Abstrakti
Tämä artikkeli keskittyy sähköajoneuvojen ja kiinteiden sovellusten akunhallintajärjestelmien (BMS) laitteistonäkökohtiin. Tarkoituksena on hahmotella olemassa olevien kehittyneiden järjestelmien käsitteitä, jotta lukijat ymmärtävät tekijät, jotka on otettava huomioon suunniteltaessa BMS:ää tiettyihin sovelluksiin. Lyhyen yleisten vaatimusten analysoinnin jälkeen tutkittiin useita mahdollisia akkupakkausten topologisia rakenteita ja niiden vaikutusta BMS:n monimutkaisuuteen. Otetaan esimerkkinä neljä kaupallisesti saatavista sähköautoista valittua akkupakettia. Tämän jälkeen keskusteltiin tarvittavien fyysisten muuttujien (jännite, virta, lämpötila jne.) mittaamisen toteutusnäkökohdista sekä tasapainotuskysymyksistä ja strategioista. Lopuksi keskusteltiin turvallisuus- ja luotettavuusnäkökohdista.
1. Johdanto
Akunhallintajärjestelmien (BMS) monimutkaisuus riippuu sovelluksesta. Yksi akku, niin yksinkertainen kuin matkapuhelin tai e-kirjanlukija, voidaan mitata yksinkertaisella "akkumittarilla" IC:llä, joka voi mitata jännitettä, lämpötilaa ja virtaa sekä arvioida lataustilan (SOC). Yhtä monimutkainen kuin sähköajoneuvot, BMS:n on suoritettava monimutkaisempia tehtäviä. Perusparametrien, kuten akun jännitteen, lämpötilan ja virran mittaamisen lisäksi tarvitaan myös kehittyneitä algoritmeja käytettävissä olevan energian määrittämiseen matkamatkan laskemiseen.
Tämä työ keskittyy litiumioniakkujen hallintajärjestelmien laitteistoon. Osassa 2 esitellään BMS:n laitteistovaatimukset, mukaan lukien mittausarvot, sähkömagneettiset häiriöt, sähköinen eristys, kontaktorit ja redundanssi. Osa 3 tarjoaa yleiskatsauksen BMS-topologiasta, selventää eroja yksinkertaisten ja monimutkaisten sovellusten välillä ja tarjoaa esimerkin sähköauton akusta. Kohdassa 4 selitetään, kuinka fyysisen arvon mittaamisen vaatimukset ja yleiset sudenkuopat täytetään. Luvussa 5 käsitellään saldoa, esitellään ja vertaillaan maksujen tasapainotusmenetelmiä. Luvussa 6 keskitytään turvallisuuteen ja luotettavuuteen, mukaan lukien korkeajänniteakkujen käytön riskit ja vastatoimenpiteet, sekä esitellään lyhyesti eristysmittausmenetelmiä ja niihin liittyviä standardeja.
2. Akunhallintajärjestelmän (BMS) suunnitteluvaatimukset
BMS:n suunnittelu on monimutkainen tehtävä, joka vaatii erityisten sovellusvaatimusten, järjestelmäympäristön ja käytettyjen akkujen ominaisuuksien huomioon ottamista, joista voidaan johtaa sarja järjestelmävaatimuksia. Yleisesti ottaen seuraavat BMS-komponentit ja toiminnalliset vaatimukset ovat yleensä merkityksellisiä:
Lämpötilan keräys
Anturin valinta ja sijoitus:Tarkka lämpötilan kerääminen on vaikeaa BMS:ää suunniteltaessa ja anturin tyyppi (digitaalinen tai analoginen) ja akun lämpötilan mittauspaikka on otettava huomioon, mikä määrää akun lämpötila-anturien lukumäärän. Joskus on tarpeen kerätä kontaktorien, sulakkeiden tai virtakiskojen lämpötila. Yleensä lämpötila- ja jänniteantureiden välillä on tietty osuus kanavia.
Lämpötilavaatimukset eri sovelluksissa:Lämpötilavaatimuksissa on otettava huomioon kolme tilannetta: lataus, purkaminen ja varastointi, samalla kun kiinnitetään huomiota lämpöaikavakioon. Litiumioniakut eivät voi toimia kunnolla tietyn lämpötila-alueen ulkopuolella, ja litiumpinnoitus voi tapahtua suurilla virtanopeuksilla normaalin lämpötila-alueen sisällä. Siksi lämpötila, jännite ja virta on kerättävä tarkasti. Akkujen lämpökapasitanssiin ja lämmönjohtavuuteen vaikuttavat sellaiset tekijät kuin akun rakenne, ja lämpötila-anturien väärä sijoitus voi johtaa lukuvirheisiin ja lämpökuolleisiin kulmiin.
