Astratt
Dan l-artikolu jiffoka fuq l-aspetti tal-ħardwer tas-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji (BMS) f'vetturi elettriċi u applikazzjonijiet fissi. L-iskop huwa li jiddeskrivi l-kunċetti f'sistemi avvanzati eżistenti, li jippermetti lill-qarrejja jifhmu l-fatturi li jeħtieġ li jiġu kkunsidrati meta jiddisinjaw BMS għal applikazzjonijiet speċifiċi. Wara analiżi qasira tar-rekwiżiti ġenerali, ġew studjati diversi strutturi topoloġiċi possibbli ta 'pakketti ta' batteriji u l-impatt tagħhom fuq il-kumplessità tal-BMS. Teħid ta 'erba' pakketti ta 'batteriji magħżula minn vetturi elettriċi disponibbli kummerċjalment bħala eżempju għal spjegazzjoni. Sussegwentement, ġew diskussi l-aspetti ta 'implimentazzjoni tal-kejl tal-varjabbli fiżiċi meħtieġa (vultaġġ, kurrent, temperatura, eċċ.), kif ukoll kwistjonijiet ta' bilanċ u strateġiji. Fl-aħħarnett, ġew diskussi kunsiderazzjonijiet ta' sikurezza u aspetti ta' affidabbiltà.
1. Introduzzjoni
Il-kumplessità tas-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji (BMS) tiddependi fuq l-applikazzjoni. Batterija waħda, sempliċi daqs mowbajl jew qarrej tal-ktieb elettroniku, tista 'titkejjel b'IC sempliċi ta' "miter tal-batterija", li jista 'jkejjel il-vultaġġ, it-temperatura u l-kurrent u jistma l-istat ta' ħlas (SOC). Kumpless daqs il-vetturi elettriċi, il-BMS jeħtieġ li jlesti ħidmiet aktar kumplessi. Minbarra l-kejl tal-parametri bażiċi bħall-vultaġġ tal-batterija, it-temperatura u l-kurrent, algoritmi avvanzati huma meħtieġa wkoll biex jiddeterminaw l-enerġija disponibbli għall-kalkolu tal-firxa tal-kruċiera.
Dan ix-xogħol jiffoka fuq l-aspett tal-ħardwer tas-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji tal-jone tal-litju. Il-Parti 2 tintroduċi r-rekwiżiti tal-ħardwer għall-BMS, inklużi valuri tal-kejl, interferenza elettromanjetika, iżolament elettriku, kuntatturi, u redundancy. It-Taqsima 3 tipprovdi ħarsa ġenerali lejn it-topoloġija tal-BMS, tiċċara d-differenzi bejn applikazzjonijiet sempliċi u kumplessi, u tipprovdi eżempju ta 'pakkett ta' batterija ta 'vettura elettrika. It-Taqsima 4 tispjega kif tissodisfa r-rekwiżiti tal-kejl tal-valur fiżiku u l-iżvantaġġi komuni. It-Taqsima 5 tiddiskuti l-bilanċ, tintroduċi u tqabbel il-metodi tal-ibbilanċjar tal-ħlas. It-Taqsima 6 tiffoka fuq is-sikurezza u l-affidabbiltà, inklużi r-riskji u l-kontromiżuri tat-tħaddim ta 'pakketti ta' batteriji ta 'vultaġġ għoli, u tintroduċi fil-qosor metodi ta' kejl tal-insulazzjoni u standards relatati.
2. Rekwiżiti tad-disinn għas-Sistema ta' Ġestjoni tal-Batterija (BMS)
Id-disinn ta 'BMS huwa kompitu kumpless li jeħtieġ konsiderazzjoni ta' rekwiżiti speċifiċi ta 'applikazzjoni, ambjent tas-sistema, u l-karatteristiċi tal-batteriji użati, li minnhom jistgħu jiġu derivati serje ta' rekwiżiti tas-sistema. B'mod ġenerali, il-komponenti tal-BMS u r-rekwiżiti funzjonali li ġejjin huma ġeneralment rilevanti:
Ġbir tat-temperatura
Għażla u tqegħid tas-sensuri:Il-ġbir preċiż tat-temperatura huwa diffiċli meta tiddisinja l-BMS, u t-tip ta 'sensor (diġitali jew analogu) u l-post għall-kejl tat-temperatura tal-pakkett tal-batterija jeħtieġ li jiġu kkunsidrati, li jiddetermina n-numru ta' sensuri tat-temperatura tal-batterija. Xi drabi huwa meħtieġ li tinġabar it-temperatura ta 'kuntatturi, fjusis, jew busbars. Normalment, hemm ċertu proporzjon ta 'kanali bejn sensuri tat-temperatura u sensuri tal-vultaġġ.
Rekwiżiti tat-temperatura għal xenarji ta' applikazzjoni differenti:Ir-rekwiżiti tat-temperatura jeħtieġ li jikkunsidraw tliet sitwazzjonijiet: iċċarġjar, ħatt u ħażna, filwaqt li tingħata attenzjoni wkoll lill-kostanti tal-ħin termali. Il-batteriji tal-jone tal-litju ma jistgħux jaħdmu sew barra minn firxa ta 'temperatura speċifika, u l-kisi tal-litju jista' jseħħ b'rati ta 'kurrent għoljin fil-medda ta' temperatura normali. Għalhekk, huwa meħtieġ li tinġabar b'mod preċiż it-temperatura, il-vultaġġ u l-kurrent. Il-kapaċità termali u l-konduttività termali tal-batteriji huma affettwati minn fatturi bħall-istruttura tal-batterija, u t-tqegħid mhux xieraq tas-sensuri tat-temperatura jista 'jwassal għal qari ħażin u blind spots termali.
