Резюме
Тази статия се фокусира върху хардуерните аспекти на системите за управление на батерията (BMS) в електрически превозни средства и фиксирани приложения. Целта е да се очертаят концепциите в съществуващите усъвършенствани системи, позволявайки на читателите да разберат факторите, които трябва да бъдат взети предвид при проектирането на BMS за специфични приложения. След кратък анализ на общите изисквания бяха проучени няколко възможни топологични структури на батерийни пакети и тяхното въздействие върху сложността на BMS. Като пример за обяснение ще вземем четири пакета батерии, избрани от налични в търговската мрежа електрически превозни средства. Впоследствие бяха обсъдени аспектите на прилагането на измерването на необходимите физически променливи (напрежение, ток, температура и т.н.), както и въпроси и стратегии за балансиране. Накрая бяха обсъдени съображенията за безопасност и надеждността.
1. Въведение
Сложността на системите за управление на батерията (BMS) зависи от приложението. Една батерия, толкова проста, колкото мобилен телефон или четец на електронни книги, може да бъде измерена с обикновена интегрална схема за измерване на батерията, която може да измерва напрежение, температура и ток и да оценява състоянието на заряд (SOC). Сложна като електрическите превозни средства, BMS трябва да изпълнява по-сложни задачи. В допълнение към измерването на основни параметри като напрежение на батерията, температура и ток, са необходими и усъвършенствани алгоритми за определяне на наличната енергия за изчисляване на обхвата на полет.
Тази работа се фокусира върху хардуерния аспект на системите за управление на литиево-йонни батерии. Част 2 въвежда хардуерните изисквания за BMS, включително измервателни стойности, електромагнитни смущения, електрическа изолация, контактори и резервиране. Раздел 3 предоставя общ преглед на топологията на BMS, изяснява разликите между прости и сложни приложения и предоставя пример за акумулаторна батерия за електрически превозни средства. Раздел 4 обяснява как да се изпълнят изискванията за измерване на физическа стойност и често срещани клопки. Раздел 5 обсъжда баланса, въвежда и сравнява методите за балансиране на заряда. Раздел 6 се фокусира върху безопасността и надеждността, включително рисковете и контрамерките при работа с високоволтови батерийни пакети, и накратко представя методите за измерване на изолацията и свързаните стандарти.
2. Проектни изисквания за система за управление на батерията (BMS)
Проектирането на BMS е сложна задача, която изисква разглеждане на специфичните изисквания на приложението, системната среда и характеристиките на използваните батерии, от които могат да бъдат извлечени редица системни изисквания. Най-общо казано, следните BMS компоненти и функционални изисквания обикновено са подходящи:
Събиране на температура
Избор и разположение на сензора:Точното събиране на температура е трудно при проектирането на BMS и трябва да се вземат предвид типът сензор (цифров или аналогов) и местоположението за измерване на температурата на батерията, което определя броя на сензорите за температура на батерията. Понякога е необходимо да се събере температурата на контактори, предпазители или шини. Обикновено има определена пропорция на канали между сензорите за температура и сензорите за напрежение.
Температурни изисквания за различни сценарии на приложение:Температурните изисквания трябва да вземат под внимание три ситуации: зареждане, разреждане и съхранение, като същевременно се обръща внимание на термичната времева константа. Литиево-йонните батерии не могат да функционират правилно извън определен температурен диапазон и литиево покритие може да възникне при високи скорости на тока в нормалния температурен диапазон. Следователно е необходимо да се събират точно температура, напрежение и ток. Топлинният капацитет и топлопроводимостта на батериите се влияят от фактори като структурата на батерията и неправилното поставяне на температурни сензори може да доведе до неправилно отчитане и топлинни слепи петна.
Придобиване на напрежение
Канал за придобиване и точност:Класическите BMS, базирани на литиево-йонни батерии, изискват поне един канал за получаване на напрежение за всяка последователно свързана батерия, а някои автомобилни приложения също имат вторична защита (постигана чрез програмируем компаратор на прозорци). Степента на преобразуване на данните за придобиване на напрежение варира в зависимост от приложението и често използваните предни чипове на BMS имат определена точност и разделителна способност на напрежението.
