Abstract
Dit artikel richt zich op de hardwareaspecten van batterijmanagementsystemen (BMS) in elektrische voertuigen en vaste toepassingen. Het doel is om de concepten in bestaande geavanceerde systemen te schetsen, zodat lezers de factoren kunnen begrijpen waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van GBS voor specifieke toepassingen. Na een korte analyse van de algemene vereisten werden verschillende mogelijke topologische structuren van batterijpakketten en hun impact op de complexiteit van het gebouwbeheersysteem bestudeerd. Ter verduidelijking nemen we als voorbeeld vier accupakketten, geselecteerd uit in de handel verkrijgbare elektrische voertuigen. Vervolgens werden de implementatieaspecten van het meten van de vereiste fysieke variabelen (spanning, stroom, temperatuur, enz.), evenals balanceringskwesties en -strategieën besproken. Tenslotte werden veiligheidsoverwegingen en betrouwbaarheidsaspecten besproken.
1. Inleiding
De complexiteit van batterijmanagementsystemen (BMS) is afhankelijk van de toepassing. Een enkele batterij, zo simpel als een mobiele telefoon of e-book reader, kan worden gemeten met een eenvoudig "batterijmeter" IC, dat spanning, temperatuur en stroom kan meten en de laadstatus (SOC) kan schatten. Zo complex als elektrische voertuigen, moet BMS complexere taken uitvoeren. Naast het meten van basisparameters zoals accuspanning, temperatuur en stroom, zijn er ook geavanceerde algoritmen nodig om de beschikbare energie te bepalen voor het berekenen van het vaarbereik.
Dit werk richt zich op het hardwareaspect van beheersystemen voor lithium-ionbatterijen. Deel 2 introduceert de hardwarevereisten voor BMS, inclusief meetwaarden, elektromagnetische interferentie, elektrische isolatie, contactors en redundantie. Hoofdstuk 3 biedt een overzicht van de BMS-topologie, verduidelijkt de verschillen tussen eenvoudige en complexe toepassingen en geeft een voorbeeld van een accupakket voor elektrische voertuigen. In hoofdstuk 4 wordt uitgelegd hoe u kunt voldoen aan de vereisten van fysieke waardemeting en hoe u veelvoorkomende valkuilen kunt tegenkomen. Sectie 5 bespreekt de balans, introduceert en vergelijkt methoden voor het balanceren van kosten. Hoofdstuk 6 richt zich op de veiligheid en betrouwbaarheid, inclusief de risico's en tegenmaatregelen van het gebruik van hoogspanningsbatterijpakketten, en introduceert kort isolatiemeetmethoden en gerelateerde normen.
2. Ontwerpeisen voor Battery Management System (BMS)
Het ontwerpen van een GBS is een complexe taak waarbij rekening moet worden gehouden met specifieke toepassingsvereisten, systeemomgeving en de kenmerken van de gebruikte batterijen, waaruit een reeks systeemvereisten kan worden afgeleid. Over het algemeen zijn de volgende gebouwbeheercomponenten en functionele eisen doorgaans relevant:
Temperatuur verzameling
Sensorselectie en plaatsing:Nauwkeurige temperatuurverzameling is moeilijk bij het ontwerpen van GBS, en er moet rekening worden gehouden met het type sensor (digitaal of analoog) en de locatie voor het meten van de temperatuur van het batterijpakket, die het aantal batterijtemperatuursensoren bepaalt. Soms is het nodig om de temperatuur van contactors, zekeringen of rails te verzamelen. Meestal is er een bepaald aantal kanalen tussen temperatuursensoren en spanningssensoren.
Temperatuurvereisten voor verschillende toepassingsscenario's:Bij de temperatuurvereisten moet rekening worden gehouden met drie situaties: opladen, ontladen en opslag, waarbij ook aandacht moet worden besteed aan de thermische tijdconstante. Lithium-ionbatterijen kunnen niet goed functioneren buiten een specifiek temperatuurbereik, en lithiumplating kan optreden bij hoge stroomsnelheden binnen het normale temperatuurbereik. Daarom is het noodzakelijk om de temperatuur, spanning en stroom nauwkeurig te verzamelen. De thermische capaciteit en thermische geleidbaarheid van batterijen worden beïnvloed door factoren zoals de structuur van de batterij, en onjuiste plaatsing van temperatuursensoren kan leiden tot verkeerde aflezingen en thermische blinde vlekken.
