Abstraktne
See artikkel keskendub elektrisõidukite ja fikseeritud rakenduste akuhaldussüsteemide (BMS) riistvaraaspektidele. Eesmärk on visandada olemasolevate täiustatud süsteemide kontseptsioonid, võimaldades lugejatel mõista tegureid, mida tuleb konkreetsete rakenduste jaoks BMS-i kavandamisel arvesse võtta. Pärast üldiste nõuete põgusat analüüsi uuriti mitmeid võimalikke akupakettide topoloogilisi struktuure ja nende mõju BMS-i keerukusele. Võttes selgituseks näiteks neli müügilolevatest elektrisõidukitest valitud akut. Seejärel arutati vajalike füüsikaliste muutujate (pinge, voolutugevus, temperatuur jne) mõõtmise rakendusaspekte, samuti tasakaalustamise küsimusi ja strateegiaid. Lõpuks arutati ohutuse ja töökindluse aspekte.
1. Sissejuhatus
Akuhaldussüsteemide (BMS) keerukus sõltub rakendusest. Ühtset akut, sama lihtsat nagu mobiiltelefoni või e-raamatu lugejat, saab mõõta lihtsa "akumõõturi" IC-ga, mis suudab mõõta pinget, temperatuuri ja voolutugevust ning hinnata laetuse olekut (SOC). Sama keeruline kui elektrisõidukid, peab BMS täitma ka keerukamaid ülesandeid. Lisaks põhiparameetrite (nt aku pinge, temperatuuri ja voolutugevuse) mõõtmisele on sõiduulatuse arvutamiseks vaja ka täiustatud algoritme saadaoleva energia määramiseks.
See töö keskendub liitiumioonakude haldussüsteemide riistvaralisele aspektile. 2. osas tutvustatakse BMS-i riistvaranõudeid, sealhulgas mõõteväärtusi, elektromagnetilisi häireid, elektrilist isolatsiooni, kontaktoreid ja redundantsi. 3. jaotises antakse ülevaade BMS-i topoloogiast, selgitatakse lihtsate ja keerukate rakenduste erinevusi ning tuuakse näide elektrisõiduki akuplokist. 4. jaotises selgitatakse, kuidas täita füüsilise väärtuse mõõtmise nõudeid ja levinud lõkse. 5. osas käsitletakse tasakaalu, tutvustatakse ja võrreldakse laengu tasakaalustamise meetodeid. Jaotis 6 keskendub ohutusele ja töökindlusele, sealhulgas kõrgepingeakude kasutamisel tekkivatele riskidele ja vastumeetmetele, ning tutvustab lühidalt isolatsiooni mõõtmise meetodeid ja sellega seotud standardeid.
2. Akuhaldussüsteemi (BMS) konstruktsiooninõuded
BMS-i projekteerimine on keeruline ülesanne, mis nõuab konkreetsete rakendusnõuete, süsteemikeskkonna ja kasutatavate akude omaduste arvestamist, millest saab tuletada mitmeid süsteeminõudeid. Üldiselt on asjakohased järgmised BMS-i komponendid ja funktsionaalsed nõuded:
Temperatuuri kogumine
Anduri valik ja paigutus:Täpne temperatuuri kogumine on BMS-i projekteerimisel keeruline ning arvesse tuleb võtta anduri tüüpi (digitaalne või analoog) ja akupaki temperatuuri mõõtmise asukohta, mis määrab aku temperatuuriandurite arvu. Mõnikord on vaja koguda kontaktorite, kaitsmete või siinide temperatuuri. Tavaliselt on temperatuuriandurite ja pingeandurite vahel teatud osa kanaleid.
Erinevate rakendusstsenaariumide temperatuurinõuded:Temperatuurinõuded peavad arvestama kolme olukorraga: laadimine, tühjendamine ja ladustamine, pöörates samal ajal tähelepanu ka termilisele ajakonstandile. Liitiumioonakud ei saa korralikult töötada väljaspool kindlat temperatuurivahemikku ja liitiumplaatimine võib tekkida suure voolukiiruse korral normaalses temperatuurivahemikus. Seetõttu on vaja temperatuuri, pinget ja voolu täpselt koguda. Patareide soojusmahtuvust ja soojusjuhtivust mõjutavad sellised tegurid nagu aku struktuur ning temperatuuriandurite vale paigutus võib põhjustada valesti lugemist ja termilisi pimealasid.
