Abstrakt
Ushbu maqola elektr transport vositalarida va statsionar ilovalarda batareyalarni boshqarish tizimlarining (BMS) apparat jihatlariga qaratilgan. Maqsad - mavjud ilg'or tizimlardagi tushunchalarni tavsiflash, o'quvchilarga maxsus ilovalar uchun BMSni loyihalashda e'tiborga olinishi kerak bo'lgan omillarni tushunish imkonini beradi. Umumiy talablarni qisqacha tahlil qilgandan so'ng, batareya paketlarining bir nechta mumkin bo'lgan topologik tuzilmalari va ularning BMS murakkabligiga ta'siri o'rganildi. Tushuntirish uchun misol sifatida sotuvda sotiladigan elektr transport vositalaridan tanlangan to'rtta batareya paketini olish. Keyinchalik, zarur jismoniy o'zgaruvchilarni (kuchlanish, oqim, harorat va boshqalar) o'lchashning amalga oshirish jihatlari, shuningdek, muvozanatlash masalalari va strategiyalari muhokama qilindi. Nihoyat, xavfsizlik masalalari va ishonchlilik jihatlari muhokama qilindi.
1. Kirish
Batareyani boshqarish tizimlarining (BMS) murakkabligi dasturga bog'liq. Mobil telefon yoki elektron kitob o'quvchi kabi oddiy bitta batareyani oddiy "batareya o'lchagich" IC bilan o'lchash mumkin, u kuchlanish, harorat va oqimni o'lchashi va zaryad holatini (SOC) taxmin qilishi mumkin. Elektr transport vositalari kabi murakkab BMS ham murakkabroq vazifalarni bajarishi kerak. Batareya kuchlanishi, harorat va oqim kabi asosiy parametrlarni o'lchashdan tashqari, sayohat oralig'ini hisoblash uchun mavjud energiyani aniqlash uchun ilg'or algoritmlar ham talab qilinadi.
Ushbu ish lityum-ion batareyalarni boshqarish tizimlarining apparat tomoniga qaratilgan. 2-qism o'lchov qiymatlari, elektromagnit parazit, elektr izolyatsiyasi, kontaktorlar va zaxiralarni o'z ichiga olgan BMS uchun apparat talablarini taqdim etadi. 3-bo'limda BMS topologiyasi haqida umumiy ma'lumot berilgan, oddiy va murakkab ilovalar o'rtasidagi farqlar aniqlangan va elektr avtomobil akkumulyatorlari to'plamiga misol keltirilgan. 4-bo'limda jismoniy qiymatni o'lchash talablariga va umumiy tuzoqlarga qanday javob berish kerakligi tushuntiriladi. 5-bo'limda muvozanat muhokama qilinadi, zaryadni muvozanatlash usullari bilan tanishtiriladi va taqqoslanadi. 6-bo'lim xavfsizlik va ishonchlilikka, shu jumladan yuqori voltli batareya paketlarini ishlatish xavfi va qarshi choralarga qaratilgan va izolyatsiyani o'lchash usullari va tegishli standartlarni qisqacha tanishtiradi.
2. Batareyani boshqarish tizimi (BMS) uchun dizayn talablari
BMSni loyihalash murakkab vazifa bo'lib, u maxsus dastur talablarini, tizim muhitini va ishlatiladigan batareyalarning xususiyatlarini hisobga olishni talab qiladi, undan tizim talablari seriyasini olish mumkin. Umuman olganda, quyidagi BMS komponentlari va funktsional talablari odatda tegishli:
Haroratni yig'ish
Sensorni tanlash va joylashtirish:BMSni loyihalashda haroratni to'g'ri yig'ish qiyin va sensorning turini (raqamli yoki analog) va batareyalar to'plamining haroratini o'lchash joyini hisobga olish kerak, bu esa batareyaning harorat sensori sonini aniqlaydi. Ba'zan kontaktorlar, sigortalar yoki shinalarning haroratini yig'ish kerak. Odatda, harorat sensori va kuchlanish sensori o'rtasida kanallarning ma'lum bir nisbati mavjud.
Turli xil dastur stsenariylari uchun harorat talablari:Harorat talablari uchta holatni ko'rib chiqishi kerak: zaryadlash, tushirish va saqlash, shuningdek, termal vaqt doimiysiga e'tibor berish. Lityum-ion batareyalar ma'lum bir harorat oralig'idan tashqarida to'g'ri ishlay olmaydi va lityum qoplama normal harorat oralig'ida yuqori oqim tezligida sodir bo'lishi mumkin. Shuning uchun harorat, kuchlanish va oqimni to'g'ri yig'ish kerak. Batareyalarning issiqlik sig'imi va issiqlik o'tkazuvchanligiga batareya tuzilishi kabi omillar ta'sir qiladi va harorat sensorlarini noto'g'ri joylashtirish noto'g'ri o'qish va termal ko'r nuqtalarga olib kelishi mumkin.