Spanningsverwerving
Acquisitiekanaal en nauwkeurigheid:Klassiek BMS op basis van lithium-ionbatterijen vereist ten minste één spanningsverwervingskanaal voor elke in serie aangesloten batterij, en sommige automobieltoepassingen hebben ook secundaire bescherming (bewerkstelligd via programmeerbare venstervergelijker). De conversiesnelheid van spanningsacquisitiegegevens varieert afhankelijk van de toepassing, en veelgebruikte BMS-front-endchips hebben een bepaalde spanningsnauwkeurigheid en resolutie.
De impact op de SOC-schatting:Als we NMC- en LFP-batterijen als voorbeeld nemen, wordt aangetoond dat de nauwkeurigheid van de spanningsacquisitie een aanzienlijke invloed heeft op de SOC-schatting. Hoe hoger de nauwkeurigheid, hoe nauwkeuriger de SOC-schatting, en het gebruik van alleen spanningsgegevens om de SOC te bepalen is mogelijk niet voldoende.
Figuur 1. De vergelijking van de SOC-onzekerheid hangt af van de spanningsnauwkeurigheid van ± 1 mV.
Huidige collectie
Verzamelmethode en sensorkarakteristieken:SOC kan niet alleen worden bepaald door het meten van de nullastspanning (OCV), maar ook door gebruik te maken van de Coulomb-telmethode (stroom meten en integreren). Huidige sensoren hebben echter niet-ideale kenmerken zoals drift-, offset- en temperatuurfouten, en moeten mogelijk tegelijkertijd aan verschillende meetbereikvereisten voldoen en een bepaalde bandbreedte hebben.
In praktische toepassingen is het onnauwkeurig om uitsluitend op Coulomb-tellingen te vertrouwen om de SOC te bepalen, vooral onder omstandigheden met lage stroomsterkte. Om dit probleem op te lossen is het mogelijk om algoritmen en geparametriseerde modellen te combineren om huidige gegevens te verwerken, maar dit valt buiten het bestek van dit artikel.
Communicatievereisten
Communicatie binnen het systeem:BMS moet communiceren met het hele systeem (zoals vermogenselektronica, energiebeheer of voertuigregeleenheden), waarbij rekening wordt gehouden met factoren zoals communicatiemodus, snelheid, robuustheid en betrouwbaarheid. Het kan bijvoorbeeld nodig zijn dat CAN-interfaces in voertuigen worden voorzien voor systeemcommunicatie, en dat verschillende toepassingen mogelijk al communicatie-eisen op systeemniveau hebben bepaald, waaraan het BMS zich moet aanpassen.
Communicatie tussen modules:Voor modulaire systemen is het noodzakelijk om de communicatiemethode tussen master- en slave-modules te definiëren, die vergelijkbaar is met de basisvereisten voor communicatie tussen systemen. Specifieke voorbeelden zijn te vinden in de volgende hoofdstukken.
Bescherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI).
De impact van EMI op sensoren:EMI kan de gegevensverzameling van sensoren beïnvloeden, en alle sensoren zijn gevoelig voor de invloed ervan, wat kan resulteren in een lichte vervorming of volledige nutteloosheid van gegevens.
Maatregelen om de impact van EMI te verminderen:Om de impact te minimaliseren moeten motoren, vermogenselektronische componenten en andere belastingen een goed EMI-ontwerp hebben, en kunnen geschikte EMI-filterapparaten zoals common-mode-smoorspoelen en blokkeercondensatoren worden gebruikt en in de buurt van het sensormeetpad worden geïnstalleerd.
Vereisten met betrekking tot contactors
De functie en vereisten van contactors:De meeste batterijpakketten vereisen de mogelijkheid om ten minste één elektrode elektrisch te ontkoppelen, waarvoor een geschikte contactor nodig is. Vanwege de bijzondere aard van DC-stroomonderbreking en boogdoving moeten contactors magnetische boogdovende apparaten hebben en contactlassen vermijden.
Veiligheidsmaatregelen:Om de veiligheid te garanderen, is tijdens de werking van de contactorschakelaar een speciaal circuit (zoals een voorlaadeenheid bestaande uit een in serie geschakelde schakelaar en weerstand) vereist om ervoor te zorgen dat er geen potentiaalverschil is tussen de twee uiteinden en om gevaarlijke situaties te voorkomen.
