Sistem de management al bateriei
Un sistem de management al bateriei (BMS) este un dispozitiv folosit pentru a gestiona eficient pachetele de baterii. Pentru vehiculele electrice, un hardware și software BMS bine proiectat-poate crește în mod eficient autonomia de rulare, poate prelungi durata de viață a acumulatorului, poate reduce costurile de operare și poate asigura siguranța și fiabilitatea acumulatorului. Sistemul de management al bateriei a devenit o componentă de bază indispensabilă a vehiculelor electrice. Acest capitol se va concentra pe introducerea compoziției, funcțiilor și principiilor de funcționare ale sistemului de management al bateriei.
Arhitectura sistemului
Un sistem de management al bateriei (BMS) tipic include în primul rând o unitate de management al bateriei (BMU), o unitate de gestionare a celulelor (CMU), senzori, cablaje etc. În proiectarea sistemelor de baterii de putere la scară mare-, alegerea arhitecturii BMS este crucială, determinând direct metodele de conectare între unitățile hardware și abordarea de programare a software-ului și influențând costul de instalare, fiabilitatea și întreținerea sistemului, măsurarea preciziei și a preciziei. Pe baza topologiei dintre controlerele din BMS, BMS-urile pot fi clasificate în două tipuri: integrate și distribuite.
1. BM integrat
2. BMS distribuit
Spre deosebire de topologiile integrate, arhitecturile distribuite împart funcționalitatea BMS într-o BMU a plăcii de bază și mai multe CMU-uri slave. Structura modulară simplifică asamblarea modulelor, optimizează structura cablajului de eșantionare și atenuează inconsecvențele căderilor de tensiune cu o distanță uniformă. Dezavantajele includ costuri mai mari și design de comunicare și control mai complex. Pe baza diversității metodelor de conectare BMS distribuite, acestea pot fi împărțite în trei tipuri: conexiune în stea (vezi Figura 8-2), conexiune cu magistrala și conexiune în lanț.
(1) Conexiune StarÎntr-o conexiune stea, placa de bază BMU este situată central, iar fiecare modul CMU este conectat direct la placa de bază BMS printr-un cablaj. Conexiunile în stea facilitează controlul punct-la-punct, iar defecțiunea unui singur nod CMU nu are un impact semnificativ asupra sistemului. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul de module crește, complexitatea liniilor de comunicație într-o conexiune stea crește exponențial, îngreunând întreținerea și limitând scalabilitatea. Din cauza limitărilor porturilor plăcii de bază BMS, modulele CMU nu pot fi adăugate în mod arbitrar, ceea ce îl face relativ rar în aplicațiile-la scară largă.
(2) Conexiune cu autobuzulO arhitectură de sistem bazată pe magistrală- facilitează proiectarea modulară, așa cum se arată în Figura 8-3. BMS este de obicei împărțit în mai multe unități de control: BMU, CMU și Battery Join Box (BJB). BMU, CMU și BJB sunt conectate prin CAN sau alte rețele de magistrală. BMU îndeplinește funcțiile de bază ale algoritmului pentru gestionarea bateriei; CMU efectuează achiziția tensiunii celulei, egalizarea și măsurarea temperaturii; BJB efectuează achiziția de înaltă tensiune, curent și temperatură, acționarea contactorului și diagnosticarea și detectarea izolației pentru acumulatorul; izolarea asigură izolarea electrică, împiedicând refluxul de la arderea plăcii de circuite și limitând amplitudinea interferenței.
Arhitectura bazată pe magistrală-oferă conexiuni de comunicații mai flexibile și scalabilitate puternică, simplificând foarte mult proiectarea arhitecturii hardware, realizând modularitatea și îmbunătățind aplicabilitatea și portabilitatea sistemului. Principalul său dezavantaj este costul relativ ridicat.
Daisy-chaining este o metodă de conectare relativ nouă care a apărut în ultimii ani. Interfața poate converti semnale SPI full-duplex de până la 1 Mb/s în semnale diferențiale și le poate transmite prin cablu-pereche răsucită și un transformator simplu,-cost redus. De exemplu, dispozitivele AFE de la Linear Technology (LTC6811) pot fi interconectate pentru a forma un BMS. Un transformator mic,-cost redus înlocuiește izolatorul de date. Pe partea microprocesorului de control principal, un mic adaptor IC (LTC6820) oferă interfața controlerului principal. În timp ce rețeaua-unidirecțională în lanț este simplă, eșecul oricărui nod poate afecta comunicarea întregului sistem. Prin urmare, a fost dezvoltat și aplicat în produsele BMS ale producătorilor importanți de vehicule cu energie nouă, precum Tesla, un lanț de margarete-imbunătățit, așa cum se arată în Figura 8-4. În comparație cu conexiunile cu magistrala CAN, înlănțuirea-margaretei este mai mică ca cost și mai mică ca dimensiune, dar are o scalabilitate slabă, un număr maxim limitat de noduri și dificultăți în gestionarea problemelor de gestionare a bateriei în scenarii mai complexe, cum ar fi sistemele de stocare a energiei la scară largă.