Voltaj olish
Qabul qilish kanali va aniqligi:Lityum-ionli batareyalarga asoslangan klassik BMS har bir seriyali ulangan batareya uchun kamida bitta kuchlanish olish kanalini talab qiladi va ba'zi avtomobil ilovalari ham ikkilamchi himoyaga ega (dasturlashtiriladigan oyna komparatori orqali erishiladi). Voltaj olish ma'lumotlarini konvertatsiya qilish tezligi dasturga qarab o'zgaradi va tez-tez ishlatiladigan BMS oldingi chiplari ma'lum kuchlanish aniqligi va ruxsatiga ega.
SOCni baholashga ta'siri:NMC va LFP batareyalarini misol tariqasida oladigan bo'lsak, kuchlanishni olishning aniqligi SOCni baholashga sezilarli ta'sir ko'rsatishi ko'rsatilgan. Aniqlik qanchalik yuqori bo'lsa, SOCni baholash shunchalik aniq bo'ladi va SOCni aniqlash uchun faqat kuchlanish ma'lumotlaridan foydalanish etarli bo'lmasligi mumkin.
Shakl 1. SOC noaniqligini taqqoslash ± 1 mV kuchlanishning aniqligiga bog'liq.
Joriy kolleksiya
Yig'ish usuli va sensorning xususiyatlari:SOCni nafaqat ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanishini (OCV) o'lchash, balki Coulomb hisoblash usuli (oqim o'lchash va integratsiya) yordamida ham aniqlash mumkin. Biroq, joriy sensorlar drift, ofset va harorat xatolari kabi ideal bo'lmagan xususiyatlarga ega va bir vaqtning o'zida turli o'lchov diapazonlari talablariga javob berishi va ma'lum bir tarmoqli kengligi bo'lishi kerak bo'lishi mumkin.
Amaliy ilovalarda, SOCni aniqlash uchun faqat Kulon hisobiga tayanish, ayniqsa past oqim sharoitida noto'g'ri. Ushbu muammoni hal qilish uchun joriy ma'lumotlarni qayta ishlash uchun algoritmlar va parametrlashtirilgan modellarni birlashtirish mumkin, ammo bu ushbu maqola doirasidan tashqarida.
Aloqa talablari
Tizim ichidagi aloqa:BMS aloqa rejimi, tezlik, mustahkamlik va ishonchlilik kabi omillarni hisobga olgan holda butun tizim bilan (masalan, quvvat elektroniği, energiya boshqaruvi yoki avtomobil boshqaruv bloklari) aloqa o'rnatishi kerak. Masalan, tizim aloqasi uchun transport vositalarida CAN interfeyslarini ta'minlash kerak bo'lishi mumkin va turli ilovalar tizim darajasida BMS moslashishi kerak bo'lgan aloqa talablarini allaqachon aniqlagan bo'lishi mumkin.
Modullararo aloqa:Modulli tizimlar uchun asosiy va yordamchi modullar o'rtasidagi aloqa usulini aniqlash kerak, bu tizimlararo aloqa uchun asosiy talablarga o'xshaydi. Muayyan misollarni keyingi boblarda topish mumkin.
Elektromagnit parazitlardan (EMI) himoya qilish
EMI ning sensorlarga ta'siri:EMI sensorlarning ma'lumotlar yig'ilishiga ta'sir qilishi mumkin va barcha sensorlar uning ta'siriga moyil bo'lib, bu ma'lumotlarning ozgina buzilishi yoki to'liq foydasiz bo'lishiga olib kelishi mumkin.
EMI ta'sirini kamaytirish choralari:Ta'sirni minimallashtirish uchun dvigatellar, quvvat elektron komponentlari va boshqa yuklar yaxshi EMI dizayniga ega bo'lishi kerak va umumiy rejimdagi choklar va blokirovka qiluvchi kondansatkichlar kabi tegishli EMI filtrlash moslamalaridan foydalanish va sensorni o'lchash yo'li yaqinida o'rnatilishi mumkin.
Kontaktorlarga qo'yiladigan talablar
Kontaktorlarning vazifasi va talablari:Aksariyat batareya paketlari kamida bitta elektrodni elektr bilan uzish qobiliyatini talab qiladi, bu esa mos kontaktorni talab qiladi. Doimiy oqimning uzilishi va yoyni o'chirishning o'ziga xos xususiyati tufayli kontaktorlarda magnit yoyni o'chirish moslamalari bo'lishi kerak va kontaktli payvandlashdan qochish kerak.