Akkwist tal-vultaġġ
Kanal tal-akkwist u preċiżjoni:BMS klassiċi bbażati fuq batteriji tal-jone tal-litju jeħtieġu mill-inqas kanal wieħed ta 'akkwist ta' vultaġġ għal kull batterija konnessa f'serje, u xi applikazzjonijiet awtomotivi għandhom ukoll protezzjoni sekondarja (mikseb permezz ta 'komparatur ta' tieqa programmabbli). Ir-rata ta 'konverżjoni tad-dejta tal-akkwist tal-vultaġġ tvarja skont l-applikazzjoni, u ċ-ċipep front-end tal-BMS użati b'mod komuni għandhom ċerta preċiżjoni u riżoluzzjoni tal-vultaġġ.
L-impatt fuq l-istima tas-SOC:Meta tieħu batteriji NMC u LFP bħala eżempji, huwa muri li l-eżattezza tal-akkwist tal-vultaġġ għandha impatt sinifikanti fuq l-istima SOC. Aktar ma tkun għolja l-eżattezza, iktar tkun preċiża l-istima tas-SOC, u l-użu biss tad-dejta tal-vultaġġ biex jiddetermina SOC jista 'ma jkunx biżżejjed.
Figura 1. It-tqabbil tal-inċertezza SOC jiddependi fuq l-eżattezza tal-vultaġġ ta '± 1 mV.
Ġbir kurrenti
Metodu tal-ġbir u karatteristiċi tas-sensorju:SOC jista 'jiġi ddeterminat mhux biss billi jitkejjel il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ (OCV), iżda wkoll bl-użu tal-metodu tal-għadd Coulomb (kejl tal-kurrent u integrazzjoni). Madankollu, is-sensuri tal-kurrent għandhom karatteristiċi mhux ideali bħal drift, offset, u żbalji fit-temperatura, u jista 'jkollhom bżonn jissodisfaw simultanjament rekwiżiti differenti ta' firxa ta 'kejl u jkollhom ċertu bandwidth.
F'applikazzjonijiet prattiċi, li tiddependi biss fuq l-għadd Coulomb biex tiddetermina SOC mhix preċiża, speċjalment taħt kundizzjonijiet ta 'kurrent baxx. Biex issolvi din il-problema, huwa possibbli li tgħaqqad algoritmi u mudelli parametrizzati biex tipproċessa d-dejta kurrenti, iżda dan huwa lil hinn mill-ambitu ta 'dan l-artikolu.
Rekwiżiti ta' komunikazzjoni
Komunikazzjoni fi ħdan is-sistema:BMS jeħtieġ li jikkomunika mas-sistema kollha (bħal elettronika tal-enerġija, ġestjoni tal-enerġija, jew unitajiet ta 'kontroll tal-vettura), filwaqt li jitqiesu fatturi bħall-mod ta' komunikazzjoni, il-veloċità, ir-robustezza u l-affidabbiltà. Pereżempju, l-interfaces CAN jistgħu jeħtieġu li jiġu pprovduti fil-vetturi għall-komunikazzjoni tas-sistema, u applikazzjonijiet differenti jistgħu jkunu diġà ddeterminaw rekwiżiti ta 'komunikazzjoni fil-livell tas-sistema, li l-BMS jeħtieġ li tadatta għalihom.
Komunikazzjoni bejn il-moduli:Għal sistemi modulari, huwa meħtieġ li jiġi definit il-metodu ta 'komunikazzjoni bejn il-moduli master u slave, li huwa simili għar-rekwiżiti bażiċi għall-komunikazzjoni bejn is-sistemi. Eżempji speċifiċi jistgħu jinstabu fil-kapitoli sussegwenti.
Protezzjoni ta' interferenza elettromanjetika (EMI).
L-impatt tal-EMI fuq is-sensuri:L-EMI jista 'jaffettwa l-ġbir tad-dejta tas-sensuri, u s-sensuri kollha huma suxxettibbli għall-influwenza tagħha, li tista' tirriżulta f'distorsjoni żgħira jew inutilità sħiħa tad-dejta.
Miżuri biex jitnaqqas l-impatt tal-IME:Biex jimminimizzaw l-impatt, muturi, komponenti elettroniċi tal-qawwa, u tagħbijiet oħra għandhom ikollhom disinn EMI tajjeb, u jistgħu jintużaw apparati ta 'filtrazzjoni EMI xierqa bħal ċowk tal-mod komuni u capacitors li jimblokkaw, u installati ħdejn il-mogħdija tal-kejl tas-sensorju.
Rekwiżiti relatati mal-kuntatturi
Il-funzjoni u r-rekwiżiti tal-kuntatturi:Ħafna mill-pakketti tal-batteriji jeħtieġu l-abbiltà li jiskonnettjaw elettrikament mill-inqas elettrodu wieħed, li jeħtieġ kuntattur adattat. Minħabba n-natura speċjali tal-interruzzjoni tal-kurrent DC u t-tifi tal-ark, il-kuntatturi jeħtieġ li jkollhom apparati tat-tifi tal-ark manjetiku u għandhom jevitaw l-iwweldjar tal-kuntatt.
Miżuri ta' tħaddim ta' sigurtà:Biex tiġi żgurata s-sigurtà, ċirkwit speċjali (bħal unità ta 'ċċarġjar minn qabel li tikkonsisti f'kuntattur u resistor konnessi f'serje) huwa meħtieġ waqt it-tħaddim tal-iswiċċ tal-kuntattur biex jiġi żgurat li ma jkunx hemm differenza potenzjali bejn iż-żewġt itruf u jiġu evitati sitwazzjonijiet perikolużi.