Funcții de bază
În general, funcțiile de bază ale unui sistem de management al bateriei (BMS) includ: achiziția de date, estimarea stării bateriei, managementul energiei, managementul siguranței, managementul termic, controlul egalizării, funcțiile de comunicare și interfața om-mașină. Figura 8-5 prezintă o diagramă bloc funcțională a unui sistem de gestionare a bateriei.
Achiziția datelor este baza tuturor algoritmilor și controalelor într-un sistem de management al bateriei (BMS). Prin urmare, rata de eșantionare, acuratețea și caracteristicile pre-filtrului sunt indicatori esențiali care afectează performanța sistemului bateriei. Rata de achiziție a datelor este determinată de scenariu și funcție. De exemplu, cu o sursă de alimentare de rezervă, rata de achiziție a datelor poate fi de până la un cadru la 10 secunde sau chiar pe minut; în timp ce pentru obiectele cu curent care se schimbă rapid (cum ar fi vehiculele), datele trebuie să fie achiziționate cel puțin o dată la fiecare secundă, unele date legate de siguranță-care necesită frecvențe de eșantionare de până la 100 ms sau 10 ms.
2. Estimarea stării bateriei
Estimarea stării bateriei include în principal două aspecte:Starea de încărcare (SOC)şiStare de sănătate (SOH). SOC caracterizează încărcarea curentă rămasă a acumulatorului și reprezintă baza pentru estimarea autonomiei de rulare a unui vehicul electric. SOH este un parametru folosit pentru a reprezenta durata de viață rămasă a bateriei și alte condiții de sănătate.
Gestionarea energiei asigură că energia de ieșire și intrare în timp real a bateriei-nu depășește capacitatea de transport a bateriei și a sistemului. În realitate, capacitatea de încărcare/descărcare a bateriei este afectată de temperatură, SOC și SOH, printre alți factori. Simultan, la nivel de sistem, trebuie evitate riscuri precum supraîncălzirea și topirea circuitului. Prin urmare, managementul energiei este un proces de control global care utilizează în primul rând curentul, tensiunea, temperatura, SOC și SOH ca intrări.
Monitorizarea tensiunii, curentului și temperaturii bateriei pentru a vă asigura că acestea nu depășesc intervalele normale. BMS modern (Sistemul de management al bateriei) nu numai că monitorizează întregul pachet de baterii, ci oferă și un control rafinat asupra condițiilor extreme ale celulelor individuale, cum ar fi supraîncărcarea, supra-descărcarea și supra-temperatura.
Răcirea bateriei atunci când temperatura sa de funcționare este prea mare și încălzirea acesteia când scade sub limita inferioară a temperaturii sale de funcționare adecvate pentru a menține bateria în intervalul optim de funcționare și pentru a menține echilibrul temperaturii între celulele individuale în timpul funcționării. Gestionarea termică este necesară în special pentru bateriile utilizate în condiții de-descărcare cu putere mare și de temperatură-înaltă.
6. Controlul echilibrului
Inconsecvențele în performanța bateriei pot duce la o scădere a performanței generale a acumulatorului și chiar la riscuri de siguranță. Circuitele de echilibrare sunt instalate între celulele individuale din pachetul de baterii pentru a se asigura că condițiile de încărcare și descărcare ale fiecărei celule individuale sunt cât mai consistente posibil, îmbunătățind astfel performanța generală a acumulatorului.
O funcție crucială a unui sistem de management al bateriei (BMS) este de a permite comunicarea parametrilor și informațiilor bateriei cu dispozitivele de la bord sau din afara bordului, oferind date pentru controlul încărcării/descărcării și controlul vehiculului. În funcție de aplicație, schimbul de date poate utiliza diferite interfețe de comunicație, cum ar fi semnale analogice, semnale PWM, magistrală CAN sau interfețe seriale I2C.
8. Interfață om-mașină (HMI)
HMI este interfața intermediară pentru interacțiunea dintre om-mașină. Utilizează dispozitive adecvate de intrare și ieșire pentru a permite în mod eficient dialogul și interacțiunea dintre oameni și mașinile pe care le operează. Într-un BMS, HMI include informații de afișare și butoane și butoane de control, configurate în funcție de cerințele de proiectare.