Ishlashda xavfsizlik choralari:Xavfsizlikni ta'minlash uchun kontaktor kalitining ishlashi paytida ikkita uchi o'rtasida potentsial farq yo'qligi va xavfli vaziyatlardan qochish uchun maxsus sxema (masalan, ketma-ket ulangan kontaktor va rezistordan iborat oldindan zaryadlash birligi) talab qilinadi.
Ortiqcha talablar
Tizim ishonchliligida ortiqcha ishlarning roli:ISO 26262 standartiga muvofiq, ortiqcha tizim ishonchliligini oshirishi mumkin. Batareya zo'riqishida odatda ikkita usul bilan ma'lum darajada ortiqcha kuzatiladi: asosiy chip tomonidan aniq o'lchash va yordamchi chip tomonidan taqdim etilgan ikkilik ma'lumot.
Yuqori darajadagi ortiqcha kontseptsiya:Ortiqchalik tushunchalari yuqori darajadagi ishlov berishda ham mavjud, masalan, blokirovkalash qadamlari, xotira xatolarini tuzatish va maxsus protsessorlarda o'z-o'zini tekshirish mexanizmlari.
Elektr izolyatsiyasi talablari
Batareya to'plamini izolyatsiya qilish:Batareya to'plami odatda yuqori kuchlanishli va past kuchlanishli qismlarga bo'linadi, ular elektr izolyatsiyasini talab qiladi va optik, induktiv yoki sig'imli usullar bilan erishish mumkin.
Issiqlik sensori izolyatsiyasi:Quvvatni taqsimlash AT tarmog'i sxemasi kontseptsiyasiga o'xshash past kuchlanishli qismlarga ta'sir qiluvchi yuqori voltli nosozliklarni oldini olish uchun barcha termal sensorlar ham elektr izolyatsiya qilinishi kerak.
Balans talablari
Zaryad nomutanosibligining ta'siri:Seriyali ulangan batareyalar o'rtasida zaryad nomutanosibligi bo'lishi mumkin, bu tizimning ishlashi va ishonchliligiga ta'sir qilishi mumkin va odatda uni past darajada ushlab turish talab qilinadi.
Maxsus qo'llash masalalari:Turli xil ilovalarda vazn cheklovlari yoki zaryadlash oqimi talablari kabi maxsus fikrlar bo'lishi mumkin, bu esa muvozanat oqimining paydo bo'lishiga olib kelishi mumkin. 5-bo'limda muvozanatlashning zarurati va amalga oshirish usullari qo'shimcha ravishda kiritiladi.
Boshqa talablar
Ilova bilan bog'liq talablar:Ilovada bo'sh joy, xarajat, apparatning mexanik kuchi, vazni va quvvat iste'moli kabi boshqa talablar ham bo'lishi mumkin, ular ushbu maqolaning diqqat markazida emas, lekin e'tiborga olinishi kerak.
3. BMS ning topologik tuzilishi
Batareya tizimining tuzilishiga umumiy nuqtai nazar:Tizimning elektr xususiyatlariga javob berish uchun batareyalarni ko'pincha bir nechta ulanish topologiyalariga ega batareya paketlariga birlashtirish kerak. Seriyali ulanish ma'lum bir kuchlanish oralig'iga erishishi va oqimni kamaytirishi mumkin; Parallel ulanish quvvatni oshirishi mumkin. Amaliy ilovalarda turli xil variantlar mavjud, masalan, kichik quvvatli batareyalarni modullarga parallel ulash va ketma-ket ulanish yoki ketma-ket ulanishda katta quvvatli batareyalarni to'g'ridan-to'g'ri ishlatish. Turli xil topologiyalar BMS ning murakkabligiga turli xil ta'sir ko'rsatadi, masalan, bir nechta seriyali batareyalar parallel ravishda ulanganda monitoring va balanslash narxining oshishi.
Shakl 2. Turli xil batareyalar to'plami topologiyalarining sxematik diagrammasi: (a) bitta hujayra; (b) ikkita batareyaning parallel ulanishi; (c) uchta batareyaning ketma-ket ulanishi; (d) ikkita seriyali va uchta seriyali batareyalarni parallel ulash; (e) ikkita parallel batareyadan iborat uchta modulning ketma-ket ulanishi.
1-jadval. Topologik variantlarning xarakteristikalari 2-rasmda keltirilgan.
