura per reduir el risc d'incendi.
Contactor i fusible:Utilitzeu un contactor per desconnectar la bateria del sistema, mentre es coordina amb un fusible. Tingueu en compte les característiques operatives d'ambdós i l'impacte de la capacitat i la inductància paràsites dins del paquet de bateries en la selecció de fusibles.
Seguretat interna de les bateries:BMS hauria d'assegurar-se que la bateria es carregui dins del rang de temperatura especificat, evitant el revestiment de liti a baixa temperatura i la descàrrega profunda abans de l'operació. Al mateix temps, es poden utilitzar algorismes de diagnòstic per detectar curtcircuits interns.
Figura 8. Mesura de l'aïllament: (a) Aïllament en connexions IT; (b) Esquema de mesura de l'aïllament.
Problemes relacionats amb el disseny de maquinari de BMS
Detecció d'errors del sensor:Amb l'augment de la complexitat de la implementació de maquinari i programari BMS, augmenta la probabilitat d'errors de programari i errors en els sensors. Per exemple, els errors del cable en la detecció de la tensió de la bateria no es detecten fàcilment només mitjançant la mesura de la tensió, però es poden detectar mitjançant sistemes d'equilibri de bateria o circuits de font de corrent.
Comprovació de validesa del sensor:Altres errors, com ara defectes del sensor, es poden detectar mitjançant algorismes de diagnòstic i es pot comprovar la validesa dels senyals del sensor mitjançant el comportament elèctric de la bateria.
Mesura de l'aïllament
La importància i l'estructura del sistema de mesura de l'aïllament:El sistema d'alta tensió dels vehicles elèctrics o parcialment elèctrics es construeix normalment com una xarxa informàtica i necessita detectar la primera avaria. Quan es mesura la resistència d'aïllament, cal tenir en compte les característiques de capacitat i resistència del sistema, ja que la capacitat pot interferir amb la mesura.
Mètodes de mesura habituals:Els mètodes comuns inclouen mesurar el corrent en mode comú mitjançant una bobina de bucle i calcular la resistència d'aïllament canviant el potencial entre el sistema i el xassís mitjançant interruptors i resistències. També s'introdueixen altres mètodes més senzills o més complexos.
Normes de mesura d'aïllament:La mesura d'aïllament té especificacions estàndard rellevants per als mètodes de mesura i els requisits mínims de resistència d'aïllament. Els diferents estàndards tenen diferències en els mètodes de mesura, els valors de la resistència i el temps de mesura.
7. Resum
Requisits generals i consideracions de disseny:Aquest article presenta conceptes comuns de maquinari BMS, partint dels requisits generals i proporcionant consideracions d'implementació. El procés de disseny ha d'incloure tants paràmetres com sigui possible, però els requisits s'han d'establir segons les necessitats del dispositiu objectiu. Els requisits de les diferents aplicacions varien molt, i aquests requisits són un bon punt de partida per a consideracions de disseny de la bateria.
Topologia BMS:L'estructura del sistema de bateries afecta la topologia BMS, i algunes aplicacions utilitzen mètodes especials de control per reduir el pes o la complexitat, com ara les quatre bateries de vehicles elèctrics comercials comparades a la secció 3.3, que tenen alguns punts en comú a causa de les seves aplicacions similars (com ara utilitzar la comunicació CAN). ), però difereixen en integració i comunicació interna.
Mesura del valor físic:La secció 4 ofereix una introducció detallada als mètodes de recollida i transmissió dels valors físics requerits. Els diferents requisits de mesura requereixen la selecció de diferents mètodes en funció de les restriccions i necessitats de l'aplicació.
Problema d'equilibri:La secció 5 descriu els motius i els mètodes de compensació del desequilibri de càrrega a les bateries en sèrie, sent l'equilibri passiu actualment el mètode més utilitzat.
Seguretat i fiabilitat:La secció 6 ofereix una visió general dels aspectes de seguretat, inclòs el compliment dels intervals de funcionament de la bateria per garantir la vida útil i protegir els usuaris dels perills d'alta tensió. Introdueix mètodes estàndard per al control de l'aïllament i esmenta la necessitat de tenir en compte els riscos a nivell del sistema a l'hora de protegir les bateries.