Redundantievereisten
De rol van redundantie in de systeembetrouwbaarheid:Volgens de ISO 26262-norm kan redundantie de systeembetrouwbaarheid verbeteren. De batterijspanning wordt meestal tot op zekere hoogte redundant waargenomen, met twee methoden: nauwkeurige meting door de hoofdchip en binaire informatie geleverd door de hulpchip.
Redundantieconcept op hoger niveau:Redundantieconcepten bestaan ook bij verwerking op een hoger niveau, zoals lock-stepping, geheugenfoutcorrectie en zelftestmechanismen in speciale CPU's.
Vereisten voor elektrische isolatie
Isolatie van het batterijpakket:Het batterijpakket is meestal verdeeld in hoogspannings- en laagspanningsonderdelen, die elektrische isolatie vereisen en kunnen worden bereikt via optische, inductieve of capacitieve methoden.
Isolatie van thermische sensoren:Alle thermische sensoren moeten ook elektrisch geïsoleerd zijn om hoogspanningsfouten te voorkomen die laagspanningsonderdelen aantasten, vergelijkbaar met het concept van de lay-out van het IT-netwerk voor stroomdistributie.
Evenwichtsvereisten
De impact van een onbalans in de lading:Er kan een onbalans in de lading optreden tussen in serie geschakelde accu's, wat de systeemprestaties en betrouwbaarheid kan beïnvloeden, en het is over het algemeen vereist om deze op een laag niveau te houden.
Speciale toepassingsoverwegingen:Voor verschillende toepassingen kunnen speciale overwegingen gelden, zoals gewichtsbeperkingen of laadstroomvereisten, die kunnen leiden tot het genereren van balanceringsstroom. In paragraaf 5 worden de noodzaak en de implementatiemethoden van balanceren verder geïntroduceerd.
Andere vereisten
Applicatiegerelateerde vereisten:De toepassing kan ook enkele andere vereisten hebben, zoals ruimte, kosten, mechanische sterkte van de hardware, gewicht en energieverbruik, die niet de focus van dit artikel vormen, maar waarmee rekening moet worden gehouden.
3. Topologiestructuur van BMS
Overzicht van de structuur van het batterijsysteem:Om aan de elektrische specificaties van het systeem te voldoen, moeten batterijen vaak worden gecombineerd tot batterijpakketten met meerdere verbindingstopologieën. Serieschakeling kan een specifiek spanningsbereik bereiken en de stroom verminderen; Parallelle aansluiting kan de capaciteit vergroten. Er zijn verschillende varianten in praktische toepassingen, zoals parallelle aansluiting van batterijen met kleine capaciteit in modules en serieschakeling, of direct gebruik van batterijen met grote capaciteit in serieschakeling. Verschillende topologieën hebben verschillende gevolgen voor de complexiteit van BMS, zoals de hogere kosten voor monitoring en balancering wanneer meerdere seriebatterijen parallel zijn aangesloten.
Figuur 2. Schematisch diagram van verschillende batterijtopologieën: (a) enkele cel; (b) Parallelle aansluiting van twee batterijen; (c) Serieschakeling van drie batterijen; (d) Parallelle aansluiting van twee series en drie series batterijen; (e) Een serieschakeling van drie modules bestaande uit twee parallelle batterijen.
Tabel 1. De kenmerken van topologische varianten worden weergegeven in Figuur 2.
Geef een voorbeeld om de batterijverbindingsmethode en de vereisten voor het spanningsmeetkanaal te illustreren: de combinatie van in de m-serie aangesloten batterijen en n parallel aangesloten batterijen vereist bijvoorbeeld verschillende aantallen spanningsmeetkanalen voor verschillende verbindingsmethoden.
Discussie over speciale gevallen:In sommige speciale toepassingen (zoals de Mars-sonde en de Rosetta-sonde van de European Space Agency) kan monitoring en balancering van één cel niet worden uitgevoerd vanwege factoren zoals grootte, gewicht en energieverbruik. Hoewel sommige meningen suggereren dat het zorgvuldig selecteren van batterijen uit dezelfde batch monitoring achterwege kan laten, heeft onderzoek aangetoond dat zelfs batterijen uit dezelfde batch verschillend verouderingsgedrag kunnen vertonen, en het achterwege laten van monitoring risico's met zich mee kan brengen. Voor kleine systemen en batterijspanningen binnen een bepaald bereik kan de impact van het achterwege laten van monitoring echter relatief klein zijn.