Въздействието върху оценката на SOC:Вземайки NMC и LFP батерии като примери, е показано, че точността на придобиване на напрежение има значително влияние върху оценката на SOC. Колкото по-висока е точността, толкова по-точна е оценката на SOC и използването само на данни за напрежението за определяне на SOC може да не е достатъчно.
Фигура 1. Сравнението на несигурността на SOC зависи от точността на напрежението от ± 1 mV.
Текуща колекция
Метод на събиране и характеристики на сензора:SOC може да се определи не само чрез измерване на напрежението на отворена верига (OCV), но и чрез използване на метода на броене на Кулон (измерване на ток и интегриране). Сензорите за ток обаче имат неидеални характеристики като дрейф, отместване и температурни грешки и може да се наложи едновременно да отговарят на различни изисквания за диапазон на измерване и да имат определена честотна лента.
В практическите приложения разчитането единствено на преброяването на Кулон за определяне на SOC е неточно, особено при условия на слаб ток. За да се реши този проблем, е възможно да се комбинират алгоритми и параметризирани модели за обработка на текущи данни, но това е извън обхвата на тази статия.
Изисквания за комуникация
Комуникация в системата:BMS трябва да комуникира с цялата система (като силова електроника, управление на енергията или блокове за управление на превозното средство), като се вземат предвид фактори като режим на комуникация, скорост, устойчивост и надеждност. Например, може да се наложи да се осигурят CAN интерфейси в превозни средства за системна комуникация и различни приложения може вече да са определили комуникационни изисквания на системно ниво, към които BMS трябва да се адаптира.
Междумодулна комуникация:За модулни системи е необходимо да се определи методът на комуникация между главния и подчинения модул, който е подобен на основните изисквания за междусистемна комуникация. Конкретни примери могат да бъдат намерени в следващите глави.
Защита от електромагнитни смущения (EMI).
Въздействието на EMI върху сензорите:EMI може да повлияе на събирането на данни от сензорите и всички сензори са податливи на неговото влияние, което може да доведе до леко изкривяване или пълна безполезност на данните.
Мерки за намаляване на въздействието на EMI:За да се сведе до минимум въздействието, двигателите, захранващите електронни компоненти и другите товари трябва да имат добър дизайн на EMI и могат да се използват подходящи устройства за филтриране на EMI, като дросели за общ режим и блокиращи кондензатори, и да се инсталират близо до пътя на измерване на сензора.
Изисквания към контакторите
Функцията и изискванията на контакторите:Повечето батерии изискват възможност за електрическо разединяване на поне един електрод, което изисква подходящ контактор. Поради особеното естество на прекъсването на постоянен ток и гасенето на дъгата, контакторите трябва да имат устройства за гасене на магнитна дъга и трябва да избягват контактно заваряване.
Мерки за безопасност при работа:За да се осигури безопасност, е необходима специална верига (като устройство за предварително зареждане, състоящо се от последователно свързани контактор и резистор) по време на работа на превключвателя на контактора, за да се гарантира, че няма потенциална разлика между двата края и да се избегнат опасни ситуации.
Изисквания за съкращения
Ролята на резервирането в надеждността на системата:Съгласно стандарта ISO 26262 резервирането може да подобри надеждността на системата. Напрежението на батерията обикновено се наблюдава излишно до известна степен, с два метода: прецизно измерване от основния чип и двоична информация, предоставена от спомагателния чип.
Концепция за резервиране от по-високо ниво:Концепции за излишък съществуват и при обработка на по-високо ниво, като стъпково заключване, коригиране на грешки в паметта и механизми за самотест в специални процесори.
Изисквания за електрическа изолация
Изолация на батерията:Батерийният пакет обикновено се разделя на части с високо и ниско напрежение, които изискват електрическа изолация и могат да бъдат постигнати чрез оптични, индуктивни или капацитивни методи.
Изолация на термичен сензор:Всички термични сензори също трябва да бъдат електрически изолирани, за да се избегнат повреди с високо напрежение, засягащи части с ниско напрежение, подобно на концепцията за оформление на ИТ мрежата за разпределение на електроенергия.
Изисквания за баланс
Въздействието на дисбаланса на заряда:Възможно е да има дисбаланс на заряда между серийно свързаните батерии, което може да повлияе на производителността и надеждността на системата и обикновено се изисква да се поддържа на ниско ниво.