Pinge omandamine
Omandamiskanal ja täpsus:Klassikaline liitiumioonakudel põhinev BMS nõuab iga järjestikku ühendatud aku jaoks vähemalt ühte pingevõtukanalit ning mõnel autotööstusel on ka sekundaarne kaitse (saavutatakse programmeeritava akna võrdlusseadme kaudu). Pinge omandamise andmete teisendusmäär varieerub olenevalt rakendusest ning tavaliselt kasutatavatel BMS-i esiotsa kiipidel on teatud pinge täpsus ja eraldusvõime.
Mõju SOC hinnangule:Võttes näitena NMC ja LFP akusid, on näidatud, et pinge omandamise täpsus mõjutab oluliselt SOC hinnangut. Mida suurem on täpsus, seda täpsem on SOC hinnang ja ainult pingeandmete kasutamisest SOC määramiseks ei pruugi piisata.
Joonis 1. SOC mõõtemääramatuse võrdlus sõltub pinge täpsusest ± 1 mV.
Praegune kollektsioon
Kogumismeetod ja anduri omadused:SOC-i saab määrata mitte ainult avatud vooluahela pinge (OCV) mõõtmisega, vaid ka Coulombi loendusmeetodiga (voolu mõõtmine ja integreerimine). Vooluanduritel ei ole aga ideaalsed omadused, nagu triiv, nihe ja temperatuurivead, ning neil võib olla vaja samaaegselt vastata erinevatele mõõtmisvahemiku nõuetele ja olla teatud ribalaiusega.
Praktilistes rakendustes on SOC määramisel ainult Coulombi loendusele tuginemine ebatäpne, eriti madala voolu tingimustes. Selle probleemi lahendamiseks on võimalik praeguste andmete töötlemiseks kombineerida algoritme ja parameetritega mudeleid, kuid see ei kuulu käesoleva artikli ulatusse.
Suhtlemisnõuded
Süsteemisisene suhtlus:BMS peab suhtlema kogu süsteemiga (nagu jõuelektroonika, energiahaldus või sõiduki juhtseadmed), võttes arvesse selliseid tegureid nagu siderežiim, kiirus, töökindlus ja töökindlus. Näiteks võib süsteemisuhtluseks vajada sõidukites CAN-liideseid ning erinevatel rakendustel võib olla juba süsteemi tasandil kindlaks määratud sidenõuded, millega BMS peab kohanema.
Moodulitevaheline suhtlus:Moodulsüsteemide jaoks on vaja määratleda sidemeetod ülem- ja alammoodulite vahel, mis on sarnane süsteemidevahelise suhtluse põhinõuetega. Konkreetseid näiteid leiate järgmistest peatükkidest.
Elektromagnetiliste häirete (EMI) kaitse
EMI mõju anduritele:EMI võib mõjutada andurite andmete kogumist ja kõik andurid on selle mõjule vastuvõtlikud, mis võib põhjustada andmete kerget moonutamist või täielikku kasutust.
EMI mõju vähendamise meetmed:Löögi minimeerimiseks peavad mootorid, toiteelektroonilised komponendid ja muud koormused olema hea EMI konstruktsiooniga ning sobivaid EMI-filtreerimisseadmeid, nagu tavarežiimi drosselid ja blokeerivad kondensaatorid, saab kasutada ning paigaldada anduri mõõtetee lähedusse.
Nõuded kontaktoritele
Kontaktorite funktsioon ja nõuded:Enamik akupakette eeldab võimalust elektriliselt lahti ühendada vähemalt üks elektrood, mis nõuab sobivat kontaktorit. Alalisvoolu katkestuse ja kaarekustutuse eripära tõttu peavad kontaktoritel olema magnetkaare kustutusseadmed ja need peaksid vältima kontaktkeevitust.
Tööohutuse meetmed:Ohutuse tagamiseks on kontaktori lüliti töötamise ajal vajalik spetsiaalne vooluring (näiteks eellaadimisseade, mis koosneb järjestikku ühendatud kontaktorist ja takistist), et tagada kahe otsa potentsiaalide erinevus ja vältida ohtlikke olukordi.
Koondamisnõuded
Koondamise roll süsteemi töökindluses:Vastavalt ISO 26262 standardile võib koondamine parandada süsteemi töökindlust. Aku pinget jälgitakse tavaliselt teatud piirini üleliigselt, kasutades kahte meetodit: põhikiibi täpne mõõtmine ja abikiibi poolt edastatav kahendinformatsioon.