Geïntegreerde Circuit (IC) gerelateerd
IC met basisbewakingsfunctie:Om de basisbewakingsfunctie van batterijveilige werking te bereiken, bieden halfgeleiderfabrikanten verschillende toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC's). Voor kleine elektronische apparaten met enkele cellen is er een "brandstofmeter" IC die de spanning, stroom en temperatuur kan controleren, de SOC kan schatten en ook functies kan bevatten zoals laadregelaars. Bijvoorbeeld TI's "bq27220" en de gerelateerde IC's van Maxim.
IC voor systemen met een hoog vermogen en een hoge energievraag
Modularisering en functietoewijzing:Voor toepassingen met een hoge vermogens- en/of energiebehoefte bestaat een accupakket uit meerdere accu's en kan het betreffende IC meerdere accu's tegelijkertijd monitoren en balanceringsfunctionaliteit bieden. Er is een centrale module (BMS Master) in het systeem die verantwoordelijk is voor complexe functies zoals SOC-schatting en vermogensvoorspellingsalgoritmen; De front-end IC-module (BMS Slaves) is verantwoordelijk voor basisfuncties zoals signaalacquisitie en filtering.
Figuur 3. Typische BMS-structuur voor toepassingen in elektrische voertuigen.
Verschillende IC-voorbeelden en balanceringsmethoden:TI's bq76PL536A, MAX11068 en LT6802G-2 van TI bieden bijvoorbeeld passieve balancering, terwijl de AS8506C van AMS kan worden gebruikt voor passieve balanceringtopologie en ook actieve balanceringsmogelijkheden biedt. Sommige IC's hebben opvolgers en om de betrouwbaarheid van de spanningsbewaking te verbeteren, kunnen IC's met secundaire bescherming worden gebruikt. Hoewel een volledig redundant GBS de betrouwbaarheid kan verbeteren, zijn de kosten hoog.
Communicatie en datatransmissie
Front-end IC-verbindingsmethode:Front-end IC's kunnen meestal via serieschakeling worden aangesloten, en verschillende IC's hebben verschillende interfacemethoden. MAX11068 is aangesloten via de I2C-poort, TI's bq76PL536A biedt meerdere interfaces en LT6802G-2 is aangesloten via de SPI-bus (hiervoor is een extra digitale isolator vereist).
Systeemcommunicatiemethode:In het systeem worden meestal goedkope microcontrollers gebruikt om IC's op dezelfde PCB aan te sluiten, en worden modules op andere PCB's en GBS-hoofdmodules aangesloten via een veldbus (zoals CAN).
Feitelijk geval
Mitsubishi i-MiEV:De batterij bestaat uit meerdere modules die met schroeven zijn verbonden, met 88 prismatische batterijen. De printplaat op de module bevat bewakings-IC's en temperatuursensoren, en de behuizing van het batterijpakket bevat meerdere componenten. De BMS-hoofdmodule bevindt zich onder de achterbank van het voertuig en communiceert via een interne CAN-bus. Vergeleken met andere batterijen is de interne ruimte ruimer, wat een neveneffect van luchtkoeling kan zijn.
Figuur 4. (a) Mitsubishi i-MiEV-batterijpakket; (b) Volkswagen e-Up accupakket; (c) Smart fortwo electric drive-accupakket. Opmerking: de schaalmethoden zijn verschillend.
Figuur 5. (a) Bovenaanzicht van de Tesla Model S-batterijmodule; (b) Volkswagen e-Up accumodule, 6s2p-module, bovenaanzicht.
Smart Fortwo elektrische editie:De batterij bestaat uit aangesloten zakbatterijen uit de 90-serie, met een koelsysteem, en de basisbewakingstaken worden voltooid door TI's IC, vergelijkbaar met bq76PL536A. Elke PCB bevat meerdere monitoring-IC's en microcontrollers, en de BMS-hoofdmodule bevindt zich in de batterijbehuizing, met hoge integratie en weinig kabels.
Volkswagen e-Up:De batterij bevat meerdere seriemodules, geen koelsysteem of service-ontkoppelingsapparaat, gecentraliseerde BMS-module, verbonden met de batterij en het meet-IC (MAX11068) via een groot aantal spanningsmeetlijnen, met een groot aantal gebalanceerde weerstanden en een microcontroller zonder conversie signalen.