Специални съображения за приложение:Различните приложения може да имат специални съображения, като например ограничения на теглото или изисквания за заряден ток, което може да доведе до генериране на балансиращ ток. Раздел 5 допълнително ще представи необходимостта и методите за прилагане на балансиране.
Други изисквания
Изисквания, свързани с приложението:Приложението може да има и някои други изисквания, като пространство, цена, механична якост на хардуера, тегло и консумация на енергия, които не са във фокуса на тази статия, но трябва да бъдат взети предвид.
3. Топологична структура на BMS
Преглед на структурата на акумулаторната система:За да отговорят на електрическите спецификации на системата, батериите често трябва да се комбинират в батерийни пакети с множество топологии на свързване. Серийното свързване може да постигне определен диапазон на напрежение и да намали тока; Паралелното свързване може да увеличи капацитета. Има различни варианти в практически приложения, като паралелно свързване на батерии с малък капацитет в модули и последователно свързване или директно използване на батерии с голям капацитет в последователно свързване. Различните топологии имат различни въздействия върху сложността на BMS, като например увеличените разходи за наблюдение и балансиране, когато няколко серии батерии са свързани паралелно.
Фигура 2. Схематична диаграма на различни топологии на батерии: (a) единична клетка; б) паралелно свързване на две батерии; в) Серийно свързване на три батерии; г) паралелно свързване на две последователни и три последователни батерии; д) Серийно свързване на три модула, състоящи се от две паралелни батерии.
Таблица 1. Характеристиките на топологичните варианти са показани на фигура 2.
Дайте пример, за да илюстрирате метода на свързване на батерията и изискванията на канала за измерване на напрежението: например комбинацията от m последователно свързани батерии и n паралелно свързани батерии изисква различен брой канали за измерване на напрежението за различни методи на свързване.
Обсъждане на специални случаи:В някои специални приложения (като сондата на Европейската космическа агенция за Марс и сондата Rosetta) наблюдението и балансирането на една клетка може да не се извършват поради фактори като размер, тегло и консумация на енергия. Въпреки че някои мнения предполагат, че внимателното подбиране на батерии от една и съща партида може да пропусне наблюдението, изследванията показват, че дори батериите от една и съща партида могат да имат различно поведение при стареене и пропускането на наблюдение може да представлява риск. Въпреки това, за малки системи и напрежение на батерията в определен диапазон, въздействието от пропускането на мониторинг може да бъде сравнително малко.
Свързани с интегрални схеми (IC).
IC с основна функция за наблюдение:За да постигнат основната функция за наблюдение на безопасна работа на батерията, производителите на полупроводници предоставят различни интегрални схеми за специфично приложение (ASIC). За малки електронни устройства с единични клетки има интегрална схема за измерване на горивото, която може да следи напрежението, тока и температурата, да оценява SOC и може също да включва функции като регулатори на зареждане. Например „bq27220“ на TI и свързаните с него интегрални схеми на Maxim.
IC за системи с висока мощност и потребление на енергия
Модулиране и разпределение на функциите:За приложения с високи изисквания за мощност и/или енергия, пакетът батерии се състои от множество батерии и съответната IC може едновременно да наблюдава множество батерии и да осигури функционалност за балансиране. В системата има централен модул (BMS Master), който отговаря за сложни функции като SOC оценка и алгоритми за прогнозиране на мощността; Предният IC модул (BMS Slaves) отговаря за основните функции като получаване и филтриране на сигнали.
Фигура 3. Типична BMS структура за приложения на електрически превозни средства.
Различни примери за IC и методи за балансиране:Например bq76PL536A, MAX11068 и LT6802G-2 на TI осигуряват пасивно балансиране, докато AS8506C на AMS може да се използва за топология на пасивно балансиране и също така осигурява възможност за активно балансиране. Някои интегрални схеми имат продукти-наследници и за подобряване на надеждността на мониторинга на напрежението могат да се използват интегрални схеми за вторична защита. Въпреки че напълно резервираният BMS може да подобри надеждността, цената е висока.
Комуникация и предаване на данни
Преден IC метод на свързване:Предните ИС обикновено могат да бъдат свързани чрез последователна верига и различните ИС имат различни методи на интерфейс. MAX11068 е свързан през I2C порта, bq76PL536A на TI осигурява множество интерфейси, а LT6802G-2 е свързан през SPI шината (изискваща допълнителен цифров изолатор).
