Systém správy baterie
Battery Management System (BMS) je zařízení používané k efektivní správě bateriových sad. U elektrických vozidel může dobře-navržený hardware a software BMS efektivně zvýšit dojezd, prodloužit životnost baterie, snížit provozní náklady a zajistit bezpečnost a spolehlivost napájecí baterie. Systém řízení baterie se stal nepostradatelnou základní součástí elektromobilů. Tato kapitola se zaměří na představení složení, funkcí a pracovních principů systému správy baterie.
Architektura systému
Typický hardware systému správy baterie (BMS) zahrnuje především jednotku správy baterie (BMU), jednotku správy buněk (CMU), senzory, kabelové svazky atd. Při navrhování velkokapacitních-bateriových systémů je rozhodující volba architektury BMS, která přímo určuje způsoby připojení mezi hardwarovými jednotkami a přístup k programování softwaru a ovlivňuje náklady na systém, spolehlivost, snadnost instalace a údržby a přesnost měření. Na základě topologie mezi regulátory v BMS lze BMS obecně rozdělit do dvou typů: integrované a distribuované.
1. Integrovaný BM
2. Distribuované BMS
Na rozdíl od integrovaných topologií rozdělují distribuované architektury funkčnost BMS na základní desku BMU a více podřízených CMU. Modulární struktura zjednodušuje montáž modulu, optimalizuje uspořádání vzorkovacího svazku a zmírňuje nekonzistence poklesu napětí s jednotným rozestupem. Mezi nevýhody patří vyšší cena a složitější návrh komunikace a ovládání. Na základě rozmanitosti distribuovaných způsobů připojení BMS je lze dále rozdělit na tři typy: hvězdicové připojení (viz Obrázek 8-2), sběrnicové připojení a řetězové připojení.
(1) Hvězdicové připojeníPři zapojení do hvězdy je hlavní deska BMU umístěna centrálně a každý modul CMU je přímo připojen k základní desce BMS pomocí kabelového svazku. Hvězdná spojení usnadňují řízení point{1}}to{2}}a selhání jednoho uzlu CMU nemá významný dopad na systém. S rostoucím počtem modulů však exponenciálně narůstá složitost komunikačních linek ve spojení do hvězdy, což ztěžuje údržbu a omezuje škálovatelnost. Kvůli omezením portů základní desky BMS nelze moduly CMU přidávat libovolně, což je ve velkých-aplikacích poměrně vzácné.
(2) Sběrnicové připojeníSystémová architektura-založená na sběrnici usnadňuje modulární návrh, jak ukazuje obrázek 8-3. BMS je obvykle rozdělen do několika řídicích jednotek: BMU, CMU a Battery Join Box (BJB). BMU, CMU a BJB jsou propojeny přes CAN nebo jiné sběrnicové sítě. BMU provádí základní funkce algoritmu pro správu baterie; CMU provádí získávání napětí článku, vyrovnávání a měření teploty; BJB provádí vysokonapěťové, proudové a teplotní akvizice, řízení stykače a diagnostiku a detekci izolace pro bateriovou sadu; izolace poskytuje elektrickou izolaci, zabraňuje zpětnému toku před spálením obvodové desky a omezuje amplitudu rušení.
Sběrnicová-architektura nabízí flexibilnější komunikační připojení a silnou škálovatelnost, výrazně zjednodušuje návrh hardwarové architektury, dosahuje modularity a zlepšuje použitelnost a přenositelnost systému. Jeho hlavní nevýhodou je poměrně vysoká cena.
Daisy-řetězení je relativně nová metoda připojení, která se objevila v posledních letech. Rozhraní dokáže převést plně-duplexní signály SPI až do rychlosti 1 Mb/s na diferenciální signály a přenášet je pomocí krouceného-párového kabelu a jednoduchého-transformátoru. Například zařízení AFE společnosti Linear Technology (LTC6811) lze vzájemně propojit a vytvořit tak BMS. Datový izolátor nahrazuje malý-nákladový transformátor. Na straně hlavního řídicího mikroprocesoru poskytuje rozhraní hlavního řídicího systému malý adaptér IC (LTC6820). I když je jednosměrné{13}}řetězové propojení jednoduché, selhání kteréhokoli uzlu může ovlivnit komunikaci celého systému. Proto byl vyvinut vylepšený prstencový-řetěz, jak je znázorněn na obrázku 8-4, a byl vyvinut a použit v produktech BMS velkých nových výrobců energetických vozidel, jako je Tesla. Ve srovnání s připojením pomocí sběrnice CAN má řetězové{19}}řetězení nižší náklady a menší velikost, ale má špatnou škálovatelnost, omezený maximální počet uzlů a je obtížné řešit problémy se správou baterie ve složitějších scénářích, jako jsou rozsáhlé systémy pro ukládání energie.
