Co to jest system zarządzania baterią?

System zarządzania baterią

System zarządzania akumulatorami (BMS) to urządzenie służące do efektywnego zarządzania pakietami akumulatorów. W przypadku pojazdów elektrycznych dobrze-zaprojektowany sprzęt i oprogramowanie BMS może skutecznie zwiększyć zasięg jazdy, wydłużyć żywotność zestawu akumulatorów, obniżyć koszty eksploatacji oraz zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność zestawu akumulatorów. System zarządzania mocą akumulatora stał się nieodzownym, podstawowym elementem pojazdów elektrycznych. W tym rozdziale skupimy się na wprowadzeniu składu, funkcji i zasad działania systemu zarządzania energią akumulatorową.

Architektura systemu

Typowy sprzęt systemu zarządzania baterią (BMS) obejmuje przede wszystkim jednostkę zarządzającą baterią (BMU), jednostkę zarządzającą ogniwami (CMU), czujniki, wiązki przewodów itp. Przy projektowaniu wielkoskalowych-systemów baterii zasilających wybór architektury BMS ma kluczowe znaczenie, bezpośrednio określając metody połączeń między jednostkami sprzętowymi i podejście do programowania oprogramowania oraz wpływając na koszt systemu, niezawodność, łatwość instalacji i konserwacji oraz dokładność pomiarów. W oparciu o topologię pomiędzy sterownikami w systemie BMS, systemy BMS można ogólnie podzielić na dwa typy: zintegrowane i rozproszone.

1. Zintegrowany BM

Zintegrowany BMS, znany również jako jedno-jednostkowy BMS, odnosi się do BMS, który integruje sterownik główny (BMU) i kontroler komórkowy (CMU) w jeden kontroler, przy czym sterownik główny bezpośrednio obsługuje funkcje gromadzenia, przetwarzania i sterowania danymi. Topologię zintegrowanego systemu BMS pokazano na rysunku 8-1.

 

Zintegrowane systemy BMS są kompaktowe, mają silne-zakłócenia i oferują szybką-komunikację na pokładzie, ułatwiając synchroniczne pozyskiwanie danych. Co więcej, mogą realizować wszystkie funkcje BMS w jednym pakiecie, redukując koszty. Jednakże zintegrowane systemy BMS mają złożone złącza i wiązki przewodów, co utrudnia ochronę systemu akumulatorów w przypadku wystąpienia zwarć w różnych częściach systemu. Nadają się tylko do mniejszych modułów akumulatorowych i mają słabą skalowalność i łatwość konserwacji.

 

2. Rozproszony BMS

 

W przeciwieństwie do topologii zintegrowanych, architektury rozproszone dzielą funkcjonalność BMS na BMU płyty głównej i wiele podrzędnych jednostek CMU. Modułowa struktura upraszcza montaż modułów, optymalizuje układ przewodów próbkujących i łagodzi niespójności spadków napięcia przy zachowaniu jednolitych odstępów. Wady obejmują wyższy koszt i bardziej złożony projekt komunikacji i sterowania. W oparciu o różnorodność metod połączeń rozproszonych BMS można je dalej podzielić na trzy typy: połączenie w gwiazdę (patrz rysunek 8-2), połączenie magistrali i połączenie łańcuchowe.

 

(1) Połączenie w gwiazdęW przypadku połączenia w gwiazdę płyta główna BMU jest umieszczona centralnie, a każdy moduł CMU jest bezpośrednio podłączony do płyty głównej BMS za pomocą wiązki przewodów. Połączenia w gwiazdę ułatwiają kontrolę-punkt--, a awaria pojedynczego węzła CMU nie wpływa znacząco na system. Jednakże wraz ze wzrostem liczby modułów złożoność linii komunikacyjnych w połączeniu w gwiazdę rośnie wykładniczo, co utrudnia konserwację i ogranicza skalowalność. Ze względu na ograniczenia portów płyty głównej BMS nie można dodawać modułów CMU w sposób dowolny, co sprawia, że ​​jest to stosunkowo rzadkie w zastosowaniach-na dużą skalę.