Системен комуникационен метод:В системата обикновено се използват евтини микроконтролери за свързване на интегрални схеми на една и съща печатна платка, а модулите на други печатни платки и основните модули на BMS се свързват чрез полева шина (като CAN).
Действителен случай
Mitsubishi i-MiEV:Батерията се състои от множество модули, свързани с винтове, с 88 призматични батерии. Печатната платка на модула съдържа интегрални схеми за наблюдение и температурни сензори, а корпусът на батерията съдържа множество компоненти. Основният модул на BMS се намира под задните седалки на автомобила и комуникира чрез вътрешна CAN шина. В сравнение с други батерии вътрешното му пространство е по-просторно, което може да е страничен ефект от въздушното охлаждане.
Фигура 4. (a) Батериен пакет Mitsubishi i-MiEV; (б) батериен пакет Volkswagen e-Up; (c) Smart fortwo електрически комплект батерии. Забележка: Методите за мащабиране са различни.
Фигура 5. (a) Изглед отгоре на батерийния модул на Tesla Model S; (b) Батериен модул Volkswagen e-Up, 6s2p модул, изглед отгоре.
Smart Fortwo Electric Edition:Батерията се състои от 90 серии свързани торбички с охладителна система и основните задачи за наблюдение се изпълняват от IC на TI, подобно на bq76PL536A. Всяка печатна платка съдържа множество интегрални схеми за наблюдение и микроконтролери, а основният модул на BMS е разположен вътре в корпуса на батерията, с висока степен на интеграция и малко кабели.
Volkswagen e-Up:Батерията съдържа множество серийни модули, без охладителна система или сервизно устройство за изключване, централизиран BMS модул, свързан към батерията и IC за измерване (MAX11068) чрез голям брой линии за измерване на напрежение, с голям брой балансирани резистори и микроконтролер без преобразуване сигнали.
Tesla Model S:Батерията се състои от голям брой 18650 батерии, разделени на множество модули, свързани чрез свързващи проводници. BMS се наблюдава с помощта на bq76PL536A-Q1 на TI и напрежението се измерва чрез заваръчни проводници. В сравнение с други батерии, неговото ниво на интеграция е различно, като например ниското ниво на интеграция на Volkswagen e-Up и високото ниво на интеграция на Smart Fortwo.
4. Преглед на технологията за измерване на високоволтовата акумулаторна система
Значението на измервателната технология:Технологията за измерване е ключов компонент на системите за управление на батерията, която може да определя променливи на състоянието като SOC, SOH, SOF и т.н. Тя обикновено измерва променливи като напрежение на батерията, общо напрежение, общ ток и температура на батерийните системи. Тези променливи на състоянието могат да защитят акумулаторната система от повреди като презареждане или прекомерно разреждане и да оптимизират използването на акумулаторната система.
Изисквания към сензора:Определете типичните изисквания за сензори въз основа на приложения за съхранение на батерии, включително цена, честотна лента, точност, обхват на измерване и размер, както е описано подробно в раздел 2.
Текущо измерване
Класификация на метода на измерване:Оборудването за събиране на ток е разделено на две основни сензорни технологии: електрическо свързване и изолация. Често използваното отчитане на тока на шунтовия резистор принадлежи към типа електрическа връзка, а сензорът на Хол е пример за тип изолация.
В допълнение към сензорната технология трябва да се вземе предвид и позицията в батерията. За батерийни системи, съдържащи множество превключваеми низове, всеки низ трябва да бъде оборудван с устройство за наблюдение на тока за проследяване на дисбаланса на мощността.
Измерване на шунтово съпротивление
Принцип на измерване и характеристики:Чрез комбиниране на ниско съпротивление, високопрецизно съпротивление и високопрецизна система за измерване на напрежение, токът се измерва. Съпротивлението се намира на пътя на тока и загубата на мощност и повишаването на температурата възникват, когато токът преминава. При избора на резистор е необходимо да се балансират загубите и необходимостта от генериране на подходящ спад на напрежението. При измерване с висока точност трябва да се вземат предвид и температурният коефициент и дългосрочната стабилност на резистора.