Kõrgema taseme koondamise kontseptsioon:Redundantsi kontseptsioonid eksisteerivad ka kõrgemal tasemel töötlemisel, nagu lukustusaste, mäluvigade parandamine ja enesetesti mehhanismid spetsiaalsetes protsessorites.
Elektriisolatsiooni nõuded
Akuploki isolatsioon:Akupakett jaguneb tavaliselt kõrgepinge- ja madalpingeosadeks, mis nõuavad elektrilist isolatsiooni ja mida saab saavutada optiliste, induktiivsete või mahtuvuslike meetoditega.
Soojusanduri isolatsioon:Kõik soojusandurid peavad olema elektriliselt isoleeritud, et vältida kõrgepinge rikkeid, mis mõjutavad madalpinge osi, sarnaselt elektrijaotuse IT-võrgu paigutuse kontseptsiooniga.
Tasakaalunõuded
Laengute tasakaalustamatuse mõju:Seeriaga ühendatud akude vahel võib esineda laengu tasakaalustamatust, mis võib mõjutada süsteemi jõudlust ja töökindlust ning üldiselt tuleb see hoida madalal tasemel.
Rakenduse erikaalutlused:Erinevatel rakendustel võivad olla erikaalutlused, näiteks kaalupiirangud või laadimisvoolu nõuded, mis võivad viia tasakaalustusvoolu tekkeni. Punktis 5 tutvustatakse täiendavalt tasakaalustamise vajalikkust ja rakendamismeetodeid.
Muud nõuded
Rakendusega seotud nõuded:Rakendusel võivad olla ka mõned muud nõuded, nagu ruum, maksumus, riistvara mehaaniline tugevus, kaal ja energiatarve, mis ei ole käesoleva artikli keskmes, kuid mida tuleb arvesse võtta.
3. BMSi topoloogia struktuur
Akusüsteemi struktuuri ülevaade:Süsteemi elektriliste spetsifikatsioonide täitmiseks tuleb akud sageli kombineerida mitme ühenduse topoloogiaga akupakettideks. Seeriaühendus võib saavutada kindla pingevahemiku ja vähendada voolu; Paralleelühendus võib suurendada võimsust. Praktilistes rakendustes on erinevaid variante, näiteks väikese mahutavusega akude paralleelühendus mooduliteks ja jadaühendus või suure mahutavusega akude otsene kasutamine jadaühenduses. Erinevatel topoloogiatel on BMS-i keerukusele erinev mõju, näiteks seire- ja tasakaalustamiskulude suurenemine, kui paralleelselt on ühendatud mitu järjestikust akut.
Joonis 2. Erinevate akuplokkide topoloogiate skemaatiline diagramm: (a) üheelemendiline; b) kahe aku paralleelühendus; c) kolme aku jadaühendus; d) kahe jada ja kolme seeriaaku paralleelühendus; e) kolme mooduli jadaühendus, mis koosneb kahest paralleelsest akust.
Tabel 1. Topoloogiliste variantide tunnused on toodud joonisel 2.
Tooge näide aku ühendamise meetodi ja pinge mõõtmise kanali nõuete illustreerimiseks: näiteks m järjestikku ühendatud aku ja n paralleelselt ühendatud aku kombinatsioon nõuab erinevate ühendusmeetodite jaoks erinevat arvu pinge mõõtmise kanaleid.
Erijuhtumi arutelu:Mõnes erirakenduses (nt Euroopa Kosmoseagentuuri Marsi sond ja Rosetta sond) ei pruugita üksiku raku jälgimist ja tasakaalustamist teostada selliste tegurite tõttu nagu suurus, kaal ja energiatarve. Kuigi mõned arvamused viitavad sellele, et samast partiist patareisid hoolikalt valides võib seire ära jätta, on uuringud näidanud, et isegi samast partiist pärit patareidel võib olla erinev vananemiskäitumine ja seire väljajätmine võib põhjustada riske. Väikeste süsteemide ja teatud vahemikus olevate aku pingete puhul võib seire ärajätmise mõju siiski olla suhteliselt väike.
Seotud integraallülitusega (IC).