Rekwiżiti ta' redundancy
Ir-rwol tas-sensja fl-affidabilità tas-sistema:Skont l-istandard ISO 26262, is-sensja tista 'ttejjeb l-affidabilità tas-sistema. Il-vultaġġ tal-batterija ġeneralment jiġi osservat b'mod żejda sa ċertu punt, b'żewġ metodi: kejl preċiż miċ-ċippa prinċipali u informazzjoni binarja pprovduta miċ-ċippa awżiljarja.
Kunċett ta’ sensja ta’ livell ogħla:Kunċetti ta 'redundancy jeżistu wkoll fi proċessar ta' livell ogħla, bħal lock stepping, korrezzjoni ta 'żbalji tal-memorja, u mekkaniżmi ta' awto-test f'CPUs speċjali.
Rekwiżiti ta' iżolament elettriku
Iżolament tal-pakkett tal-batterija:Il-pakkett tal-batterija huwa ġeneralment maqsum f'partijiet ta 'vultaġġ għoli u vultaġġ baxx, li jeħtieġu iżolament elettriku u jistgħu jinkisbu permezz ta' metodi ottiċi, induttivi jew abilità.
Iżolament tas-sensorju termali:Is-sensuri termali kollha jeħtieġ ukoll li jkunu iżolati elettrikament biex jiġu evitati ħsarat ta 'vultaġġ għoli li jaffettwaw partijiet ta' vultaġġ baxx, simili għall-kunċett tat-tqassim tan-netwerk tal-IT tad-distribuzzjoni tal-enerġija.
Rekwiżiti tal-bilanċ
L-impatt tal-iżbilanċ tal-ħlas:Jista 'jkun hemm żbilanċ ta' ħlas bejn batteriji konnessi f'serje, li jista 'jaffettwa l-prestazzjoni u l-affidabbiltà tas-sistema, u ġeneralment huwa meħtieġ li jinżamm f'livell baxx.
Konsiderazzjonijiet speċjali dwar l-applikazzjoni:Applikazzjonijiet differenti jista 'jkollhom konsiderazzjonijiet speċjali, bħal restrizzjonijiet ta' piż jew rekwiżiti tal-kurrent tal-iċċarġjar, li jistgħu jwasslu għall-ġenerazzjoni ta 'kurrent ta' bilanċ. It-Taqsima 5 se tintroduċi aktar in-neċessità u l-metodi ta' implimentazzjoni tal-ibbilanċjar.
Rekwiżiti oħra
Rekwiżiti relatati mal-applikazzjoni:L-applikazzjoni jista 'jkollha wkoll xi rekwiżiti oħra, bħall-ispazju, l-ispiża, is-saħħa mekkanika tal-ħardwer, il-piż u l-konsum tal-enerġija, li mhumiex il-fokus ta' dan l-artikolu iżda jeħtieġ li jiġu kkunsidrati.
3. Struttura tat-topoloġija tal-BMS
Ħarsa ġenerali lejn l-istruttura tas-sistema tal-batterija:Sabiex jintlaħqu l-ispeċifikazzjonijiet elettriċi tas-sistema, il-batteriji ħafna drabi jeħtieġ li jiġu kkombinati f'pakketti ta 'batteriji b'topoloġiji ta' konnessjoni multipli. Il-konnessjoni tas-serje tista 'tikseb firxa ta' vultaġġ speċifiku u tnaqqas il-kurrent; Konnessjoni parallela tista 'żżid il-kapaċità. Hemm varjanti differenti f'applikazzjonijiet prattiċi, bħal konnessjoni parallela ta 'batteriji ta' kapaċità żgħira f'moduli u konnessjoni ta 'serje, jew użu dirett ta' batteriji ta 'kapaċità kbira f'konnessjoni ta' serje. Topoloġiji differenti għandhom impatti differenti fuq il-kumplessità tal-BMS, bħall-ispiża miżjuda tal-monitoraġġ u l-ibbilanċjar meta batteriji ta 'serje multipli huma konnessi b'mod parallel.
Figura 2. Dijagramma skematika ta' topoloġiji differenti ta' pakkett ta' batteriji: (a) ċellula waħda; (b) Konnessjoni parallela ta 'żewġ batteriji; (c) Konnessjoni tas-serje ta' tliet batteriji; (d) Konnessjoni parallela ta 'żewġ serje u tliet batteriji serje; (e) Konnessjoni f'serje ta' tliet moduli li jikkonsistu f'żewġ batteriji paralleli.
Tabella 1. Il-karatteristiċi tal-varjanti topoloġiċi huma murija fil-Figura 2.
Ipprovdi eżempju biex turi l-metodu ta 'konnessjoni tal-batterija u r-rekwiżiti tal-kanal tal-kejl tal-vultaġġ: per eżempju, il-kombinazzjoni ta' batteriji konnessi f'serje m u batteriji konnessi n paralleli teħtieġ numri differenti ta 'kanali ta' kejl tal-vultaġġ għal metodi ta 'konnessjoni differenti.
Diskussjoni ta' każ speċjali:F'xi applikazzjonijiet speċjali (bħas-sonda Mars u s-sonda Rosetta tal-Aġenzija Spazjali Ewropea), il-monitoraġġ u l-ibbilanċjar ta 'ċellula waħda jistgħu ma jitwettqux minħabba fatturi bħad-daqs, il-piż u l-konsum tal-enerġija. Għalkemm xi opinjonijiet jissuġġerixxu li l-għażla bir-reqqa ta 'batteriji mill-istess lott tista' tħalli barra l-monitoraġġ, ir-riċerka wriet li anke batteriji mill-istess lott jista 'jkollhom imġieba ta' tixjiħ differenti, u l-ħruġ ta 'monitoraġġ jista' joħloq riskji. Madankollu, għal sistemi żgħar u vultaġġi tal-batteriji f'ċerta medda, l-impatt li tħalli barra l-monitoraġġ jista 'jkun relattivament żgħir.