Този метод може да се използва за измерване на DC и AC токове и има предимствата на простота, линейност и висока честотна лента. Обхватът на измерване обаче е ограничен от точността на измерване на напрежението.
Сравнение на измерванията на долната и високата страна
Измерването на ниска страна се отнася до резистора, разположен между положителния извод на батерията и товара. Неговото предимство е, че входното напрежение в общ режим е ниско и могат да се използват голям брой усилватели на ток. Веригата е проста и рентабилна, но ще пречи на заземяващия път и не може да открие байпас на ток с голямо натоварване.
Измерването на високата страна се отнася до това, че резисторът е разположен между товара и отрицателния полюс или земята на батерията. Неговото предимство е, че може да избегне смущенията на земния път и да открие къси съединения, но изисква преобразуване на нивото на изхода на усилвателя и изисква усилвателят да издържа на високо напрежение в общ режим.
Сензори за по-малък ток (сензори на Хол и др.)
Принцип на измерване и предимства:Използване на магнитното поле, генерирано от ток за измерване, като сензори на Хол, базирани на ефекта на Хол, без увеличаване на съпротивлението на токовия път, без допълнителни загуби на проводимост, с предимства на електрическата изолация и без необходимост от допълнителни оптрони или цифрови изолатори за кондициониране на сигнала.
Сензорите на Хол могат да бъдат закупени като интегрални схеми, поставени на токовия път, като изходът им трябва да бъде филтриран. Има и пълни модули, налични за използване, които са съставени от феритни пръстени, съдържащи сензори на Хол и могат да осигурят електрическа изолация.
Характеристики на сензора и ограничения:Основният недостатък е ограничената честотна лента, обикновено не надвишаваща десетки kHz, и температурното отклонение в изходния сигнал, което трябва да бъде компенсирано. Ако акумулаторната система изисква по-висока честотна лента, трябва да се използва измерване на съпротивлението на шунт, а сензорите на Хол са скъпи и обемисти.
Измерване на напрежение
Разграничаване на измерването на напрежението на батерията:При пакетите литиево-йонни батерии е необходимо да се прави разлика между измерването на напрежението на всяка батерия и общото напрежение на пакета батерии. Диапазоните на напрежението на двете са различни и сумата от всички напрежения на батерията трябва да бъде равна на общото напрежение, което може да се използва като критерий за преценка за рационалност.
Измерване на напрежението на батерията:обикновено се допълва от интегриран BMS преден чип. Броят на батериите, които могат да бъдат свързани към чипове на пазара, варира, а резервирането и надеждността на системата също могат да бъдат подобрени чрез вторични интегрални схеми за наблюдение.
Измерване на напрежението на батерията:завършен от отделен измервателен блок, включващ делител на напрежение, преобразувател на импеданс, филтър и аналогово-цифров преобразувател (ADC). Делителят на напрежението се използва за намаляване на напрежението на батерията до подходящ диапазон, което може да изисква множество резистори за осигуряване на безопасност, както и ценеров диод за защита на последващата верига. В същото време се използват преобразуватели на импеданс, филтри и ADC за получаване на измереното напрежение.
Измерване на температурата
Общи типове и принципи на температурни сензори:Обичайните температурни сензори включват типове отрицателен температурен коефициент (NTC) и положителен температурен коефициент (PTC), които измерват температурата чрез измерване на спада на напрежението при постоянен ток. Тяхното съпротивление варира в зависимост от температурата и може да се използва в определен температурен диапазон, но има нелинейни проблеми.
Проблеми и решения при използването на сензори:Поради нелинейността е необходима справочна таблица във веригата за цифрова обработка за калибриране на температурните изчисления. Има и някои сензори, които използват цифрови интерфейси, които са по-удобни за използване, но проблемите с EMI трябва да се отбележат, когато се поставят близо до мощни пътища в батерийните пакети. Други методи за измерване като метален PTC и термодвойка могат да осигурят по-висока точност и по-широк температурен диапазон, но с по-висока електронна сложност.