Batareyani ulash usuli va kuchlanishni o'lchash kanaliga qo'yiladigan talablarni ko'rsatish uchun misol keltiring: masalan, m seriyali ulangan batareyalar va n ta parallel ulangan batareyalar birikmasi turli ulanish usullari uchun turli sonli kuchlanish o'lchash kanallarini talab qiladi.
Maxsus vaziyat muhokamasi:Ba'zi maxsus ilovalarda (masalan, Yevropa kosmik agentligining Mars zondi va Rosetta zondi) o'lcham, vazn va quvvat sarfi kabi omillar tufayli bitta hujayra monitoringi va muvozanatlash amalga oshirilmasligi mumkin. Garchi ba'zi fikrlar bir xil to'plamdagi batareyalarni ehtiyotkorlik bilan tanlash monitoringni o'tkazib yuborishi mumkinligini ko'rsatsa-da, tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, hatto bir partiyadagi batareyalar ham har xil qarish xatti-harakatlariga ega bo'lishi mumkin va monitoringni o'tkazib yubormaslik xavf tug'dirishi mumkin. Biroq, ma'lum bir diapazondagi kichik tizimlar va akkumulyator kuchlanishlari uchun monitoringni o'tkazib yuborishning ta'siri nisbatan kichik bo'lishi mumkin.
Integrated Circuit (IC) bilan bog'liq
Asosiy monitoring funktsiyasi bilan IC:Batareya xavfsiz ishlashining asosiy monitoringi funktsiyasiga erishish uchun yarimo'tkazgich ishlab chiqaruvchilari turli xil ilovalar uchun maxsus integral mikrosxemalarni (ASIC) taqdim etadilar. Yagona hujayrali kichik elektron qurilmalar uchun kuchlanish, oqim va haroratni kuzatib boradigan, SOCni taxmin qiladigan, shuningdek, zaryadlash regulyatorlari kabi funktsiyalarni o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan "yoqilg'i o'lchagich" IC mavjud. Masalan, TIning "bq27220" va Maksimning tegishli IClari.
Yuqori quvvat va energiya talab tizimlari uchun IC
Modulizatsiya va funksiyalarni taqsimlash:Yuqori quvvat va/yoki energiya talablari bo'lgan ilovalar uchun batareya to'plami bir nechta batareyalardan iborat va tegishli IC bir vaqtning o'zida bir nechta batareyalarni kuzatishi va muvozanatlash funksiyasini ta'minlashi mumkin. Tizimda SOCni baholash va quvvatni bashorat qilish algoritmlari kabi murakkab funktsiyalar uchun mas'ul bo'lgan markaziy modul (BMS Master) mavjud; Old IC moduli (BMS Slaves) signalni yig'ish va filtrlash kabi asosiy funktsiyalar uchun javobgardir.
Shakl 3. Elektr avtomobil ilovalari uchun tipik BMS tuzilishi.
Turli xil IC misollari va muvozanatlash usullari:Masalan, TI ning bq76PL536A, MAX11068 va LT6802G-2 passiv balanslashni ta'minlaydi, AMS ning AS8506C esa passiv balanslash topologiyasi uchun ishlatilishi mumkin va faol balanslash qobiliyatini ham ta'minlaydi. Ba'zi IC'lar o'rnini bosuvchi mahsulotlarga ega va kuchlanish monitoringi ishonchliligini oshirish uchun ikkilamchi himoya IC'laridan foydalanish mumkin. To'liq ortiqcha BMS ishonchlilikni oshirishi mumkin bo'lsa-da, narxi yuqori.
Aloqa va ma'lumotlarni uzatish
Front end IC ulanish usuli:Front end IC-lar odatda zanjirli zanjir orqali ulanishi mumkin va turli IC-lar turli xil interfeys usullariga ega. MAX11068 I2C porti orqali ulangan, TI ning bq76PL536A bir nechta interfeyslarni ta'minlaydi va LT6802G-2 SPI shinasi orqali ulangan (qo'shimcha raqamli izolyatorni talab qiladi).
Tizimli aloqa usuli:Tizimda arzon narxlardagi mikrokontrollerlar odatda bir xil PCBdagi IClarni ulash uchun ishlatiladi va boshqa PCB va BMS asosiy modullaridagi modullar fieldbus (masalan, CAN) orqali ulanadi.