Jännitteen hankinta
Hankintakanava ja tarkkuus:Klassinen litiumioniakkuihin perustuva BMS vaatii vähintään yhden jännitteenottokanavan jokaista sarjaan kytkettyä akkua kohden, ja joissakin autosovelluksissa on myös toissijainen suojaus (saavutetaan ohjelmoitavan ikkunavertailijan avulla). Jännitteenkeruutietojen muunnosnopeus vaihtelee sovelluksesta riippuen, ja yleisesti käytetyillä BMS-etupiirisiruilla on tietty jännitetarkkuus ja -resoluutio.
Vaikutus SOC-arvioon:Kun otetaan esimerkkeinä NMC- ja LFP-akut, on osoitettu, että jännitteen hankintatarkkuudella on merkittävä vaikutus SOC-estimointiin. Mitä suurempi tarkkuus on, sitä tarkempi SOC-estimaatti, ja pelkän jännitetietojen käyttäminen SOC:n määrittämiseen ei välttämättä riitä.
Kuva 1. SOC-epävarmuuden vertailu riippuu jännitteen tarkkuudesta ± 1 mV.
Nykyinen kokoelma
Keräysmenetelmä ja anturin ominaisuudet:SOC voidaan määrittää paitsi mittaamalla avoimen piirin jännite (OCV), mutta myös käyttämällä Coulombin laskentamenetelmää (virran mittaus ja integrointi). Virta-antureilla ei kuitenkaan ole ihanteellisia ominaisuuksia, kuten ryömintä, siirtymä ja lämpötilavirheet, ja niiden on ehkä täytettävä samanaikaisesti erilaisia mittausaluevaatimuksia ja niillä on oltava tietty kaistanleveys.
Käytännössä yksinomaan Coulombin laskemiseen luottaminen SOC:n määrittämisessä on epätarkka, varsinkin alhaisen virran olosuhteissa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on mahdollista yhdistää algoritmeja ja parametroituja malleja nykyisten tietojen käsittelemiseksi, mutta tämä ei kuulu tämän artikkelin piiriin.
Viestintävaatimukset
Viestintä järjestelmän sisällä:BMS:n on kommunikoitava koko järjestelmän (kuten tehoelektroniikka, energianhallinta tai ajoneuvon ohjausyksiköt) kanssa ottaen huomioon sellaiset tekijät kuin tiedonsiirtotila, nopeus, kestävyys ja luotettavuus. Esimerkiksi CAN-liitännät voidaan joutua tarjoamaan ajoneuvoihin järjestelmäviestintää varten, ja eri sovellukset voivat jo määrittää järjestelmätasolla tietoliikennevaatimukset, joihin BMS:n on mukauduttava.
Moduulien välinen viestintä:Modulaarisille järjestelmille on tarpeen määrittää isäntä- ja orjamoduulien välinen viestintämenetelmä, joka on samanlainen kuin järjestelmien välisen viestinnän perusvaatimukset. Tarkkoja esimerkkejä löytyy seuraavissa luvuissa.
Suojaus sähkömagneettisilta häiriöiltä (EMI).
EMI:n vaikutus antureihin:EMI voi vaikuttaa antureiden tiedonkeruuun, ja kaikki anturit ovat alttiita sen vaikutukselle, mikä voi johtaa tietojen vähäiseen vääristymiseen tai täydelliseen hyödyttömyyteen.
Toimenpiteet EMI:n vaikutuksen vähentämiseksi:Iskun minimoimiseksi moottoreilla, tehoelektroniikkakomponenteilla ja muilla kuormilla tulee olla hyvä EMI-suunnittelu, ja asianmukaisia EMI-suodatuslaitteita, kuten yhteismuotoisia kuristimia ja estokondensaattoreita, voidaan käyttää ja asentaa lähelle anturin mittauspolkua.
Kontaktoreihin liittyvät vaatimukset
Kontaktorien toiminta ja vaatimukset:Useimmat akut edellyttävät kykyä sähköisesti irrottaa vähintään yksi elektrodi, mikä vaatii sopivan kontaktorin. Tasavirtakatkoksen ja valokaaren sammutuksen erityisluonteen vuoksi kontaktoreissa on oltava magneettiset valokaarisammutuslaitteet, ja niiden tulee välttää kosketushitsausta.
Käyttöturvallisuustoimenpiteet:Turvallisuuden takaamiseksi kontaktorikytkimen toiminnan aikana tarvitaan erityinen piiri (kuten esilatausyksikkö, joka koostuu sarjaan kytketystä kontaktorista ja vastuksesta), jotta varmistetaan, että kahden pään välillä ei ole potentiaalieroa ja vältetään vaaratilanteet.