IC põhiseirefunktsiooniga:Aku ohutu kasutamise põhiseirefunktsiooni saavutamiseks pakuvad pooljuhtide tootjad erinevaid rakendusepõhiseid integraallülitusi (ASIC). Väikeste üheelemendiliste elektroonikaseadmete jaoks on olemas "kütuse näidiku" IC, mis suudab jälgida pinget, voolu ja temperatuuri, hinnata SOC-i ning sisaldada ka selliseid funktsioone nagu laadimisregulaatorid. Näiteks TI "bq27220" ja Maximiga seotud IC-d.
IC suure võimsusega ja energiavajadusega süsteemide jaoks
Modulariseerimine ja funktsioonide jaotamine:Suure võimsus- ja/või energiavajadusega rakenduste puhul koosneb akupakett mitmest akust ning asjakohane IC saab samaaegselt jälgida mitut akut ja pakkuda tasakaalustamisfunktsiooni. Süsteemis on keskmoodul (BMS Master), mis vastutab selliste keeruliste funktsioonide eest nagu SOC hindamine ja võimsuse prognoosimise algoritmid; Esiotsa IC-moodul (BMS Slaves) vastutab selliste põhifunktsioonide eest nagu signaali kogumine ja filtreerimine.
Joonis 3. Tüüpiline BMS-i struktuur elektrisõidukite rakendustele.
Erinevad IC näited ja tasakaalustamismeetodid:Näiteks TI bq76PL536A, MAX11068 ja LT6802G-2 pakuvad passiivset tasakaalustamist, samas kui AMS-i AS8506C saab kasutada passiivse tasakaalustamise topoloogia jaoks ja pakub ka aktiivse tasakaalustamise võimalust. Mõnel IC-l on järeltooted ja pinge jälgimise töökindluse parandamiseks saab kasutada sekundaarse kaitse IC-sid. Kuigi täielikult üleliigne BMS võib töökindlust parandada, on hind kõrge.
Side ja andmeedastus
Esiosa IC-ühendusmeetod:Esiotsa IC-sid saab tavaliselt ühendada ahela kaudu ja erinevatel IC-del on erinevad liidesemeetodid. MAX11068 on ühendatud I2C pordi kaudu, TI bq76PL536A pakub mitut liidest ja LT6802G-2 on ühendatud SPI siini kaudu (vajab täiendavat digitaalset isolaatorit).
Süsteemi sidemeetod:Süsteemis kasutatakse tavaliselt samal PCB-l asuvate IC-de ühendamiseks odavaid mikrokontrollereid ning teiste PCB-de mooduleid ja BMS-i põhimooduleid ühendatakse läbi väljasiini (näiteks CAN).
Tegelik juhtum
Mitsubishi i-MiEV:Aku koosneb mitmest kruvidega ühendatud moodulist, millel on 88 prismaakut. Mooduli PCB sisaldab jälgimis-IC-sid ja temperatuuriandureid ning aku korpus sisaldab mitut komponenti. BMS-i põhimoodul asub sõiduki tagaistmete all ja suhtleb sisemise CAN siini kaudu. Võrreldes teiste akudega on selle siseruum avaram, mis võib olla õhkjahutuse kõrvalmõju.
Joonis 4. a) Mitsubishi i-MiEV aku; b) Volkswagen e-Up aku; (c) Smart fortwo elektriajamiga aku. Märkus: skaleerimismeetodid on erinevad.
Joonis 5. (a) Tesla Model S akumooduli pealtvaade; (b) Volkswagen e-Up akumoodul, moodul 6s2p, pealtvaade.
Smart Fortwo Electric Edition:Aku koosneb 90-seeria ühendatud kottipatareidest koos jahutussüsteemiga ja põhilised jälgimisülesanded täidab TI IC sarnaselt bq76PL536A-ga. Iga PCB sisaldab mitut jälgimis-IC-d ja mikrokontrollerit ning BMS-i põhimoodul asub aku korpuses, millel on kõrge integratsioon ja vähe kaableid.
Volkswagen e-Up:Aku sisaldab mitut seeriamoodulit, puudub jahutussüsteem ega hoolduslahutusseade, tsentraliseeritud BMS-moodul, mis on ühendatud aku ja mõõte-IC-ga (MAX11068) läbi suure hulga pingemõõteliinide, suure hulga tasakaalustatud takistitega ja ilma konversioonita mikrokontrolleriga signaale.