 

(2) Połączenie autobusoweArchitektura systemu-oparta na magistrali ułatwia projektowanie modułowe, jak pokazano na rysunku 8-3. BMS jest zazwyczaj podzielony na wiele jednostek sterujących: BMU, CMU i skrzynkę przyłączeniową akumulatora (BJB). BMU, CMU i BJB są połączone za pośrednictwem magistrali CAN lub innych sieci magistrali. BMU wykonuje podstawowe funkcje algorytmu zarządzania baterią; CMU wykonuje akwizycję napięcia ogniwa, wyrównywanie i pomiar temperatury; BJB wykonuje pomiary wysokiego napięcia, prądu i temperatury, sterowanie i diagnostykę styczników oraz wykrywanie izolacji zestawu akumulatorów; izolacja zapewnia izolację galwaniczną, zapobiegając przepływowi zwrotnemu w wyniku spalenia płytki drukowanej i ograniczając amplitudę zakłóceń.

 

Architektura oparta-na magistrali zapewnia bardziej elastyczne połączenia komunikacyjne i dużą skalowalność, co znacznie upraszcza projektowanie architektury sprzętowej, pozwala uzyskać modułowość oraz poprawia zastosowanie i przenośność systemu. Jego główną wadą jest stosunkowo wysoki koszt.

 

Łańcuch-daisy to stosunkowo nowa metoda łączenia, która pojawiła się w ostatnich latach. Interfejs może konwertować-dupleksowe sygnały SPI o szybkości do 1 Mb/s na sygnały różnicowe i przesyłać je za pomocą skrętki-parowej i prostego,-kosztowego transformatora. Na przykład urządzenia AFE firmy Linear Technology (LTC6811) można łączyć ze sobą, tworząc BMS. Mały, niedrogi-transformator zastępuje izolator danych. Po stronie głównego mikroprocesora sterującego mały układ scalony adaptera (LTC6820) zapewnia interfejs głównego sterownika. Chociaż jednokierunkowe-sieci łańcuchowe są proste, awaria dowolnego węzła może mieć wpływ na komunikację całego systemu. Dlatego opracowano ulepszony łańcuch-pierścieniowy, jak pokazano na rysunku 8-4, który został opracowany i zastosowany w produktach BMS głównych producentów pojazdów wykorzystujących nowe źródła energii, takich jak Tesla. W porównaniu z połączeniami magistrali CAN łączenie łańcuchowe-jest tańsze i ma mniejsze rozmiary, ale charakteryzuje się słabą skalowalnością, ograniczoną maksymalną liczbą węzłów i trudnościami w zarządzaniu akumulatorami w bardziej złożonych scenariuszach, takich jak wielkoskalowe systemy magazynowania energii.

Podstawowe funkcje

Ogólnie rzecz biorąc, podstawowe funkcje systemu zarządzania baterią (BMS) obejmują: gromadzenie danych, szacowanie stanu baterii, zarządzanie energią, zarządzanie bezpieczeństwem, zarządzanie temperaturą, kontrolę wyrównania, funkcje komunikacyjne i interfejs człowiek-maszyna. Rysunek 8-5 przedstawia funkcjonalny schemat blokowy systemu zarządzania baterią.

1. Pozyskiwanie danych

Gromadzenie danych jest podstawą wszystkich algorytmów i kontroli w systemie zarządzania akumulatorami (BMS). Dlatego częstotliwość próbkowania, dokładność i charakterystyka-filtra wstępnego to kluczowe wskaźniki wpływające na wydajność systemu akumulatorowego. Szybkość akwizycji danych zależy od scenariusza i funkcji. Na przykład w przypadku zasilania rezerwowego szybkość gromadzenia danych może wynosić zaledwie jedną klatkę na 10 sekund lub nawet na minutę; podczas gdy w przypadku obiektów o szybko zmieniającym się prądzie (takich jak pojazdy) dane muszą być zbierane co najmniej raz na 1 sekundę, a niektóre dane związane z bezpieczeństwem wymagają częstotliwości próbkowania tak niskich jak 100 lub 10 ms.