Redundanssivaatimukset
Redundanssin rooli järjestelmän luotettavuudessa:ISO 26262 -standardin mukaan redundanssi voi parantaa järjestelmän luotettavuutta. Akun jännitettä tarkkaillaan yleensä tietyssä määrin redundanttisesti kahdella menetelmällä: pääsirun tarkalla mittauksella ja apusirun antamalla binääriinformaatiolla.
Korkeamman tason redundanssikonsepti:Redundanssikonsepteja on myös korkeamman tason prosessoinnissa, kuten lukitusaskel, muistivirheen korjaus ja itsetestausmekanismit erityisissä prosessoreissa.
Sähköeristysvaatimukset
Akun eristys:Akkupaketti on yleensä jaettu suur- ja pienjänniteosiin, jotka vaativat sähköisen eristyksen ja voidaan saavuttaa optisilla, induktiivisilla tai kapasitiivisilla menetelmillä.
Lämpöanturin eristys:Kaikki lämpöanturit on myös eristettävä sähköisesti, jotta vältetään korkeajänniteviat, jotka vaikuttavat pienjänniteosiin, kuten sähkönjakelun IT-verkon layoutin käsite.
Tasapainovaatimukset
Latauksen epätasapainon vaikutus:Sarjaan kytkettyjen akkujen välillä voi olla latausepätasapainoa, mikä voi vaikuttaa järjestelmän suorituskykyyn ja luotettavuuteen, ja se on yleensä pidettävä alhaisella tasolla.
Erityisiä sovelluksia koskevia huomioita:Eri sovelluksissa voi olla erityisiä huomioita, kuten painorajoituksia tai latausvirtavaatimuksia, jotka voivat johtaa tasapainotusvirran muodostumiseen. Luvussa 5 esitellään edelleen tasapainotuksen tarpeellisuutta ja toteutustapoja.
Muut vaatimukset
Sovellukseen liittyvät vaatimukset:Sovelluksella voi olla myös joitain muita vaatimuksia, kuten tila, hinta, laitteiston mekaaninen lujuus, paino ja virrankulutus, jotka eivät ole tämän artikkelin painopisteitä, mutta jotka on otettava huomioon.
3. BMS:n topologiarakenne
Yleiskatsaus akkujärjestelmän rakenteeseen:Järjestelmän sähköisten vaatimusten täyttämiseksi akut on usein yhdistettävä akkupakkauksiksi, joissa on useita liitäntätopologioita. Sarjaliitäntä voi saavuttaa tietyn jännitealueen ja vähentää virtaa; Rinnakkaisliitäntä voi lisätä kapasiteettia. Käytännön sovelluksissa on erilaisia muunnelmia, kuten pienten akkujen rinnakkaiskytkentä moduuleiksi ja sarjakytkentä tai suurikapasiteettisten akkujen suora käyttö sarjakytkennässä. Eri topologioilla on erilaisia vaikutuksia BMS:n monimutkaisuuteen, kuten lisääntyneet valvonta- ja tasapainotuskustannukset, kun useita sarjaakkuja on kytketty rinnan.
Kuva 2. Kaaviokaavio eri akkuyksiköiden topologioista: (a) yksikenno; (b) Kahden akun rinnakkaiskytkentä; (c) Kolmen akun sarjakytkentä; (d) Kahden sarjan ja kolmen sarjan akun rinnakkaiskytkentä; (e) Kolmen moduulin sarjaliitäntä, joka koostuu kahdesta rinnakkaisesta akusta.
Taulukko 1. Topologisten muunnelmien ominaisuudet on esitetty kuvassa 2.
Anna esimerkki havainnollistaaksesi akun liitäntätapaa ja jännitteenmittauskanavavaatimuksia: esimerkiksi m sarjaan kytketyn akun ja n rinnakkain kytketyn akun yhdistelmä vaatii eri määrän jännitteenmittauskanavia eri kytkentämenetelmille.
Erikoistapauskeskustelu:Joissakin erityissovelluksissa (kuten Euroopan avaruusjärjestön Mars-luotaimella ja Rosetta-luotaimella) yksittäisen solun valvontaa ja tasapainottamista ei ehkä suoriteta koon, painon ja virrankulutuksen kaltaisten tekijöiden vuoksi. Vaikka jotkut mielipiteet viittaavat siihen, että tarkkailu voidaan jättää pois valittaessa samasta erästä akkuja, tutkimukset ovat osoittaneet, että jopa saman erän paristoilla voi olla erilainen ikääntymiskäyttäytyminen, ja valvonnan pois jättäminen voi aiheuttaa riskejä. Pienissä järjestelmissä ja akkujännitteissä tietyllä alueella valvonnan pois jättämisen vaikutus voi kuitenkin olla suhteellisen pieni.