Tesla mudel S:Aku koosneb suurest hulgast 18650 akust, mis on jagatud mitmeks mooduliks ja mis on ühendatud ühendusjuhtmetega. BMS-i jälgitakse TI bq76PL536A-Q1 abil ja pinget mõõdetakse keevitusjuhtmete kaudu. Võrreldes teiste akudega on selle integreerituse tase erinev, näiteks Volkswagen e-Upi madal integreerituse tase ja Smart Fortwo kõrge integreerituse tase.
4. Ülevaade HV akusüsteemi mõõtmistehnoloogiast
Mõõtmistehnoloogia tähtsus:Mõõtmistehnoloogia on akuhaldussüsteemide põhikomponent, millega saab määrata olekumuutujaid, nagu SOC, SOH, SOF jne. Tavaliselt mõõdab see selliseid muutujaid nagu aku pinge, kogupinge, koguvool ja akusüsteemide temperatuur. Need olekumuutujad võivad kaitsta akusüsteemi kahjustuste eest, nagu ülelaadimine või tühjenemine, ning optimeerida akusüsteemi kasutamist.
Anduri nõuded:Määrake tüüpilised nõuded anduritele akusalvestusrakenduste põhjal, sealhulgas maksumus, ribalaius, täpsus, mõõtmisvahemik ja suurus, nagu on kirjeldatud jaotises 2.
Voolu mõõtmine
Mõõtmismeetodi klassifikatsioon:Voolukogumisseadmed jagunevad kaheks põhianduritehnoloogiaks: elektriühendus ja isolatsioon. Tavaliselt kasutatav šunttakisti vooluandur kuulub elektriühenduse tüübi alla ja Halli andur on isolatsioonitüübi näide.
Lisaks sensortehnoloogiale tuleb arvestada ka asendiga akupakis. Mitut lülitatavat stringi sisaldavate akusüsteemide puhul peaks iga string olema varustatud voolu jälgimise seadmega, et jälgida võimsuse tasakaalustamatust.
Šundi takistuse mõõtmine
Mõõtmispõhimõte ja omadused:Ühendades väikese takistuse, suure täpsusega takistuse ja ülitäpse pinge mõõtmise süsteemi, mõõdetakse voolu. Takistus asub vooluteel ning voolu läbimisel tekivad võimsuskadu ja temperatuuri tõus. Takisti valikul on vaja tasakaalustada kadu ja vajadus tekitada sobiv pingelang. Suure täpsusega mõõtmisel tuleks arvestada ka takisti temperatuurikoefitsienti ja pikaajalist stabiilsust.
Seda meetodit saab kasutada alalis- ja vahelduvvoolu mõõtmiseks ning selle eelisteks on lihtsus, lineaarsus ja suur ribalaius. Mõõtevahemikku piirab aga pinge mõõtmise täpsus.
Madala ja kõrge külje mõõtmiste võrdlus
Madala külje mõõtmine viitab takistile, mis asub aku positiivse klemmi ja koormuse vahel. Selle eeliseks on see, et sisendi ühisrežiimi pinge on madal ja saab kasutada suurt hulka voolutundlikke võimendeid. Ahel on lihtne ja kulutõhus, kuid see häirib maandusteed ega suuda tuvastada suure koormuse voolu möödaviiku.
Kõrge külgmõõt tähendab, et takisti asub koormuse ja aku negatiivse pooluse või maanduse vahel. Selle eeliseks on see, et see suudab vältida maandustee häireid ja tuvastada lühiseid, kuid see nõuab võimendi väljundi taseme teisendamist ja nõuab, et võimendi taluks kõrget ühisrežiimi pinget.
Vähekontaktsed vooluandurid (saaliandurid jne)
Mõõtmispõhimõte ja eelised:Voolu tekitatud magnetvälja kasutamine mõõtmiseks, näiteks Halli efektil põhinevad Halli andurid, suurendamata voolu takistust, ilma täiendavate juhtivuskadudeta, elektriisolatsiooni eelistega ja ilma signaali konditsioneerimiseks täiendavate optronide või digitaalsete isolaatorite vajaduseta.
Halli andureid saab osta integraallülitustena, asetada need vooluteele ja nende väljund vajab filtreerimist. Kasutamiseks on saadaval ka terviklikud moodulid, mis koosnevad Halli andureid sisaldavatest ferriitrõngastest ja võivad pakkuda elektrilist isolatsiooni.