2. Oszacowanie stanu baterii

Ocena stanu baterii obejmuje głównie dwa aspekty:Stan naładowania (SOC)IStan zdrowia (SOH). SOC charakteryzuje aktualny poziom naładowania pakietu akumulatorów i jest podstawą do szacowania zasięgu jazdy pojazdu elektrycznego. SOH to parametr używany do przedstawienia pozostałej żywotności baterii i innych warunków zdrowotnych.

3. Zarządzanie energią

Zarządzanie energią zapewnia, że-wyjściowa i pobrana energia baterii w czasie rzeczywistym nie przekracza pojemności baterii i systemu. W rzeczywistości na pojemność ładowania/rozładowania akumulatora wpływa między innymi temperatura, SOC i SOH. Jednocześnie na poziomie systemu należy unikać zagrożeń takich jak przegrzanie i stopienie obwodu. Dlatego zarządzanie energią jest globalnym procesem sterowania, w którym jako dane wejściowe wykorzystuje się głównie prąd, napięcie, temperaturę, SOC i SOH.

4. Zarządzanie bezpieczeństwem

Monitorowanie napięcia, prądu i temperatury akumulatora, aby upewnić się, że nie przekraczają one normalnego zakresu. Nowoczesny BMS (system zarządzania akumulatorem) nie tylko monitoruje cały pakiet akumulatorów, ale także zapewnia wyrafinowaną kontrolę nad ekstremalnymi stanami poszczególnych ogniw, takimi jak przeładowanie, nadmierne-rozładowanie i nadmierna-temperatura.

5. Zarządzanie ciepłem

Chłodzenie akumulatora, gdy jego temperatura pracy jest zbyt wysoka i podgrzewanie go, gdy spadnie poniżej dolnej granicy odpowiedniej temperatury pracy, aby utrzymać akumulator w optymalnym zakresie pracy i zachować równowagę temperatur pomiędzy poszczególnymi ogniwami podczas pracy. Zarządzanie temperaturą jest szczególnie konieczne w przypadku akumulatorów używanych w warunkach-rozładowania o dużej mocy i wysokiej-temperaturze.

6. Kontrola równowagi

Niespójności w wydajności akumulatora mogą prowadzić do spadku ogólnej wydajności akumulatora, a nawet zagrożenia bezpieczeństwa. Pomiędzy poszczególnymi ogniwami pakietu akumulatorów instaluje się obwody równoważące, aby zapewnić jak najbardziej spójne warunki ładowania i rozładowywania każdego pojedynczego ogniwa, poprawiając w ten sposób ogólną wydajność pakietu akumulatorów.

7. Funkcje komunikacyjne

Kluczową funkcją systemu zarządzania akumulatorem (BMS) jest umożliwienie komunikacji parametrów akumulatora i informacji z urządzeniami pokładowymi i zewnętrznymi, dostarczając dane do kontroli ładowania/rozładowania oraz sterowania pojazdem. W zależności od zastosowania, wymiana danych może wykorzystywać różne interfejsy komunikacyjne, takie jak sygnały analogowe, sygnały PWM, magistrala CAN lub interfejsy szeregowe I2C.

8. Interfejs człowiek-maszyna (HMI)

Interfejs HMI to pośredni interfejs interakcji człowiek-maszyna. Wykorzystuje odpowiednie urządzenia wejściowe i wyjściowe, aby skutecznie umożliwić dialog i interakcję między ludźmi a maszynami, które obsługują. W systemie BMS interfejs HMI zawiera informacje na wyświetlaczu oraz przyciski i pokrętła skonfigurowane zgodnie z wymaganiami projektowymi.