Integrated Circuit (IC) liittyvät
IC perusvalvontatoiminnolla:Akun turvallisen toiminnan perusvalvontatoiminnon saavuttamiseksi puolijohdevalmistajat tarjoavat erilaisia sovelluskohtaisia integroituja piirejä (ASIC). Pienille yksikennoisille elektronisille laitteille on olemassa "polttoainemittarin" IC, joka voi valvoa jännitettä, virtaa ja lämpötilaa, arvioida SOC:tä ja sisältää myös toimintoja, kuten lataussäätimiä. Esimerkiksi TI:n "bq27220" ja Maximin liittyvät IC:t.
IC korkean tehon ja energiantarpeen järjestelmiin
Modularisointi ja toimintojen allokointi:Sovelluksissa, joissa on suuri teho- ja/tai energiatarve, akkupaketti koostuu useista akuista, ja asianmukainen IC voi samanaikaisesti valvoa useita akkuja ja tarjota tasapainotustoimintoja. Järjestelmässä on keskusmoduuli (BMS Master), joka vastaa monimutkaisista toiminnoista, kuten SOC-estimointi- ja tehoennustusalgoritmeista; Front-end IC-moduuli (BMS Slaves) vastaa perustoiminnoista, kuten signaalin hankinnasta ja suodatuksesta.
Kuva 3. Tyypillinen BMS-rakenne sähköajoneuvoihin.
Erilaisia IC-esimerkkejä ja tasapainotusmenetelmiä:Esimerkiksi TI:n bq76PL536A, MAX11068 ja LT6802G-2 tarjoavat passiivisen tasapainotuksen, kun taas AMS:n AS8506C:tä voidaan käyttää passiiviseen tasapainotustopologiaan ja se tarjoaa myös aktiivisen tasapainotuskyvyn. Joillakin IC:illä on seuraajatuotteita, ja jännitteenvalvonnan luotettavuuden parantamiseksi voidaan käyttää toissijaisia suojapiirejä. Vaikka täysin redundantti BMS voi parantaa luotettavuutta, kustannukset ovat korkeat.
Viestintä ja tiedonsiirto
Etuosan IC-liitäntätapa:Etupään IC:t voidaan yleensä kytkeä ketjun kautta, ja eri IC:illä on erilaiset liitäntätavat. MAX11068 on kytketty I2C-portin kautta, TI:n bq76PL536A tarjoaa useita liitäntöjä ja LT6802G-2 on kytketty SPI-väylän kautta (vaatii ylimääräisen digitaalisen isolaattorin).
Järjestelmän viestintämenetelmä:Järjestelmässä käytetään yleensä edullisia mikrokontrollereita kytkemään IC:t samalle piirilevylle ja muiden piirilevyjen moduulit ja BMS-päämoduulit kytketään kenttäväylän (kuten CAN) kautta.
Todellinen tapaus
Mitsubishi i-MiEV:Akku koostuu useista ruuveilla yhdistetyistä moduuleista, joissa on 88 prismaattista akkua. Moduulin piirilevy sisältää valvonta-IC:t ja lämpötila-anturit, ja akun kotelo sisältää useita komponentteja. BMS-päämoduuli sijaitsee ajoneuvon takaistuinten alla ja kommunikoi sisäisen CAN-väylän kautta. Muihin akkuihin verrattuna sen sisätila on tilavampi, mikä voi olla ilmajäähdytyksen sivuvaikutus.
Kuva 4. (a) Mitsubishi i-MiEV -akku; (b) Volkswagen e-Up -akku; (c) Smart fortwo -sähkökäyttöinen akkupaketti. Huomautus: Skaalausmenetelmät ovat erilaisia.
Kuva 5. (a) Ylhäältä katsottuna Tesla Model S -akkumoduuli; (b) Volkswagen e-Up -akkumoduuli, 6s2p-moduuli, ylhäältä katsottuna.
Smart Fortwo Electric Edition:Akku koostuu 90 sarjaan kytketystä pussiakuista, joissa on jäähdytysjärjestelmä, ja perusvalvontatehtävät suorittaa TI:n IC, kuten bq76PL536A. Jokainen piirilevy sisältää useita valvonta-IC:itä ja mikrokontrollereita, ja BMS-päämoduuli sijaitsee akkukotelon sisällä, ja siinä on korkea integraatio ja vähän kaapeleita.
Volkswagen e-Up:Akku sisältää useita sarjamoduuleja, ei jäähdytysjärjestelmää tai huoltokatkaisulaitetta, keskitetyn BMS-moduulin, yhdistetty akkuun ja mittaus-IC:hen (MAX11068) useiden jännitteenmittauslinjojen kautta, suurella määrällä balansoituja vastuksia ja mikrokontrolleria ilman muuntamista signaaleja.