Anduri omadused ja piirangud:Peamine puudus on piiratud ribalaius, mis tavaliselt ei ületa kümneid kHz, ja väljundsignaali temperatuuri triiv, mida tuleb kompenseerida. Kui akusüsteem vajab suuremat ribalaiust, tuleks kasutada šundi takistuse mõõtmist ning Halli andurid on kallid ja mahukad.
Pinge mõõtmine
Akuploki pinge mõõtmise diferentseerimine:Liitiumioonakude puhul on vaja eristada iga aku pinge ja aku kogupinge mõõtmist. Nende kahe pingevahemikud on erinevad ja kõigi aku pingete summa peaks olema võrdne kogupingega, mida saab kasutada ratsionaalsuse hindamise kriteeriumina.
Aku pinge mõõtmine:tavaliselt täiendab integreeritud BMS-i esiotsa kiip. Kiipidega ühendatavate akude arv turul on erinev ning liiasust ja süsteemi töökindlust saab parandada ka sekundaarse järelevalve IC-de abil.
Aku pinge mõõtmine:täiendab eraldi mõõteseade, mis sisaldab pingejaoturit, impedantsi muundurit, filtrit ja analoog-digitaalmuundurit (ADC). Pingejaoturit kasutatakse akupaki pinge vähendamiseks sobivasse vahemikku, mis võib nõuda ohutuse tagamiseks mitut takistit, samuti Zeneri dioodi järgneva vooluahela kaitsmiseks. Samal ajal kasutatakse mõõdetud pinge saamiseks impedantsi muundureid, filtreid ja ADC-sid.
Temperatuuri mõõtmine
Temperatuuriandurite levinumad tüübid ja põhimõtted:Levinud temperatuuriandurite hulka kuuluvad negatiivse temperatuurikoefitsiendi (NTC) ja positiivse temperatuuriteguri (PTC) tüübid, mis mõõdavad temperatuuri, mõõtes pingelangust konstantse voolu all. Nende takistus varieerub sõltuvalt temperatuurist ja neid saab kasutada teatud temperatuurivahemikus, kuid esineb mittelineaarseid probleeme.
Probleemid ja lahendused andurite kasutamisel:Mittelineaarsuse tõttu on temperatuuriarvutuste kalibreerimiseks digitaalses töötlusahelas vajalik otsingutabel. Samuti on mõned andurid, mis kasutavad digitaalseid liideseid, mida on mugavam kasutada, kuid EMI-probleeme tuleks tähele panna, kui asetada need akupakidesse suure võimsusega radade lähedusse. Teised mõõtmismeetodid, nagu metallist PTC ja termopaar, võivad pakkuda suuremat täpsust ja laiemat temperatuurivahemikku, kuid suurema elektroonilise keerukusega.
Andmeedastus
Erinevate sidesiinide omadused ja rakendusstsenaariumid:side on vajalik BMS-i moodulite vahel ning BMS-i ja kogu süsteemi vahel. CAN-siini kasutatakse tavaliselt sõidukikeskkondades, millel on paindlikkus ja mürakindlus; LIN-siin on suhteliselt lihtne, kuid aeglane, vähese paindlikkusega ja mittediferentsiaalne, mistõttu sobib see kõrgete kulunõuetega stsenaariumide jaoks; Teised lähitoimeliidesed, nagu SPI, I2C ja OneWire siin, ei sobi pikamaa, häiretele kalduva mooduli ja mooduli suhtluse jaoks; Kui CAN siini kiirus on ebapiisav või on vaja reaalajas deterministlikku võimekust, võib kasutada FlexRay siini või Etherneti.
5. Aku tasakaal
Aku SOC erinevuse põhjus:Järjestikku ühendatud akude puhul võivad tootmiserinevused ning erinevad töö- ja keskkonnatingimused (nt temperatuur) põhjustada akude ebaühtlust. Need tegurid võivad põhjustada erinevaid algtingimusi, vananemist ja isetühjenemise määra, mis põhjustab kõrvalekaldeid SOC-s, võimsuses ja takistuse väärtustes. See osa keskendub peamiselt SOC ja mahu erinevustele ning ei hõlma erinevusi sisemise takistuse osas- Uuringud on näidanud, et isegi sama algvõimsuse ja koormusega akud kogevad pärast kasutamist võimsuse erinevusi. Näiteks 18650 aku, millel on sama algvõimsus ja mille järelejäänud mahutavus on 80% kui kasutusea lõpu standard, on tsükli eluiga 1000-1500 korda. Samal ajal on erinevate patareide isetühjenemise kiirus erinev, näiteks kaubanduslikud pehmed patareid, mida hoitakse temperatuuril 40 °C, kus isetühjenemise takistus varieerub vahemikus 10 k Ω kuni 14 k Ω.