Предаване на данни
Характеристиките и сценариите на приложение на различни комуникационни шини:необходима е комуникация между BMS модулите и между BMS и цялата система. CAN шината обикновено се използва в среди на превозни средства, с гъвкавост и устойчивост на шум; Шината LIN е сравнително проста, но с ниска скорост, има слаба гъвкавост и не е диференциална, което я прави подходяща за сценарии с високи изисквания за разходи; Други комуникационни интерфейси за къси разстояния като SPI, I2C и OneWire bus не са подходящи за комуникация между модули на дълги разстояния, податлива на смущения; Ако скоростта на CAN шината е недостатъчна или се изисква детерминистична способност в реално време, може да се използва FlexRay шина или Ethernet.
5. Баланс на батерията
Причината за разликата в SOC на батерията:При последователно свързани батерии разликите в производството и различните условия на работа и околната среда (като температура) могат да доведат до неравномерност между батериите. Тези фактори могат да причинят различни първоначални условия, стареене и скорости на саморазреждане, което води до отклонения в стойностите на SOC, капацитета и съпротивлението. Този раздел се фокусира основно върху разликите в SOC и капацитета и не включва разлики във вътрешното съпротивление - Изследванията показват, че дори батерии с еднакъв първоначален капацитет и натоварване ще имат разлики в капацитета след употреба. Например, 18650 батерии със същия първоначален капацитет, с оставащ капацитет от 80% като стандарт в края на живота, имат цикъл на живот между 1000-1500 пъти. В същото време има разлики в скоростта на саморазреждане на различните батерии, като търговски меки батерии, съхранявани при 40 градуса C, където съпротивлението на саморазреждане варира между 10 k Ω и 14 k Ω.
Фигура 6. (a) Причини за небалансирани батерийни клетки, числа въз основа на [57]; (b) Класификацията на различните методи за равновесие се отнася до посоката на трансфер на енергия като името на показания недисипативен метод.
Необходимостта от баланс:Разликите в SOC, капацитета и вътрешното съпротивление могат да доведат до намаляване на наличната енергия на батерията, което може да бъде разрешено чрез балансираща верига.
Преглед на балансовите методи
Хардуерно изпълнение:Литературата описва различни методи за хардуерно внедряване за балансиране на вериги, които могат да бъдат класифицирани в различни топологични структури, методи за управление (като активен/пасивен) или търговска наличност.
Методи за балансиране в търговски приложения:Повечето търговски пакети батерии използват контролирани системи за пасивно балансиране, постигнати чрез паралелни балансиращи резистори в двата края на батерията. Този метод може да реши само проблема с вариацията на SOC с малък балансен ток (около 100 mA) и без промяна в капацитета на батерията, което може да бъде ограничено от разсейването на енергията на BMS или диаметъра на кабела между батерията и веригата за наблюдение. Всяка батерия или паралелна комбинация от батерии има превключваем балансиращ резистор със стойност на съпротивление между 30 Ω -40 Ω (приемайки, че напрежението на батерията е 4,2 V) и всяка батерия консумира мощност между 387 mW -430 mW.
Методи за решаване на различни проблеми с капацитета:За решаване на различни проблеми с капацитета са необходими по-сложни методи за преразпределение на енергията между батериите с помощта на силова електроника. Тези методи обаче изискват сложни алгоритми за управление и скъпи индуктори. Въпреки че има свързани BMS IC продукти, те не са били широко използвани в търговските автомобилни батерийни пакети.
6. Безопасност анd надеждност
Общата цел за намаляване на риска:Една от основните цели на BMS е да намали рисковете, свързани с работата на литиево-йонни батерии в батерийни пакети.
Фигура 7. Модел на еквивалентна схема на предния край за получаване на напрежението на батерията, демонстриращ откриваемостта на грешките на сензорната линия.
Специфични мерки за безопасност
Безопасност при високо напрежение:Безопасността при високо напрежение на батерията се осигурява чрез наблюдение на изолацията и блокиращи вериги, които могат да намалят риска от образуване на дъга, причинена от замърсяване или кондензация. В същото време дизайнът на хардуера на BMS трябва да следва съответните стандарти, за да осигури разстоянието на пълзене и електрическото разстояние на печатната платка и конекторите.
Електрическа изолация:За да се осигури електрическа изолация от високо напрежение на батерията при интерфейси с други контролни модули или спомагателни източници на захранване, може да се използва оборудване за изолация, което отговаря на стандарта за "подобрена изолация". Използват се традиционни оптрони, но сега "цифровите изолатори" имат по-добри характеристики на IC.