Tesla Model S:De batterij is samengesteld uit een groot aantal 18650-batterijen, verdeeld in meerdere modules, verbonden via verbindingsdraden. Het GBS wordt bewaakt met behulp van TI's bq76PL536A-Q1 en de spanning wordt gemeten via lasdraden. Vergeleken met andere accu’s is het integratieniveau anders, zoals het lage integratieniveau van Volkswagen e-Up en het hoge integratieniveau van Smart Fortwo.
4. Overzicht van de meettechnologie voor HV-batterijsystemen
Het belang van meettechnologie:Meettechnologie is een belangrijk onderdeel van batterijbeheersystemen, die toestandsvariabelen zoals SOC, SOH, SOF, enz. kunnen bepalen. Meestal worden variabelen gemeten zoals batterijspanning, totale spanning, totale stroom en temperatuur van batterijsystemen. Deze toestandsvariabelen kunnen het accusysteem beschermen tegen schade zoals overladen of overmatig ontladen, en het gebruik van het accusysteem optimaliseren.
Sensorvereisten:Bepaal typische vereisten voor sensoren op basis van batterijopslagtoepassingen, inclusief kosten, bandbreedte, nauwkeurigheid, meetbereik en grootte, zoals beschreven in sectie 2.
Huidige meting
Classificatie meetmethode:De huidige verzamelapparatuur is onderverdeeld in twee basissensortechnologieën: elektrische verbinding en isolatie. De veelgebruikte stroomdetectie met shuntweerstand behoort tot het type elektrische verbinding en de Hall-sensor is een voorbeeld van het isolatietype.
Naast sensortechnologie moet ook rekening worden gehouden met de positie in het accupakket. Voor batterijsystemen die meerdere schakelbare strings bevatten, moet elke string worden uitgerust met een stroombewakingsapparaat om de onevenwichtigheid van het vermogen op te sporen.
Meting van shuntweerstand
Meetprincipe en kenmerken:Door een lage weerstand, een hoge precisieweerstand en een uiterst nauwkeurig spanningsmeetsysteem te combineren, wordt de stroom gemeten. De weerstand bevindt zich op het stroompad en er treden vermogensverlies en temperatuurstijging op wanneer de stroom er doorheen gaat. Bij het selecteren van een weerstand is het noodzakelijk om het verlies in evenwicht te brengen met de noodzaak om een geschikte spanningsval te genereren. Bij het meten met hoge nauwkeurigheid moet ook rekening worden gehouden met de temperatuurcoëfficiënt en de stabiliteit op lange termijn van de weerstand.
Deze methode kan worden gebruikt om gelijk- en wisselstromen te meten en heeft de voordelen van eenvoud, lineariteit en hoge bandbreedte. Het meetbereik wordt echter beperkt door de nauwkeurigheid van de spanningsmeting.
Vergelijking van metingen aan de lage en hoge kant
Meting aan de lage kant heeft betrekking op de weerstand die zich tussen de positieve pool van de batterij en de belasting bevindt. Het voordeel is dat de common-mode-ingangsspanning laag is en dat er een groot aantal stroomdetectieversterkers kan worden gebruikt. Het circuit is eenvoudig en kosteneffectief, maar interfereert met het aardpad en kan geen bypass met hoge belastingsstroom detecteren.
Meting aan de hoge kant heeft betrekking op de weerstand die zich tussen de belasting en de negatieve pool of aarde van de batterij bevindt. Het voordeel is dat het aardpadinterferentie kan vermijden en kortsluitingen kan detecteren, maar het vereist niveauconversie van de versterkeruitgang en vereist dat de versterker bestand is tegen hoge common-mode-spanning.
Contactloze stroomsensoren (Hall-sensoren, enz.)
Meetprincipe en voordelen:Gebruik maken van het door stroom gegenereerde magnetische veld voor metingen, zoals Hall-sensoren op basis van Hall-effect, zonder de stroompadweerstand te vergroten, zonder extra geleidingsverliezen, met elektrische isolatievoordelen en zonder de noodzaak van extra optocouplers of digitale isolatoren voor signaalconditionering.
Hall-sensoren kunnen worden gekocht als geïntegreerde schakelingen, op het stroompad worden geplaatst en hun uitvoer moet worden gefilterd. Er zijn ook complete modules beschikbaar die zijn opgebouwd uit ferrietringen met daarin Hall-sensoren en galvanische isolatie kunnen bieden.