Joonis 6. (a) Tasakaalustamata akuelementide põhjused, arvud põhinevad [57]; (b) Erinevate tasakaalumeetodite klassifikatsioon viitab energia ülekande suunale näidatud mittehajutava meetodi nimetusena.
Tasakaalu vajadus:Erinevused SOC-s, mahutavuses ja sisemises takistuses võivad viia akupaki saadaoleva energia vähenemiseni, mida saab lahendada tasakaaluahela abil.
Tasakaalumeetodite ülevaade
Riistvara juurutamine:Kirjanduses kirjeldatakse tasakaalustamisahelate erinevaid riistvararakendusi, mida saab liigitada erinevateks topoloogiastruktuurideks, juhtimismeetoditeks (nt aktiivne/passiivne) või kaubanduslikuks saadavuseks.
Tasakaalustusmeetodid kaubanduslikes rakendustes:Enamik kaubanduslikke akusid kasutab kontrollitud passiivseid tasakaalustamissüsteeme, mis saavutatakse paralleelsete tasakaalustustakistitega aku mõlemas otsas. Selle meetodi abil saab lahendada ainult SOC variatsiooni probleemi väikese tasakaaluvooluga (umbes 100 mA) ja aku mahutavuse muutumiseta, mida võib piirata BMS-i energia hajumine või aku ja seireahela vahelise kaabli läbimõõt. Igal akul või aku paralleelkombinatsioonil on lülitatav tasakaalustav takisti takistuse väärtusega 30 Ω -40 Ω (eeldades, et aku pinge on 4,2 V) ja iga aku tarbib voolu vahemikus 387 mW -430 mW.
Meetodid erinevate võimsusprobleemide lahendamiseks:Erinevate mahtuvusprobleemide lahendamiseks on vaja keerukamaid meetodeid energia ümberjaotamiseks akude vahel jõuelektroonikat kasutades. Need meetodid nõuavad aga keerulisi juhtimisalgoritme ja kalleid induktiivpooli. Kuigi on ka seotud BMS IC-tooteid, pole neid kaubanduslikes autoakudes laialdaselt kasutatud.
6. Ohutus and töökindlus
Riski vähendamise üldine eesmärk:BMS-i üks peamisi eesmärke on vähendada riske, mis on seotud liitiumioonakude tööga akupakkides.
Joonis 7. Aku pinge hankimise esiosa ekvivalentne vooluahela mudel, mis näitab liini rikete tuvastatavust.
Spetsiifilised ohutusmeetmed
Kõrgepinge ohutus:Akupaki kõrgepingeohutus on tagatud isolatsiooni jälgimise ja blokeerimisahelate kaudu, mis võivad vähendada saaste- või kondensatsioonist tingitud kaare tekkimise ohtu. Samal ajal peaks BMS-i riistvara disain järgima asjakohaseid standardeid, et tagada PCB ja pistikute roomekaugus ja elektriline kliirens.
Elektriisolatsioon:Elektrilise isolatsiooni tagamiseks aku kõrgepingest liidestes teiste juhtseadmete või lisatoiteallikatega võib kasutada isolatsiooniseadmeid, mis vastavad "täiustatud isolatsiooni" standardile. Kasutatakse traditsioonilisi optroneid, kuid nüüd on "digitaalsetel isolaatoritel" parem IC jõudlus.
Tulekahju ennetavad meetmed:Asetage temperatuuriandurid aku sisse ja reageerige kriitilistele temperatuuridele. Tuleohu vähendamiseks saab kasutada ka sensorivaba temperatuuri tuvastamise meetodeid (näiteks elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia) ja uusi temperatuuri mõõtmise meetodeid.
Kontaktor ja kaitse:Kasutage akuploki süsteemist lahtiühendamiseks kontaktorit, kooskõlastades samal ajal kaitsmega. Kaaluge mõlema tööomadusi ning akupaki parasiitmahtuvuse ja induktiivsuse mõju kaitsmete valikule.