Ċirkwit Integrat (IC) relatat
IC b'funzjoni bażika ta' monitoraġġ:Biex tinkiseb il-funzjoni bażika ta 'monitoraġġ ta' tħaddim sikur tal-batterija, il-manifatturi tas-semikondutturi jipprovdu diversi ċirkwiti integrati speċifiċi għall-applikazzjoni (ASICs). Għal apparati elettroniċi żgħar b'ċelloli singoli, hemm IC ta '"gauge tal-fjuwil" li jista' jimmonitorja l-vultaġġ, il-kurrent, u t-temperatura, jistma SOC, u jista 'jinkludi wkoll funzjonijiet bħal regolaturi tal-iċċarġjar. Per eżempju, "bq27220" ta 'TI u ICs relatati ta' Maxim.
IC għal sistemi ta 'domanda għolja ta' enerġija u enerġija
Modularizzazzjoni u Allokazzjoni tal-Funzjonijiet:Għal applikazzjonijiet b'enerġija għolja u/jew rekwiżiti ta 'enerġija, pakkett ta' batteriji jikkonsisti minn batteriji multipli, u l-IC rilevanti jista 'fl-istess ħin jimmonitorja batteriji multipli u jipprovdi funzjonalità ta' bilanċ. Hemm modulu ċentrali (BMS Master) fis-sistema responsabbli għal funzjonijiet kumplessi bħall-istima SOC u algoritmi ta 'tbassir tal-enerġija; Il-modulu IC front-end (BMS Slaves) huwa responsabbli għal funzjonijiet bażiċi bħall-akkwist u l-iffiltrar tas-sinjali.
Figura 3. Struttura BMS tipika għal applikazzjonijiet ta 'vetturi elettriċi.
Eżempji IC differenti u metodi ta' bilanċjar:Per eżempju, bq76PL536A, MAX11068, u LT6802G-2 ta 'TI jipprovdu bilanċjar passiv, filwaqt li AS8506C ta' AMS jista 'jintuża għal topoloġija ta' bilanċjar passiv u jipprovdi wkoll kapaċità ta 'ibbilanċjar attiv. Xi ICs għandhom prodotti suċċessuri, u biex itejbu l-affidabilità tal-monitoraġġ tal-vultaġġ, jistgħu jintużaw ICs ta 'protezzjoni sekondarja. Għalkemm il-BMS kompletament żejda jistgħu jtejbu l-affidabbiltà, l-ispiża hija għolja.
Komunikazzjoni u trażmissjoni tad-data
Metodu ta 'konnessjoni IC ta' quddiem:ICs ta 'quddiem normalment jistgħu jiġu konnessi permezz ta' katina ta 'daisy, u ICs differenti għandhom metodi ta' interface differenti. MAX11068 huwa konness permezz tal-port I2C, bq76PL536A ta 'TI jipprovdi interfaces multipli, u LT6802G-2 huwa konness permezz tal-bus SPI (li jeħtieġ iżolatur diġitali addizzjonali).
Metodu ta' komunikazzjoni tas-sistema:Fis-sistema, mikrokontrolluri bi prezz baxx normalment jintużaw biex jgħaqqdu ICs fuq l-istess PCB, u moduli fuq PCBs oħra u moduli ewlenin BMS huma konnessi permezz tal-fieldbus (bħal CAN).
Każ attwali
Mitsubishi i-MiEV:Il-batterija tikkonsisti minn moduli multipli konnessi b'viti, bi 88 batterija priżmatika. Il-PCB fuq il-modulu fih ICs ta 'monitoraġġ u sensuri tat-temperatura, u l-akkomodazzjoni tal-pakkett tal-batterija fiha komponenti multipli. Il-modulu prinċipali BMS jinsab taħt is-sedili ta 'wara tal-vettura u jikkomunika permezz ta' bus CAN intern. Meta mqabbel ma 'batteriji oħra, l-ispazju intern tiegħu huwa aktar spazjuż, li jista' jkun effett sekondarju tat-tkessiħ tal-arja.
Figura 4. (a) Pakkett tal-batterija Mitsubishi i-MiEV; (b) Pakkett ta' batteriji Volkswagen e-Up; (c) Smart fortwo electric drive battery pack. Nota: Il-metodi tal-iskala huma differenti.
Figura 5. (a) Veduta ta 'fuq tal-modulu tal-batterija Tesla Model S; (b) Modulu tal-batterija Volkswagen e-Up, modulu 6s2p, dehra ta 'fuq.
Smart Fortwo Edizzjoni Elettrika:Il-batterija tikkonsisti f'90 serje ta 'batteriji tal-borża konnessi, b'sistema ta' tkessiħ, u l-kompiti bażiċi ta 'monitoraġġ jitlestew mill-IC ta' TI, simili għal bq76PL536A. Kull PCB fih ICs ta 'monitoraġġ multipli u mikrokontrolluri, u l-modulu prinċipali BMS jinsab ġewwa l-każ tal-batterija, b'integrazzjoni għolja u ftit kejbils.
Volkswagen e-Up:Il-batterija fiha moduli ta 'serje multipli, l-ebda sistema ta' tkessiħ jew apparat ta 'skonnettjar tas-servizz, modulu BMS ċentralizzat, imqabbad mal-batterija u IC tal-kejl (MAX11068) permezz ta' numru kbir ta 'linji ta' kejl tal-vultaġġ, b'numru kbir ta 'resistors bilanċjati u mikrokontrollur mingħajr konverżjoni sinjali.