Sensorkarakteristieken en beperkingen:Het grootste nadeel is de beperkte bandbreedte, die doorgaans niet groter is dan tientallen kHz, en de temperatuurdrift in het uitgangssignaal waarvoor moet worden gecompenseerd. Als het batterijsysteem een grotere bandbreedte vereist, moet shuntweerstandsmeting worden gebruikt, en Hall-sensoren zijn duur en omvangrijk.
Spanningsmeting
Differentiatie van de spanningsmeting van de accu:Bij lithium-ionbatterijpakketten moet onderscheid worden gemaakt tussen het meten van de spanning van elke batterij en de totale spanning van het batterijpakket. De spanningsbereiken van de twee zijn verschillend en de som van alle batterijspanningen moet gelijk zijn aan de totale spanning, die kan worden gebruikt als criterium voor het beoordelen van de rationaliteit.
Meting van de accuspanning:meestal aangevuld met een geïntegreerde BMS front-end-chip. Het aantal batterijen dat op de markt op chips kan worden aangesloten varieert, en redundantie en systeembetrouwbaarheid kunnen ook worden verbeterd via secundaire supervisie-IC's.
Meting van de accuspanning:aangevuld met een afzonderlijke meeteenheid, inclusief een spanningsdeler, impedantie-omzetter, filter en analoog-naar-digitaal-omzetter (ADC). De spanningsdeler wordt gebruikt om de spanning van het accupakket terug te brengen tot een geschikt bereik, waarvoor mogelijk meerdere weerstanden nodig zijn om de veiligheid te garanderen, evenals een zenerdiode om het volgende circuit te beschermen. Tegelijkertijd worden impedantieconverters, filters en ADC's gebruikt om de gemeten spanning te verkrijgen.
Temperatuurmeting
Veel voorkomende typen en principes van temperatuursensoren:Veel voorkomende temperatuursensoren zijn onder meer de types met negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) en positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC), die de temperatuur meten door de spanningsval bij een constante stroom te meten. Hun weerstand varieert met de temperatuur en kan binnen een bepaald temperatuurbereik worden gebruikt, maar er zijn niet-lineaire problemen.
Problemen en oplossingen bij het gebruik van sensoren:Vanwege niet-lineariteit is een opzoektabel vereist in de digitale verwerkingsketen om temperatuurberekeningen te kalibreren. Er zijn ook enkele sensoren die digitale interfaces gebruiken die handiger in gebruik zijn, maar er moet rekening worden gehouden met EMI-problemen wanneer ze in accupakketten in de buurt van paden met hoog vermogen worden geplaatst. Andere meetmethoden zoals metalen PTC en thermokoppel kunnen een hogere nauwkeurigheid en een groter temperatuurbereik bieden, maar met een hogere elektronische complexiteit.
Gegevensoverdracht
De kenmerken en toepassingsscenario's van verschillende communicatiebussen:communicatie is vereist tussen BMS-modules en tussen BMS en het hele systeem. CAN-bus wordt vaak gebruikt in voertuigomgevingen, met flexibiliteit en geluidsbestendigheid; De LIN-bus is relatief eenvoudig maar traag in snelheid, heeft een slechte flexibiliteit en is niet-differentieel, waardoor deze geschikt is voor scenario's met hoge kosten; Andere korteafstandscommunicatie-interfaces zoals SPI, I2C en OneWire-bus zijn niet geschikt voor lange afstanden, storingsgevoelige module-naar-module-communicatie; Als de CAN-bussnelheid onvoldoende is of real-time deterministische capaciteit vereist is, kan FlexRay-bus of Ethernet worden gebruikt.
5. Batterijbalans
De reden voor het verschil in batterij-SOC:Bij in serie geschakelde accu’s kunnen productieverschillen en verschillende bedrijfs- en omgevingscondities (zoals temperatuur) leiden tot oneffenheden tussen de accu’s. Deze factoren kunnen verschillende beginomstandigheden, veroudering en zelfontlading veroorzaken, wat leidt tot afwijkingen in SOC-, capaciteits- en weerstandswaarden. In deze paragraaf wordt vooral ingegaan op de verschillen in SOC en capaciteit, en wordt niet ingegaan op verschillen in interne weerstand. Uit onderzoek is gebleken dat zelfs batterijen met dezelfde initiële capaciteit en belasting na gebruik verschillen in capaciteit zullen ervaren. 18650-batterijen met dezelfde initiële capaciteit, met een resterende capaciteit van 80% als de norm voor het einde van de levensduur, hebben bijvoorbeeld een levensduur tussen 1000-1500 keer. Tegelijkertijd zijn er verschillen in de zelfontladingssnelheid van verschillende batterijen, zoals commerciële softpack-batterijen die zijn opgeslagen bij 40 graden C, waarbij de zelfontladingsweerstand varieert tussen 10k Ω en 14k Ω.