Akude sisemine ohutus:BMS peaks tagama, et aku laetakse kindlaksmääratud temperatuurivahemikus, vältides madala temperatuuriga liitiumplaatimist ja sügavtühjenemist enne kasutamist. Samal ajal saab sisemiste lühiste tuvastamiseks kasutada diagnostikaalgoritme.
Joonis 8. Isolatsiooni mõõtmine: (a) IT ühenduste isolatsioon; (b) Isolatsiooni mõõtmise skemaatiline diagramm.
BMS-i riistvara disainiga seotud probleemid
Anduri vea tuvastamine:BMS-i riist- ja tarkvara juurutamise keerukuse suurenemisega suureneb tarkvaravigade ja andurite rikete tõenäosus. Näiteks ei ole aku pinge tuvastamise kaabli rikkeid lihtne tuvastada ainult pinge mõõtmise abil, vaid neid saab tuvastada aku tasakaalustamissüsteemide või vooluallika ahelate kaudu.
Anduri kehtivuse kontroll:Muid rikkeid, näiteks anduri defekte, saab tuvastada diagnostikaalgoritmide abil ja anduri signaalide kehtivust saab kontrollida aku elektrilise käitumise abil.
Isolatsiooni mõõtmine
Isolatsiooni mõõtmise tähtsus ja süsteemi struktuur:Elektri- või osaliselt elektrisõidukite kõrgepingesüsteem on reeglina üles ehitatud IT-võrguna ja peab tuvastama esimese rikke. Isolatsioonitakistuse mõõtmisel tuleb arvestada süsteemi mahtuvuse ja takistuse karakteristikutega, kuna mahtuvus võib mõõtmist segada.
Levinud mõõtmismeetodid:Levinud meetodid hõlmavad ühisrežiimi voolu mõõtmist silmusmähise abil ja isolatsioonitakistuse arvutamist, muutes süsteemi ja šassii vahelist potentsiaali lülitite ja takistite kaudu. Tutvustatakse ka teisi lihtsamaid või keerukamaid meetodeid.
Isolatsiooni mõõtmise standardid:Isolatsiooni mõõtmisel on asjakohased standardspetsifikatsioonid mõõtmismeetodite ja minimaalse isolatsioonitakistuse nõuete jaoks. Erinevatel standarditel on mõõtmismeetodid, takistuse väärtused ja mõõtmisaeg erinevad.
7. Kokkuvõte
Üldnõuded ja disainikaalutlused:See artikkel tutvustab BMS-i riistvara levinud kontseptsioone, alustades üldistest nõuetest ja pakkudes juurutamiskaalutlusi. Projekteerimisprotsess peaks hõlmama võimalikult palju parameetreid, kuid nõuded tuleks seada vastavalt sihtseadme vajadustele. Erinevate rakenduste nõuded on väga erinevad ja need nõuded on hea lähtepunkt akukomplekti kavandamisel.
BMS-i topoloogia:Akusüsteemi struktuur mõjutab BMS-i topoloogiat ja mõned rakendused kasutavad kaalu või keerukuse vähendamiseks spetsiaalseid jälgimismeetodeid, näiteks punktis 3.3 võrreldud neli kommertssõidukite akut, millel on sarnaste rakenduste tõttu (nt CAN-side kasutamine). ), kuid erinevad integratsiooni ja sisekommunikatsiooni poolest.
Füüsilise väärtuse mõõtmine:4. jaotises on üksikasjalik sissejuhatus nõutavate füüsiliste väärtuste kogumise ja edastamise meetodite kohta. Erinevad mõõtmisnõuded nõuavad erinevate meetodite valikut, lähtudes rakenduse piirangutest ja vajadustest.
Tasakaalu probleem:Jaotis 5 kirjeldab seeriaakude laetuse tasakaalustamatuse põhjuseid ja kompenseerimismeetodeid, kusjuures passiivne tasakaal on praegu kõige sagedamini kasutatav meetod.
Ohutus ja töökindlus:Jaotis 6 annab ülevaate ohutusaspektidest, sealhulgas aku töövahemike järgimisest, et tagada eluiga ja kaitsta kasutajaid kõrgepingeohtude eest. See tutvustab standardseid meetodeid isolatsiooni jälgimiseks ja mainib vajadust arvestada akude kaitsmisel süsteemi tasemel riske.