Tesla Model S:Il-batterija hija magħmula minn numru kbir ta 'batteriji 18650, maqsuma f'moduli multipli, konnessi permezz ta' wajers ta 'bond. Il-BMS huwa mmonitorjat bl-użu tal-bq76PL536A-Q1 ta 'TI u l-vultaġġ jitkejjel permezz ta' wajers tal-iwweldjar. Meta mqabbel ma 'batteriji oħra, il-livell ta' integrazzjoni tiegħu huwa differenti, bħall-livell baxx ta 'integrazzjoni ta' Volkswagen e-Up u l-livell għoli ta 'integrazzjoni ta' Smart Fortwo.
4. Ħarsa ġenerali tat-teknoloġija tal-kejl tas-sistema tal-batterija HV
L-importanza tat-teknoloġija tal-kejl:It-teknoloġija tal-kejl hija komponent ewlieni tas-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji, li jistgħu jiddeterminaw varjabbli tal-istat bħal SOC, SOH, SOF, eċċ Normalment tkejjel varjabbli bħall-vultaġġ tal-batterija, il-vultaġġ totali, il-kurrent totali u t-temperatura tas-sistemi tal-batteriji. Dawn il-varjabbli tal-istat jistgħu jipproteġu s-sistema tal-batterija minn ħsara bħal iċċarġjar żejjed jew skariku eċċessiv, u jottimizzaw l-utilizzazzjoni tas-sistema tal-batterija.
Rekwiżiti tas-sensuri:Iddetermina rekwiżiti tipiċi għal sensuri bbażati fuq applikazzjonijiet għall-ħażna tal-batterija, inklużi l-ispiża, il-bandwidth, l-eżattezza, il-firxa tal-kejl, u d-daqs, kif iddettaljat fit-Taqsima 2.
Kejl kurrenti
Klassifikazzjoni tal-metodu tal-kejl:It-tagħmir tal-ġbir tal-kurrent huwa maqsum f'żewġ teknoloġiji bażiċi tas-sensuri: konnessjoni elettrika u iżolament. Is-sensing tal-kurrent tar-reżistenza tax-shunt li jintuża b'mod komuni jappartjeni għat-tip ta 'konnessjoni elettrika, u s-sensor Hall huwa eżempju ta' tip ta 'iżolament.
Minbarra t-teknoloġija tas-sensorju, il-pożizzjoni fil-pakkett tal-batterija jeħtieġ ukoll li tiġi kkunsidrata. Għal sistemi ta 'batteriji li fihom kordi multipli li jistgħu jinxtegħlu, kull spag għandu jkun mgħammar b'apparat ta' monitoraġġ kurrenti biex jintraċċa l-iżbilanċ tal-enerġija.
Kejl tar-reżistenza tax-shunt
Prinċipju u karatteristiċi tal-kejl:Billi tgħaqqad reżistenza baxxa, reżistenza ta 'preċiżjoni għolja, u sistema ta' kejl ta 'vultaġġ ta' preċiżjoni għolja, il-kurrent jitkejjel. Ir-reżistenza tinsab fuq il-mogħdija tal-kurrent, u telf ta 'enerġija u żieda fit-temperatura jseħħu meta l-kurrent jgħaddi. Meta tagħżel resistor, huwa meħtieġ li jiġi bbilanċjat it-telf u l-ħtieġa li tiġġenera waqgħa tal-vultaġġ xierqa. Meta tkejjel bi preċiżjoni għolja, għandhom jitqiesu wkoll il-koeffiċjent tat-temperatura u l-istabbiltà fit-tul tar-reżistenza.
Dan il-metodu jista 'jintuża biex ikejjel kurrenti DC u AC, u għandu l-vantaġġi ta' sempliċità, linearità, u bandwidth għoli. Madankollu, il-firxa tal-kejl hija limitata mill-eżattezza tal-kejl tal-vultaġġ.
Tqabbil tal-kejl tal-ġenb baxx u tal-ġenb għoli
Il-kejl tal-ġenb baxx jirreferi għar-reżistenza li tinsab bejn it-terminal pożittiv tal-batterija u t-tagħbija. Il-vantaġġ tiegħu huwa li l-vultaġġ tal-mod komuni tad-dħul huwa baxx, u jista 'jintuża numru kbir ta' amplifikaturi tas-sens kurrenti. Iċ-ċirkwit huwa sempliċi u kost-effettiv, iżda se jinterferixxi mal-mogħdija ta 'l-art u ma jistax jikxef bypass tal-kurrent ta' tagħbija għolja.
Il-kejl tal-ġenb għoli jirreferi għar-reżistenza li tinsab bejn it-tagħbija u l-arblu negattiv jew l-art tal-batterija. Il-vantaġġ tiegħu huwa li jista 'jevita interferenza fil-mogħdija ta' l-art u jiskopri ċirkwiti qosra, iżda jeħtieġ konverżjoni tal-livell tal-output tal-amplifikatur u jeħtieġ li l-amplifikatur jiflaħ vultaġġ għoli ta 'modalità komuni.
Kuntatt inqas sensuri tal-kurrent (sensors Hall, eċċ.)
Prinċipju tal-kejl u vantaġġi:L-użu tal-kamp manjetiku ġġenerat mill-kurrent għall-kejl, bħal sensuri Hall ibbażati fuq effett Hall, mingħajr ma tiżdied ir-reżistenza tal-mogħdija tal-kurrent, mingħajr telf konduttiv addizzjonali, b'vantaġġi ta 'iżolament elettriku, u mingħajr il-ħtieġa għal optocouplers addizzjonali jew iżolaturi diġitali għall-kondizzjonament tas-sinjal.
Is-sensuri tas-sala jistgħu jinxtraw bħala ċirkwiti integrati, imqiegħda fuq il-mogħdija kurrenti, u l-output tagħhom jeħtieġ li jiġi ffiltrat. Hemm ukoll moduli kompluti disponibbli għall-użu, li huma komposti minn ċrieki tal-ferrite li fihom sensuri Hall u jistgħu jipprovdu iżolament elettriku.