Základní funkce
Mezi základní funkce systému správy baterií (BMS) obecně patří: sběr dat, odhad stavu baterie, správa energie, správa bezpečnosti, správa teploty, řízení vyrovnání, komunikační funkce a rozhraní člověk{0}}stroj. Obrázek 8-5 ukazuje funkční blokové schéma systému správy baterie.
Sběr dat je základem všech algoritmů a ovládacích prvků v systému správy baterií (BMS). Vzorkovací frekvence, přesnost a charakteristiky předfiltru jsou proto zásadními ukazateli ovlivňujícími výkon systému baterie. Rychlost sběru dat je určena scénářem a funkcí. Například se záložním napájecím zdrojem může být rychlost sběru dat až jeden snímek za 10 sekund nebo dokonce za minutu; zatímco u objektů s rychle se měnícím proudem (jako jsou vozidla) musí být data získávána alespoň jednou za 1 sekundu, přičemž některá data související s bezpečností- vyžadují vzorkovací frekvence jen 100 ms nebo 10 ms.
2. Odhad stavu baterie
Odhad stavu baterie zahrnuje především dva aspekty:Stav nabití (SOC)azdravotní stav (SOH). SOC charakterizuje aktuální zbývající nabití akumulátoru a je základem pro odhad dojezdu elektrického vozidla. SOH je parametr používaný k vyjádření zbývající životnosti baterie a dalších zdravotních stavů.
Správa energie zajišťuje, že-energetický výstup a vstup baterie v reálném čase nepřekročí nosnou kapacitu baterie a systému. Ve skutečnosti je kapacita nabíjení/vybíjení baterie kromě jiných faktorů ovlivněna teplotou, SOC a SOH. Současně se na úrovni systému musí zabránit rizikům, jako je přehřátí a roztavení okruhu. Proto je energetický management globálním řídicím procesem primárně využívajícím jako vstupy proud, napětí, teplotu, SOC a SOH.
Monitorování napětí, proudu a teploty baterie, aby bylo zajištěno, že nepřekročí normální rozsahy. Moderní BMS (Battery Management System) nejen monitoruje celou baterii, ale také poskytuje rafinovanou kontrolu nad extrémními podmínkami jednotlivých článků, jako je přebíjení, nadměrné{1}}vybíjení a nad-teplota.
Chlazení baterie, když je její provozní teplota příliš vysoká, a její ohřev, když klesne pod spodní hranici její vhodné provozní teploty, aby se baterie udržela v optimálním provozním rozsahu a udržela se teplotní rovnováha mezi jednotlivými články během provozu. Tepelný management je nezbytný zejména u baterií používaných při vysokém-vybíjení a vysokých-teplotách.
6. Kontrola vyvážení
Nekonzistence ve výkonu baterie může vést k poklesu celkového výkonu baterie a dokonce k bezpečnostním rizikům. Vyrovnávací obvody jsou instalovány mezi jednotlivými články v sadě baterií, aby bylo zajištěno, že podmínky nabíjení a vybíjení každého jednotlivého článku jsou co nejkonzistentnější, čímž se zlepšuje celkový výkon sady baterií.
Zásadní funkcí systému správy baterií (BMS) je umožnit komunikaci parametrů a informací baterie s palubními nebo externími zařízeními, poskytující data pro řízení nabíjení/vybíjení a řízení vozidla. V závislosti na aplikaci může výměna dat využívat různá komunikační rozhraní, jako jsou analogové signály, signály PWM, sběrnice CAN nebo sériová rozhraní I2C.
8. Human-Machine Interface (HMI)
HMI je zprostředkujícím rozhraním pro interakci mezi člověkem-strojem. Využívá vhodná vstupní a výstupní zařízení k efektivnímu umožnění dialogu a interakce mezi lidmi a stroji, které obsluhují. V BMS obsahuje HMI informace na displeji a ovládací tlačítka a knoflíky, konfigurované podle konstrukčních požadavků.