Мерки за предотвратяване на пожари:Поставете температурни сензори вътре в батерията и реагирайте на критични температури. Безсензорни методи за откриване на температура (като електрохимична импедансна спектроскопия) и нови методи за измерване на температура също могат да се използват за намаляване на риска от пожар.
Контактор и предпазител:Използвайте контактор, за да изключите батерията от системата, като същевременно координирате с предпазител. Вземете предвид експлоатационните характеристики на двете и влиянието на паразитния капацитет и индуктивност в батерията върху избора на предпазители.
Вътрешна безопасност на батериите:BMS трябва да гарантира, че батерията е заредена в определения температурен диапазон, като избягва нискотемпературно литиево покритие и дълбоко разреждане преди работа. В същото време могат да се използват диагностични алгоритми за откриване на вътрешни къси съединения.
Фигура 8. Измерване на изолацията: (a) Изолация в IT връзки; (b) Схематична диаграма на измерване на изолацията.
Проблеми, свързани с хардуерния дизайн на BMS
Откриване на повреда на сензора:С нарастващата сложност на внедряването на хардуера и софтуера на BMS, вероятността от софтуерни грешки и откази на сензори се увеличава. Например неизправностите на кабела при откриване на напрежението на батерията не се откриват лесно само чрез измерване на напрежението, но могат да бъдат открити чрез системи за балансиране на батерията или вериги на източник на ток.
Проверка на валидността на сензора:Други неизправности като сензорни дефекти могат да бъдат открити чрез диагностични алгоритми, а валидността на сензорните сигнали може да бъде проверена чрез електрическото поведение на батерията.
Измерване на изолацията
Значението и структурата на системата за измерване на изолацията:Системата за високо напрежение на електрически или частично електрически превозни средства обикновено е изградена като ИТ мрежа и трябва да открие първата повреда. При измерване на съпротивлението на изолацията е необходимо да се вземат предвид характеристиките на капацитета и съпротивлението на системата, тъй като капацитетът може да попречи на измерването.
Общи методи за измерване:Обичайните методи включват измерване на обикновения ток с помощта на контурна бобина и изчисляване на изолационното съпротивление чрез промяна на потенциала между системата и шасито чрез ключове и резистори. Въвеждат се и други по-прости или по-сложни методи.
Стандарти за измерване на изолацията:Измерването на изолацията има съответните стандартни спецификации за методите на измерване и изискванията за минимално съпротивление на изолацията. Различните стандарти имат разлики в методите на измерване, стойностите на съпротивлението и времето за измерване.
7. Обобщение
Общи изисквания и съображения за проектиране:Тази статия въвежда общи концепции за BMS хардуер, като се започне от общи изисквания и се предоставят съображения за внедряване. Процесът на проектиране трябва да включва възможно най-много параметри, но изискванията трябва да бъдат определени според нуждите на целевото устройство. Изискванията на различните приложения се различават значително и тези изисквания са добра отправна точка за съображения относно дизайна на батерията.
BMS топология:Структурата на акумулаторната система засяга топологията на BMS и някои приложения използват специални методи за наблюдение, за да намалят теглото или сложността, като например четирите батерии за търговски електрически превозни средства, сравнени в раздел 3.3, които имат някои общи черти поради подобните им приложения (като използване на CAN комуникация ), но се различават по интеграция и вътрешна комуникация.
Измерване на физическа стойност:Раздел 4 предоставя подробно въведение в методите за събиране и предаване на необходимите физически стойности. Различните изисквания за измерване изискват избор на различни методи въз основа на ограниченията и нуждите на приложението.
Проблем с баланса:Раздел 5 описва причините и методите за компенсиране на дисбаланса на заряда в серийните батерии, като пасивният баланс в момента е най-често използваният метод.
Безопасност и надеждност:Раздел 6 предоставя общ преглед на аспектите на безопасността, включително съответствие с работните диапазони на батерията, за да се осигури продължителност на живота и да се предпазят потребителите от опасности от високо напрежение. Той въвежда стандартни методи за наблюдение на изолацията и споменава необходимостта да се вземат предвид рисковете на системно ниво при защитата на батериите.