Tesla Model S:Akku koostuu suuresta määrästä 18650 akkua, jotka on jaettu useisiin moduuleihin, jotka on kytketty sidosjohtimilla. BMS:ää valvotaan TI:n bq76PL536A-Q1:llä ja jännite mitataan hitsauslankojen kautta. Verrattuna muihin akkuihin sen integrointitaso on erilainen, kuten Volkswagen e-Upin alhainen integrointitaso ja Smart Fortwon korkea integrointitaso.
4. Yleiskatsaus HV-akkujärjestelmän mittausteknologiaan
Mittaustekniikan merkitys:Mittaustekniikka on akunhallintajärjestelmien avainkomponentti, jolla voidaan määrittää tilamuuttujia, kuten SOC, SOH, SOF jne. Se mittaa yleensä muuttujia, kuten akkujännitettä, kokonaisjännitettä, kokonaisvirtaa ja akkujärjestelmien lämpötilaa. Nämä tilamuuttujat voivat suojata akkujärjestelmää vaurioilta, kuten yli- tai ylipurkautumiselta, ja optimoida akkujärjestelmän käytön.
Anturivaatimukset:Määritä tyypilliset vaatimukset antureille akun tallennussovellusten perusteella, mukaan lukien hinta, kaistanleveys, tarkkuus, mittausalue ja koko, kuten kohdassa 2 on kuvattu.
Virran mittaus
Mittausmenetelmän luokitus:Virrankeräyslaitteet on jaettu kahteen perusanturiteknologiaan: sähköliitäntään ja eristykseen. Yleisesti käytetty shunttivastuksen virrantunnistus kuuluu sähköliitäntätyyppiin ja Hall-anturi on esimerkki eristystyypistä.
Anturitekniikan lisäksi on huomioitava myös sijainti akussa. Akkujärjestelmissä, joissa on useita kytkettäviä merkkijonoja, jokainen merkkijono on varustettava virranvalvontalaitteella tehon epätasapainon seuraamiseksi.
Shunttivastuksen mittaus
Mittausperiaate ja ominaisuudet:Yhdistämällä pieni vastus, korkean tarkkuuden vastus ja erittäin tarkka jännitteen mittausjärjestelmä, virta mitataan. Vastus sijaitsee virran tiellä, ja tehohäviö ja lämpötilan nousu tapahtuu, kun virta kulkee läpi. Vastusta valittaessa on tarpeen tasapainottaa häviö ja tarve luoda sopiva jännitehäviö. Suurella tarkkuudella mitattaessa tulee ottaa huomioon myös vastuksen lämpötilakerroin ja pitkäaikaisstabiilisuus.
Tätä menetelmää voidaan käyttää DC- ja AC-virtojen mittaamiseen, ja sen etuna on yksinkertaisuus, lineaarisuus ja suuri kaistanleveys. Mittausaluetta rajoittaa kuitenkin jännitteen mittauksen tarkkuus.
Matalan ja korkean puolen mittojen vertailu
Matalapuolen mittaus tarkoittaa vastusta, joka sijaitsee akun positiivisen navan ja kuorman välissä. Sen etuna on, että tulon yhteismoodin jännite on alhainen ja siinä voidaan käyttää suurta määrää virranmittausvahvistimia. Piiri on yksinkertainen ja kustannustehokas, mutta se häiritsee maadoitusreittiä eikä pysty havaitsemaan suurta kuormitusvirran ohitusta.
Korkean puolen mittaus tarkoittaa, että vastus sijaitsee kuorman ja akun negatiivisen navan tai maan välissä. Sen etuna on, että se voi välttää maaradan häiriöitä ja havaita oikosulkuja, mutta se vaatii vahvistimen lähdön tasomuunnoksen ja vaatii vahvistimen kestämään korkeaa yhteismuotoista jännitettä.
Kosketusvähemmän virran anturit (Hall-anturit jne.)
Mittausperiaate ja edut:Virran tuottaman magneettikentän käyttäminen mittaukseen, kuten Hall-ilmiöön perustuvat Hall-anturit, lisäämättä virran resistanssia, ilman ylimääräisiä johtavia häviöitä, sähköeristyksen eduilla ja ilman ylimääräisiä optoerottimia tai digitaalisia eristeitä signaalin muokkaamiseen.
Hall-anturit voidaan ostaa integroituina piireinä, sijoittaa virtatielle ja niiden lähtö on suodatettava. Käytettävissä on myös kokonaisia moduuleja, jotka koostuvat Hall-antureita sisältävistä ferriittirenkaista ja jotka voivat tarjota sähköisen eristyksen.