Karatteristiċi u limitazzjonijiet tas-sensuri:L-iżvantaġġ ewlieni huwa bandwidth limitat, ġeneralment ma jaqbiżx għexieren ta 'kHz, u drift tat-temperatura fis-sinjal tal-ħruġ li jeħtieġ li jiġi kkumpensat. Jekk is-sistema tal-batterija teħtieġ bandwidth ogħla, għandu jintuża kejl tar-reżistenza tax-shunt, u s-sensuri Hall huma għaljin u goffi.
Kejl tal-vultaġġ
Differenzjazzjoni tal-kejl tal-vultaġġ tal-pakkett tal-batterija:F'pakketti ta 'batteriji tal-jone tal-litju, huwa meħtieġ li ssir distinzjoni bejn il-kejl tal-vultaġġ ta' kull batterija u l-vultaġġ totali tal-pakkett tal-batterija. Il-firxiet tal-vultaġġ tat-tnejn huma differenti, u s-somma tal-vultaġġi kollha tal-batterija għandha tkun ugwali għall-vultaġġ totali, li jista 'jintuża bħala kriterju għal ġudizzju ta' razzjonalità.
Kejl tal-vultaġġ tal-batterija:normalment mimlija minn ċippa ta 'quddiem BMS integrata. In-numru ta 'batteriji li jistgħu jiġu konnessi ma' ċipep fis-suq ivarja, u s-sensja u l-affidabilità tas-sistema jistgħu wkoll jitjiebu permezz ta 'ICs ta' superviżjoni sekondarja.
Kejl tal-vultaġġ tal-pakkett tal-batterija:mimlija minn unità ta' kejl separata, inkluż diviżur tal-vultaġġ, konvertitur tal-impedenza, filtru, u konvertitur analogu għal diġitali (ADC). Id-diviżur tal-vultaġġ jintuża biex inaqqas il-vultaġġ tal-pakkett tal-batterija għal firxa xierqa, li tista 'teħtieġ resistors multipli biex tiġi żgurata s-sigurtà, kif ukoll dajowd Zener biex jipproteġi ċ-ċirkwit sussegwenti. Fl-istess ħin, konvertituri tal-impedenza, filtri, u ADCs jintużaw biex jiksbu l-vultaġġ imkejjel.
Kejl tat-temperatura
Tipi u prinċipji komuni ta' sensuri tat-temperatura:Sensuri tat-temperatura komuni jinkludu tipi ta 'koeffiċjent ta' temperatura negattiva (NTC) u koeffiċjent ta 'temperatura pożittiva (PTC), li jkejlu t-temperatura billi jkejlu l-waqgħa tal-vultaġġ taħt kurrent kostanti. Ir-reżistenza tagħhom tvarja skont it-temperatura u tista 'tintuża f'ċerta firxa ta' temperatura, iżda hemm kwistjonijiet mhux lineari.
Problemi u soluzzjonijiet fl-użu tas-sensuri:Minħabba n-nuqqas ta 'linearità, hija meħtieġa tabella ta' tfittxija fil-katina tal-ipproċessar diġitali biex tikkalibra l-kalkoli tat-temperatura. Hemm ukoll xi sensuri li jużaw interfaces diġitali li huma aktar konvenjenti biex jintużaw, iżda l-kwistjonijiet ta 'l-EMI għandhom jiġu nnutati meta jqiegħduhom ħdejn mogħdijiet ta' qawwa għolja f'pakketti ta 'batteriji. Metodi oħra ta 'kejl bħal PTC tal-metall u termokoppja jistgħu jipprovdu preċiżjoni ogħla u firxa ta' temperatura usa ', iżda b'kumplessità elettronika ogħla.
Trażmissjoni tad-dejta
Il-karatteristiċi u x-xenarji ta' applikazzjoni ta' xarabanks ta' komunikazzjoni differenti:komunikazzjoni hija meħtieġa bejn il-moduli BMS u bejn il-BMS u s-sistema kollha. CAN bus huwa komunement użat fl-ambjenti tal-vetturi, bi flessibilità u reżistenza għall-istorbju; Il-linja LIN hija relattivament sempliċi iżda bil-mod fil-veloċità, għandha flessibilità fqira, u mhix differenzjali, u tagħmilha adattata għal xenarji b'rekwiżiti ta 'spejjeż għoljin; Interfaces oħra ta 'komunikazzjoni fuq medda qasira bħal SPI, I2C, u xarabank OneWire mhumiex adattati għal distanzi twal, modulu suxxettibbli għall-interferenza għall-komunikazzjoni tal-modulu; Jekk il-veloċità tax-xarabank CAN hija insuffiċjenti jew tkun meħtieġa kapaċità deterministika f'ħin reali, jistgħu jintużaw FlexRay bus jew Ethernet.
5. Bilanċ tal-batterija
Ir-raġuni għad-differenza fis-SOC tal-batterija:F'batteriji konnessi f'serje, differenzi fil-produzzjoni u kundizzjonijiet operattivi u ambjentali differenti (bħal temperatura) jistgħu jwasslu għal irregolarità bejn il-batteriji. Dawn il-fatturi jistgħu jikkawżaw kundizzjonijiet inizjali differenti, tixjiħ, u rati ta 'kwittanza personali, li jwasslu għal devjazzjonijiet fil-valuri ta' SOC, kapaċità u reżistenza. Din it-taqsima tiffoka prinċipalment fuq id-differenzi fis-SOC u l-kapaċità, u ma tinvolvix differenzi fir-reżistenza interna- Ir-riċerka wriet li anke batteriji bl-istess kapaċità u tagħbija inizjali se jesperjenzaw differenzi fil-kapaċità wara l-użu. Pereżempju, 18650 batteriji bl-istess kapaċità inizjali, b'kapaċità li jifdal ta' 80% bħall-istandard ta' tmiem il-ħajja, għandhom ħajja taċ-ċiklu bejn 1000-1500 darbiet. Fl-istess ħin, hemm differenzi fir-rata ta 'kwittanza awto ta' batteriji differenti, bħal batteriji ta 'pakkett artab kummerċjali maħżuna f'40 grad C, fejn ir-reżistenza għall-kwittanza personali tvarja bejn 10k Ω u 14k Ω.