Figuur 6. (a) Redenen voor ongebalanceerde batterijcellen, cijfers gebaseerd op [57]; (b) De classificatie van verschillende evenwichtsmethoden verwijst naar de richting van energieoverdracht als de naam van de weergegeven niet-dissipatieve methode.
De noodzaak van evenwicht:Verschillen in SOC, capaciteit en interne weerstand kunnen leiden tot een afname van de beschikbare energie van het accupakket, wat kan worden opgelost via een balanscircuit.
Overzicht van balansmethoden
Hardware-implementatie:De literatuur beschrijft verschillende hardware-implementatiemethoden voor het balanceren van circuits, die kunnen worden geclassificeerd in verschillende topologiestructuren, besturingsmethoden (zoals actief/passief) of commerciële beschikbaarheid.
Balanceermethoden in commerciële toepassingen:De meeste commerciële batterijpakketten maken gebruik van gecontroleerde passieve balanceringssystemen, bereikt door parallelle balanceringsweerstanden aan beide uiteinden van de batterij. Deze methode kan alleen het probleem van SOC-variatie oplossen, met een kleine balansstroom (ongeveer 100 mA) en geen verandering in de batterijcapaciteit, die mogelijk wordt beperkt door de energiedissipatie van het BMS of de kabeldiameter tussen de batterij en het bewakingscircuit. Elke batterij of batterij-parallelle combinatie heeft een schakelbare balanceringsweerstand met een weerstandswaarde tussen 30 Ω -40 Ω (uitgaande van een batterijspanning van 4,2 V), en elke batterij verbruikt stroom tussen 387 mW -430 mW.
Methoden voor het oplossen van verschillende capaciteitsproblemen:Om verschillende capaciteitsproblemen op te lossen zijn complexere methoden nodig om energie tussen batterijen te herverdelen met behulp van vermogenselektronica. Deze methoden vereisen echter complexe besturingsalgoritmen en dure inductoren. Hoewel er verwante BMS IC-producten bestaan, worden deze nog niet op grote schaal gebruikt in commerciële accupakketten voor auto's.
6. Veiligheidd betrouwbaarheid
Het algemene doel van risicoreductie:Een van de belangrijkste doelstellingen van BMS is het verminderen van de risico's die gepaard gaan met de werking van lithium-ionbatterijen in batterijpakketten.
Figuur 7. Equivalent circuitmodel van het front-end voor accuspanningsverwerving, dat de detecteerbaarheid van detectielijnfouten aantoont.
Specifieke veiligheidsmaatregelen
Hoogspanningsveiligheid:De hoogspanningsveiligheid van het accupakket wordt gewaarborgd door isolatiebewaking en onderling vergrendelde circuits, die het risico op vonkontladingen als gevolg van vervuiling of condensatie kunnen verminderen. Tegelijkertijd moet het BMS-hardwareontwerp de relevante normen volgen om de kruipafstand en elektrische speling van de PCB en connectoren te garanderen.
Elektrische isolatie:Om elektrische isolatie tegen hoge batterijspanning bij interfaces met andere besturingseenheden of hulpstroombronnen te garanderen, kan isolatieapparatuur worden gebruikt die voldoet aan de "verbeterde isolatie" -norm. Er worden traditionele optocouplers gebruikt, maar nu hebben "digitale isolatoren" betere IC-prestaties.
Brandpreventiemaatregelen:Plaats temperatuursensoren in het accupakket en reageer op kritische temperaturen. Sensorloze temperatuurdetectiemethoden (zoals elektrochemische impedantiespectroscopie) en nieuwe temperatuurmeetmethoden kunnen ook worden gebruikt om het risico op brand te verminderen.
Schakelaar en zekering:Gebruik een contactor om het accupakket los te koppelen van het systeem, terwijl u coördineert met een zekering. Houd rekening met de operationele kenmerken van beide en de impact van parasitaire capaciteit en inductie in het batterijpakket op de selectie van zekeringen.