Anturin ominaisuudet ja rajoitukset:Suurin haittapuoli on rajoitettu kaistanleveys, joka ei yleensä ylitä kymmeniä kHz, ja lämpötilapoikkeama lähtösignaalissa, joka on kompensoitava. Jos akkujärjestelmä vaatii suurempaa kaistanleveyttä, tulee käyttää shunttiresistanssimittausta, ja Hall-anturit ovat kalliita ja tilaa vieviä.
Jännitteen mittaus
Akun jännitteen mittauksen erotus:Litiumioniakuissa on tarpeen erottaa kunkin akun jännitteen ja akun kokonaisjännitteen mittaaminen. Näiden kahden jännitealueet ovat erilaisia, ja kaikkien akkujännitteiden summan tulee olla yhtä suuri kuin kokonaisjännite, jota voidaan käyttää rationaalisuusarvioinnin kriteerinä.
Akun jännitteen mittaus:yleensä täydentää integroitu BMS-etupiiri. Markkinoilla siruihin kytkettävien akkujen määrä vaihtelee, ja redundanssia ja järjestelmän luotettavuutta voidaan parantaa myös toissijaisilla valvonta-IC:illä.
Akun jännitteen mittaus:täydentää erillinen mittausyksikkö, joka sisältää jännitteenjakajan, impedanssimuuntimen, suodattimen ja analogia-digitaalimuuntimen (ADC). Jännitteenjakajaa käytetään alentamaan akun jännite sopivalle alueelle, mikä saattaa vaatia useita vastuksia turvallisuuden varmistamiseksi sekä Zener-diodin suojaamaan seuraavaa piiriä. Samanaikaisesti impedanssimuuntajia, suodattimia ja ADC:itä käytetään mitatun jännitteen saamiseksi.
Lämpötilan mittaus
Yleiset lämpötila-anturien tyypit ja periaatteet:Yleisiä lämpötila-antureita ovat negatiivinen lämpötilakerroin (NTC) ja positiivinen lämpötilakerroin (PTC), jotka mittaavat lämpötilaa mittaamalla jännitehäviötä vakiovirralla. Niiden vastus vaihtelee lämpötilan mukaan, ja niitä voidaan käyttää tietyllä lämpötila-alueella, mutta niissä on epälineaarisia ongelmia.
Ongelmia ja ratkaisuja antureiden käytössä:Epälineaarisuuden vuoksi digitaalisessa käsittelyketjussa tarvitaan hakutaulukko lämpötilalaskelmien kalibroimiseksi. Jotkut digitaalisia liitäntöjä käyttävät anturit ovat myös kätevämpiä käyttää, mutta EMI-ongelmat tulee huomioida, kun ne sijoitetaan lähelle suuritehoisia kulkuväyliä akkupakkauksissa. Muut mittausmenetelmät, kuten metalli-PTC ja termopari, voivat tarjota suuremman tarkkuuden ja laajemman lämpötila-alueen, mutta elektronisesti monimutkaisemmalla.
Tiedonsiirto
Eri tietoliikenneväylien ominaisuudet ja sovellusskenaariot:Tietoliikenne vaaditaan BMS-moduulien välillä sekä BMS:n ja koko järjestelmän välillä. CAN-väylää käytetään yleisesti ajoneuvoympäristöissä, ja se on joustava ja melunkestävä; LIN-väylä on suhteellisen yksinkertainen, mutta nopeudeltaan hidas, sen joustavuus on heikko ja se ei ole differentiaalinen, joten se sopii skenaarioihin, joissa on korkeat kustannusvaatimukset; Muut lyhyen kantaman tiedonsiirtoliitännät, kuten SPI, I2C ja OneWire-väylä, eivät sovellu pitkän matkan, häiriöalttiiseen moduulien väliseen tiedonsiirtoon. Jos CAN-väylän nopeus on riittämätön tai tarvitaan reaaliaikaista determinististä kykyä, voidaan käyttää FlexRay-väylää tai Ethernetiä.
5. Akun tasapaino
Akun SOC-eron syy:Sarjakytketyissä akuissa tuotantoerot ja erilaiset käyttö- ja ympäristöolosuhteet (kuten lämpötila) voivat johtaa akkujen välisiin epätasaisuuksiin. Nämä tekijät voivat aiheuttaa erilaisia alkuolosuhteita, ikääntymistä ja itsepurkautumisnopeuksia, mikä johtaa poikkeamiin SOC-, kapasiteetti- ja vastusarvoissa. Tämä osio keskittyy pääasiassa SOC:n ja kapasiteetin eroihin, eikä sisällä eroja sisäisessä resistanssissa- Tutkimukset ovat osoittaneet, että jopa samalla alkuperäisellä kapasiteetilla ja kuormituksella varustettujen akkujen kapasiteetissa on eroja käytön jälkeen. Esimerkiksi 18 650 akkujen, joilla on sama alkukapasiteetti ja joiden jäljellä oleva kapasiteetti on 80 % kuin käyttöiän päättymisstandardissa, käyttöikä on 1000-1500 kertaa. Samanaikaisesti eri akkujen itsepurkautumisnopeudessa on eroja, kuten kaupallisten 40 asteen lämpötilassa säilytettävien soft pack -akkujen, joissa itsepurkautumisvastus vaihtelee välillä 10k Ω ja 14k Ω.