Figura 6. (a) Raġunijiet għal ċelloli tal-batteriji żbilanċjati, numri bbażati fuq [57]; (b) Il-klassifikazzjoni ta 'metodi ta' ekwilibriju differenti tirreferi għad-direzzjoni tat-trasferiment tal-enerġija bħala l-isem tal-metodu mhux dissipattiv muri.
Il-ħtieġa tal-bilanċ:Id-differenzi fis-SOC, il-kapaċità u r-reżistenza interna jistgħu jwasslu għal tnaqqis fl-enerġija disponibbli tal-pakkett tal-batterija, li tista 'tiġi solvuta permezz ta' ċirkwit tal-bilanċ.
Ħarsa ġenerali tal-Metodi tal-Bilanċ
Implimentazzjoni tal-ħardwer:Il-letteratura tiddeskrivi diversi metodi ta 'implimentazzjoni tal-hardware għall-ibbilanċjar ta' ċirkwiti, li jistgħu jiġu kklassifikati fi strutturi ta 'topoloġija differenti, metodi ta' kontroll (bħal attiv/passiv), jew disponibbiltà kummerċjali.
Metodi ta' bilanċ f'applikazzjonijiet kummerċjali:Il-biċċa l-kbira tal-pakketti tal-batteriji kummerċjali jużaw sistemi ta 'ibbilanċjar passivi kkontrollati, miksuba permezz ta' resistors ta 'ibbilanċjar paralleli fiż-żewġt itruf tal-batterija. Dan il-metodu jista 'biss isolvi l-problema tal-varjazzjoni SOC, b'kurrent ta' bilanċ żgħir (madwar 100 mA) u l-ebda bidla fil-kapaċità tal-batterija, li tista 'tkun limitata mid-dissipazzjoni tal-enerġija tal-BMS jew id-dijametru tal-kejbil bejn il-batterija u ċ-ċirkwit tal-monitoraġġ. Kull batterija jew kombinazzjoni parallela tal-batterija għandha resistor tal-ibbilanċjar li jista 'jinbidel b'valur ta' reżistenza bejn 30 Ω -40 Ω (jekk wieħed jassumi vultaġġ tal-batterija ta '4.2V), u kull batterija tikkonsma enerġija bejn 387 mW -430 mW.
Metodi għas-soluzzjoni ta' problemi ta' kapaċità differenti:Biex issolvi problemi ta 'kapaċità differenti, huma meħtieġa metodi aktar kumplessi biex titqassam mill-ġdid l-enerġija bejn il-batteriji bl-użu tal-elettronika tal-enerġija. Madankollu, dawn il-metodi jeħtieġu algoritmi ta 'kontroll kumplessi u indutturi għaljin. Għalkemm hemm prodotti BMS IC relatati, ma ġewx użati b'mod wiesa 'f'pakketti ta' batteriji tal-karozzi kummerċjali.
6. Sigurtà and affidabbiltà
L-għan ġenerali tat-tnaqqis tar-riskju:Wieħed mill-għanijiet ewlenin tal-BMS huwa li jitnaqqsu r-riskji assoċjati mat-tħaddim ta 'batteriji tal-jone tal-litju f'pakketti ta' batteriji.
Figura 7. Mudell ta 'ċirkwit ekwivalenti tal-front-end tal-akkwist tal-vultaġġ tal-batterija, li juri l-iskoperta ta' ħsarat fil-linja tas-sensing.
Miżuri speċifiċi ta' sigurtà
Sigurtà ta 'vultaġġ għoli:Is-sigurtà ta 'vultaġġ għoli tal-pakkett tal-batteriji hija żgurata permezz ta' monitoraġġ tal-insulazzjoni u ċirkwiti interlocking, li jistgħu jnaqqsu r-riskju ta 'ark ikkawżat minn tniġġis jew kondensazzjoni. Fl-istess ħin, id-disinn tal-ħardwer BMS għandu jsegwi standards rilevanti biex jiżgura d-distanza creepage u t-tneħħija elettrika tal-PCB u l-konnetturi.
Iżolament elettriku:Biex jiġi żgurat iżolament elettriku minn vultaġġ għoli tal-batterija f'interfaces ma 'unitajiet ta' kontroll oħra jew sorsi ta 'enerġija awżiljarji, jista' jintuża tagħmir ta 'iżolament li jissodisfa l-istandard ta' "iżolament imtejjeb". Jintużaw optocouplers tradizzjonali, iżda issa "iżolaturi diġitali" għandhom prestazzjoni aħjar tal-IC.
Miżuri ta' prevenzjoni tan-nar:Poġġi s-sensuri tat-temperatura ġewwa l-pakkett tal-batterija u wieġeb għal temperaturi kritiċi. Jistgħu jintużaw ukoll metodi ta 'skoperta ta' temperatura b'inqas sensur (bħal spettroskopija ta 'impedenza elettrokimika) u metodi ġodda ta' kejl tat-temperatura biex jitnaqqas ir-riskju ta 'nar.
Kuntattur u fjus:Uża contactor biex skonnettja l-pakkett tal-batterija mis-sistema, filwaqt li tikkoordina ma 'fjus. Ikkunsidra l-karatteristiċi operattivi tat-tnejn u l-impatt tal-kapaċità parassitika u l-inductance fi ħdan il-pakkett tal-batterija fuq l-għażla tal-fjusis.