Interne veiligheid van batterijen:BMS moet ervoor zorgen dat de batterij binnen het gespecificeerde temperatuurbereik wordt opgeladen, waarbij lithiumplating bij lage temperatuur en diepe ontlading vóór gebruik worden vermeden. Tegelijkertijd kunnen diagnostische algoritmen worden gebruikt om interne kortsluitingen te detecteren.
Figuur 8. Isolatiemeting: (a) Isolatie in IT-verbindingen; (b) Schematisch diagram van isolatiemeting.
Problemen met het ontwerp van BMS-hardware
Detectie van sensorfouten:Met de toenemende complexiteit van de hardware- en software-implementatie van BMS neemt de kans op softwarefouten en sensorstoringen toe. Kabelfouten bij de detectie van de batterijspanning kunnen bijvoorbeeld niet eenvoudig worden gedetecteerd door alleen spanningsmetingen, maar kunnen worden gedetecteerd via batterijbalanceringssystemen of stroombroncircuits.
Geldigheidscontrole van de sensor:Andere fouten, zoals sensordefecten, kunnen worden gedetecteerd via diagnostische algoritmen, en de geldigheid van sensorsignalen kan worden gecontroleerd met behulp van het elektrische gedrag van de batterij.
Isolatiemeting
Het belang en de systeemstructuur van isolatiemeting:Het hoogspanningssysteem van elektrische of gedeeltelijk elektrische voertuigen is meestal opgebouwd als een IT-netwerk en moet de eerste storing detecteren. Bij het meten van de isolatieweerstand moet rekening worden gehouden met de capaciteits- en weerstandskarakteristieken van het systeem, aangezien capaciteit de meting kan verstoren.
Veel voorkomende meetmethoden:Veel voorkomende methoden zijn onder meer het meten van de common-mode-stroom met behulp van een lusspoel en het berekenen van de isolatieweerstand door het potentiaal tussen het systeem en het chassis te veranderen via schakelaars en weerstanden. Andere eenvoudigere of complexere methoden worden ook geïntroduceerd.
Normen voor isolatiemetingen:Isolatiemeting heeft relevante standaardspecificaties voor meetmethoden en minimale isolatieweerstandseisen. Verschillende normen hebben verschillen in meetmethoden, weerstandswaarden en meettijd.
7. Samenvatting
Algemene eisen en ontwerpoverwegingen:Dit artikel introduceert algemene concepten van BMS-hardware, beginnend bij algemene vereisten en implementatieoverwegingen. Het ontwerpproces moet zoveel mogelijk parameters omvatten, maar de vereisten moeten worden ingesteld op basis van de behoeften van het doelapparaat. De vereisten van verschillende toepassingen variëren enorm, en deze vereisten vormen een goed startpunt voor overwegingen bij het ontwerp van batterijpakketten.
GBS-topologie:De structuur van het batterijsysteem heeft invloed op de BMS-topologie, en sommige toepassingen gebruiken speciale monitoringmethoden om het gewicht of de complexiteit te verminderen, zoals de vier batterijen voor commerciële elektrische voertuigen die in paragraaf 3.3 worden vergeleken, die enkele overeenkomsten vertonen vanwege hun vergelijkbare toepassingen (zoals het gebruik van CAN-communicatie ), maar verschillen qua integratie en interne communicatie.
Fysieke waardemeting:Hoofdstuk 4 biedt een gedetailleerde inleiding tot de methoden voor het verzamelen en verzenden van vereiste fysieke waarden. Verschillende meetvereisten vereisen de selectie van verschillende methoden op basis van toepassingsbeperkingen en -behoeften.
Evenwichtsprobleem:Hoofdstuk 5 beschrijft de redenen en compensatiemethoden voor onbalans in de lading bij seriebatterijen, waarbij passief evenwicht momenteel de meest gebruikte methode is.
Veiligheid en betrouwbaarheid:Hoofdstuk 6 biedt een overzicht van veiligheidsaspecten, waaronder naleving van het werkingsbereik van batterijen om de levensduur te garanderen en gebruikers te beschermen tegen hoogspanningsgevaren. Het introduceert standaardmethoden voor isolatiemonitoring en vermeldt de noodzaak om bij het beschermen van batterijen rekening te houden met risico's op systeemniveau.