Kuva 6. (a) Syyt epäsymmetrisiin akkukennoihin, numerot perustuvat [57]; (b) Eri tasapainomenetelmien luokittelu viittaa energiansiirron suuntaan esitetyn ei-hajottavan menetelmän nimenä.
Tasapainon tarve:Erot SOC:ssa, kapasiteetissa ja sisäisessä resistanssissa voivat johtaa akun käytettävissä olevan energian vähenemiseen, mikä voidaan ratkaista tasapainopiirin avulla.
Tasapainomenetelmien yleiskatsaus
Laitteiston toteutus:Kirjallisuudessa kuvataan erilaisia laitteistototeutusmenetelmiä balansointipiireihin, jotka voidaan luokitella erilaisiin topologiarakenteisiin, ohjausmenetelmiin (kuten aktiivinen/passiivinen) tai kaupalliseen saatavuuteen.
Tasapainotusmenetelmät kaupallisissa sovelluksissa:Useimmat kaupalliset akut käyttävät ohjattuja passiivisia tasapainotusjärjestelmiä, jotka saadaan aikaan rinnakkaisilla tasapainotusvastuksilla akun molemmissa päissä. Tämä menetelmä voi ratkaista vain SOC-vaihtelun ongelman pienellä tasapainovirralla (noin 100 mA) ja ilman muutosta akun kapasiteetissa, jota voi rajoittaa BMS:n energiahäviö tai akun ja valvontapiirin välisen kaapelin halkaisija. Jokaisessa akussa tai akun rinnakkaisyhdistelmässä on kytkettävä tasapainotusvastus, jonka resistanssiarvo on välillä 30 Ω -40 Ω (olettaen, että akun jännite on 4,2 V), ja kukin akku kuluttaa tehoa 387 mW -430 mW.
Menetelmiä erilaisten kapasiteettiongelmien ratkaisemiseksi:Erilaisten kapasiteettiongelmien ratkaisemiseksi tarvitaan monimutkaisempia menetelmiä energian uudelleenjakamiseksi akkujen välillä tehoelektroniikan avulla. Nämä menetelmät vaativat kuitenkin monimutkaisia ohjausalgoritmeja ja kalliita keloja. Vaikka on olemassa vastaavia BMS IC -tuotteita, niitä ei ole käytetty laajalti kaupallisissa autojen akuissa.
6. Turvallisuus and luotettavuus
Riskien vähentämisen yleistavoite:Yksi BMS:n päätavoitteista on vähentää akkupakkauksissa olevien litiumioniakkujen käyttöön liittyviä riskejä.
Kuva 7. Vastaava piirimalli akkujännitteen keruun etupäästä, joka osoittaa linjavikojen havaittavuuden.
Erityiset turvatoimenpiteet
Korkeajänniteturvallisuus:Akun korkeajänniteturvallisuus varmistetaan eristysvalvonta- ja lukituspiireillä, jotka voivat vähentää saastumisen tai kondensoitumisen aiheuttamaa kipinöintiriskiä. Samanaikaisesti BMS-laitteiston suunnittelun tulee noudattaa asiaankuuluvia standardeja varmistaakseen piirilevyn ja liittimien ryömintäetäisyyden ja sähköisen välyksen.
Sähköeristys:Sähköisen eristyksen varmistamiseksi korkeasta akkujännitteestä liitännöissä muiden ohjausyksiköiden tai lisävirtalähteiden kanssa voidaan käyttää erotuslaitteita, jotka täyttävät "tehostetun eristyksen" standardin. Perinteisiä optoerottimia käytetään, mutta nyt "digitaalisilla erottimilla" on parempi IC-suorituskyky.
Palontorjuntatoimenpiteet:Aseta lämpötila-anturit akun sisään ja reagoi kriittisiin lämpötiloihin. Tulipalovaaran vähentämiseen voidaan käyttää myös anturittomia lämpötilan havaitsemismenetelmiä (kuten sähkökemiallinen impedanssispektroskopia) ja uusia lämpötilan mittausmenetelmiä.