Sigurtà interna tal-batteriji:BMS għandu jiżgura li l-batterija tiġi ċċarġjata fil-medda tat-temperatura speċifikata, u tevita kisi tal-litju b'temperatura baxxa u skariku fil-fond qabel l-operazzjoni. Fl-istess ħin, algoritmi dijanjostiċi jistgħu jintużaw biex jiskopru short circuits interni.
Figura 8. Kejl tal-iżolazzjoni: (a) Insulazzjoni f'konnessjonijiet tal-IT; (b) Dijagramma skematika tal-kejl tal-insulazzjoni.
Kwistjonijiet relatati mad-disinn tal-ħardwer tal-BMS
Sejbien ta' ħsara fis-senser:Bil-kumplessità dejjem tiżdied tal-implimentazzjoni tal-ħardwer u s-softwer tal-BMS, tiżdied il-probabbiltà ta 'żbalji tas-softwer u fallimenti tas-sensuri. Pereżempju, ħsarat fil-kejbils fl-iskoperta tal-vultaġġ tal-batterija mhumiex faċilment skoperti permezz tal-kejl tal-vultaġġ waħdu, iżda jistgħu jiġu skoperti permezz ta 'sistemi ta' bilanċjar tal-batterija jew ċirkwiti tas-sors kurrenti.
Kontroll tal-validità tas-sensor:Difetti oħra bħal difetti tas-sensuri jistgħu jiġu skoperti permezz ta 'algoritmi dijanjostiċi, u l-validità tas-sinjali tas-sensuri tista' tiġi ċċekkjata bl-użu ta 'imġieba elettrika tal-batterija.
Kejl ta' insulazzjoni
L-importanza u l-istruttura tas-sistema tal-kejl tal-insulazzjoni:Is-sistema ta 'vultaġġ għoli ta' vetturi elettriċi jew parzjalment elettriċi hija ġeneralment mibnija bħala netwerk tal-IT u jeħtieġ li tiskopri l-ewwel ħsara. Meta tkejjel ir-reżistenza tal-insulazzjoni, huwa meħtieġ li jitqiesu l-karatteristiċi tal-kapaċità u r-reżistenza tas-sistema, peress li l-kapaċità tista 'tinterferixxi mal-kejl.
Metodi ta' kejl komuni:Metodi komuni jinkludu l-kejl tal-kurrent tal-modalità komuni bl-użu ta 'coil tal-linja u l-kalkolu tar-reżistenza tal-insulazzjoni billi jinbidel il-potenzjal bejn is-sistema u x-chassis permezz ta' swiċċijiet u resistors. Ġew introdotti wkoll metodi oħra aktar sempliċi jew kumplessi.
Standards tal-kejl tal-insulazzjoni:Il-kejl tal-insulazzjoni għandu speċifikazzjonijiet standard rilevanti għal metodi ta 'kejl u rekwiżiti minimi ta' reżistenza għall-insulazzjoni. Standards differenti għandhom differenzi fil-metodi tal-kejl, il-valuri tar-reżistenza, u l-ħin tal-kejl.
7. Sommarju
Rekwiżiti ġenerali u kunsiderazzjonijiet tad-disinn:Dan l-artikolu jintroduċi kunċetti komuni ta 'ħardwer BMS, li jibda minn rekwiżiti ġenerali u jipprovdi kunsiderazzjonijiet ta' implimentazzjoni. Il-proċess tad-disinn għandu jinkludi kemm jista 'jkun parametri, iżda r-rekwiżiti għandhom jiġu stabbiliti skont il-ħtiġijiet tal-apparat fil-mira. Ir-rekwiżiti ta 'applikazzjonijiet differenti jvarjaw ħafna, u dawn ir-rekwiżiti huma punt ta' tluq tajjeb għall-konsiderazzjonijiet tad-disinn tal-pakkett tal-batteriji.
Topoloġija BMS:L-istruttura tas-sistema tal-batterija taffettwa t-topoloġija tal-BMS, u xi applikazzjonijiet jużaw metodi ta 'monitoraġġ speċjali biex inaqqsu l-piż jew il-kumplessità, bħall-erba' batteriji tal-vetturi elettriċi kummerċjali mqabbla fit-Taqsima 3.3, li għandhom xi affarijiet komuni minħabba l-applikazzjonijiet simili tagħhom (bħall-użu tal-komunikazzjoni CAN ), iżda huma differenti fl-integrazzjoni u l-komunikazzjoni interna.
Kejl tal-valur fiżiku:It-Taqsima 4 tipprovdi introduzzjoni dettaljata għall-metodi ta' ġbir u trażmissjoni tal-valuri fiżiċi meħtieġa. Rekwiżiti ta 'kejl differenti jeħtieġu l-għażla ta' metodi differenti bbażati fuq restrizzjonijiet u ħtiġijiet ta 'applikazzjoni.
Problema tal-bilanċ:It-Taqsima 5 tiddeskrivi r-raġunijiet u l-metodi ta 'kumpens għall-iżbilanċ fil-ħlas f'batteriji tas-serje, bil-bilanċ passiv bħalissa huwa l-aktar metodu użat.
Sigurtà u Affidabilità:It-Taqsima 6 tipprovdi ħarsa ġenerali lejn l-aspetti tas-sikurezza, inkluża l-konformità mal-meded operattivi tal-batterija biex tiżgura l-ħajja u tipproteġi lill-utenti minn perikli ta 'vultaġġ għoli. Tintroduċi metodi standard għall-monitoraġġ tal-insulazzjoni u ssemmi l-ħtieġa li jitqiesu r-riskji fil-livell tas-sistema meta jiġu protetti l-batteriji.