Kontaktori ja sulake:Irrota akku järjestelmästä kontaktorilla samalla kun koordinoi sulake. Harkitse molempien toimintaominaisuuksia sekä akun loiskapasitanssin ja induktanssin vaikutusta sulakkeiden valintaan.
Akkujen sisäinen turvallisuus:BMS:n tulee varmistaa, että akku ladataan määritetyllä lämpötila-alueella, välttäen matalan lämpötilan litiumpinnoitusta ja syväpurkausta ennen käyttöä. Samalla diagnostisia algoritmeja voidaan käyttää sisäisten oikosulkujen havaitsemiseen.
Kuva 8. Eristyksen mittaus: (a) IT-liitäntöjen eristys; (b) Eristysmittauksen kaavio.
BMS-laitteistosuunnitteluun liittyvät ongelmat
Anturivian havaitseminen:BMS-laitteistojen ja -ohjelmistojen toteutuksen monimutkaistuessa ohjelmistovirheiden ja anturivikojen todennäköisyys kasvaa. Esimerkiksi kaapeliviat akkujännitteen havaitsemisessa eivät ole helposti havaittavissa pelkällä jännitteen mittauksella, vaan ne voidaan havaita akun tasapainotusjärjestelmien tai virtalähdepiirien avulla.
Anturin voimassaolon tarkistus:Muut viat, kuten anturiviat, voidaan havaita diagnostisten algoritmien avulla ja anturisignaalien oikeellisuus voidaan tarkistaa akun sähköisen käyttäytymisen avulla.
Eristyksen mittaus
Eristysmittauksen merkitys ja järjestelmärakenne:Sähkö- tai osittain sähköajoneuvojen suurjännitejärjestelmä on yleensä rakennettu IT-verkoksi ja sen on tunnistettava ensimmäinen vika. Eristysresistanssia mitattaessa on otettava huomioon järjestelmän kapasitanssi- ja resistanssiominaisuudet, sillä kapasitanssi voi häiritä mittausta.
Yleiset mittausmenetelmät:Yleisiä menetelmiä ovat yhteismuotovirran mittaaminen silmukkakäämin avulla ja eristysvastuksen laskeminen muuttamalla järjestelmän ja rungon välistä potentiaalia kytkimien ja vastusten avulla. Myös muita yksinkertaisempia tai monimutkaisempia menetelmiä esitellään.
Eristyksen mittausstandardit:Eristysmittauksella on asiaankuuluvat standardispesifikaatiot mittausmenetelmille ja vähimmäiseristysresistanssivaatimuksille. Eri standardeissa on eroja mittausmenetelmissä, vastusarvoissa ja mittausajassa.
7. Yhteenveto
Yleiset vaatimukset ja suunnittelunäkökohdat:Tässä artikkelissa esitellään yleisiä BMS-laitteiston käsitteitä alkaen yleisistä vaatimuksista ja tarjoamalla toteutusnäkökohtia. Suunnitteluprosessin tulee sisältää mahdollisimman monta parametria, mutta vaatimukset tulee asettaa kohdelaitteen tarpeiden mukaan. Eri sovellusten vaatimukset vaihtelevat suuresti, ja nämä vaatimukset ovat hyvä lähtökohta akun suunnittelussa.
BMS-topologia:Akkujärjestelmän rakenne vaikuttaa BMS-topologiaan, ja jotkin sovellukset käyttävät erityisiä seurantamenetelmiä painon tai monimutkaisuuden vähentämiseksi, kuten osassa 3.3 verratut neljä hyötyajoneuvojen akkua, joilla on joitain yhteisiä piirteitä niiden samankaltaisten sovellusten vuoksi (kuten CAN-viestinnän käyttö). ), mutta eroavat integraation ja sisäisen viestinnän suhteen.
Fyysisen arvon mittaus:Kohdassa 4 on yksityiskohtainen johdatus vaadittujen fyysisten arvojen keruu- ja siirtomenetelmiin. Erilaiset mittausvaatimukset edellyttävät erilaisten menetelmien valintaa sovellusten rajoitusten ja tarpeiden perusteella.
Tasapainoongelma:Luvussa 5 kuvataan sarjaakkujen latausepätasapainon syitä ja kompensointimenetelmiä, joista tällä hetkellä yleisimmin käytetty menetelmä on passiivinen tasapainotus.
Turvallisuus ja luotettavuus:Osa 6 tarjoaa yleiskatsauksen turvallisuusnäkökohdista, mukaan lukien akun käyttörajojen noudattaminen eliniän varmistamiseksi ja käyttäjien suojaamiseksi suurjännitevaaroilta. Siinä esitellään standardimenetelmät eristysvalvontaan ja mainitaan tarve ottaa huomioon järjestelmätason riskit akkuja suojattaessa.