Haqiqiy holat
Mitsubishi i-MiEV:Batareya vintlar bilan bog'langan bir nechta modullardan iborat bo'lib, ularda 88 prizmatik batareya mavjud. Moduldagi PCB monitoring IC va harorat sensorlarini o'z ichiga oladi va batareya to'plami korpusida bir nechta komponentlar mavjud. BMS asosiy moduli avtomobilning orqa o'rindiqlari ostida joylashgan va ichki CAN avtobusi orqali aloqa qiladi. Boshqa batareyalar bilan solishtirganda, uning ichki maydoni yanada kengroq, bu havo sovutishning yon ta'siri bo'lishi mumkin.
4-rasm. (a) Mitsubishi i-MiEV akkumulyatori; (b) Volkswagen e-Up akkumulyatori; (c) Smart fortwo elektr haydovchi batareyalar to'plami. Eslatma: masshtablash usullari boshqacha.
5-rasm. (a) Tesla Model S akkumulyator modulining yuqori ko'rinishi; (b) Volkswagen e-Up akkumulyator moduli, 6s2p moduli, yuqori ko'rinish.
Smart Fortwo Electric nashri:Batareya sovutish tizimiga ega 90 seriyali ulangan sumkali batareyalardan iborat va asosiy monitoring vazifalari bq76PL536A ga o'xshash TI IC tomonidan bajariladi. Har bir PCBda bir nechta monitoring IC va mikrokontrollerlar mavjud va BMS asosiy moduli akkumulyator qutisi ichida joylashgan bo'lib, yuqori integratsiya va bir nechta kabellar mavjud.
Volkswagen e-Up:Batareyada bir nechta seriyali modullar mavjud, sovutish tizimi yoki xizmatni o'chirish moslamasi yo'q, markazlashtirilgan BMS moduli, batareyaga ulangan va ko'p sonli kuchlanish o'lchash liniyalari orqali o'lchash IC (MAX11068), ko'p sonli muvozanatli rezistorlar va konversiyasiz mikrokontroller. signallari.
Tesla Model S:Batareya ko'p sonli 18650 batareyadan iborat bo'lib, ular bir nechta modullarga bo'lingan va ulanish simlari orqali ulangan. BMS TI ning bq76PL536A-Q1 yordamida nazorat qilinadi va kuchlanish payvandlash simlari orqali o'lchanadi. Boshqa batareyalar bilan solishtirganda, uning integratsiya darajasi Volkswagen e-Up ning past integratsiya darajasi va Smart Fortwo ning yuqori integratsiya darajasi kabi farq qiladi.
4. HV akkumulyator tizimini o'lchash texnologiyasiga umumiy nuqtai
O'lchov texnologiyasining ahamiyati:O'lchov texnologiyasi batareyani boshqarish tizimlarining asosiy komponenti bo'lib, u SOC, SOH, SOF va boshqalar kabi holat o'zgaruvchilarini aniqlay oladi. Odatda batareya kuchlanishi, umumiy kuchlanish, umumiy oqim va batareya tizimlarining harorati kabi o'zgaruvchilarni o'lchaydi. Ushbu holat o'zgaruvchilari batareya tizimini ortiqcha zaryadlash yoki ortiqcha zaryadlash kabi shikastlanishdan himoya qilishi va batareya tizimidan foydalanishni optimallashtirishi mumkin.
Sensor talablari:2-bo'limda batafsil bayon qilinganidek, xarajat, tarmoqli kengligi, aniqlik, o'lchov diapazoni va hajmini o'z ichiga olgan batareyani saqlash ilovalari asosida sensorlar uchun odatiy talablarni aniqlang.
Joriy o'lchov
O'lchov usullari tasnifi:Joriy yig'ish uskunalari ikkita asosiy sensor texnologiyasiga bo'linadi: elektr aloqasi va izolyatsiya. Tez-tez ishlatiladigan shunt qarshiligining oqimini aniqlash elektr aloqasi turiga tegishli va Hall sensori izolyatsiya turiga misoldir.
Sensor texnologiyasiga qo'shimcha ravishda, batareya paketidagi joyni ham hisobga olish kerak. Bir nechta almashtiriladigan simlarni o'z ichiga olgan akkumulyator tizimlari uchun har bir qator quvvat nomutanosibligini kuzatish uchun joriy monitoring moslamasi bilan jihozlangan bo'lishi kerak.
Shunt qarshiligini o'lchash
O'lchov printsipi va xususiyatlari:Past qarshilik, yuqori aniqlikdagi qarshilik va yuqori aniqlikdagi kuchlanish o'lchash tizimini birlashtirib, oqim o'lchanadi. Qarshilik joriy yo'lda joylashgan bo'lib, oqim o'tganda quvvat yo'qolishi va harorat ko'tarilishi sodir bo'ladi. Rezistorni tanlashda yo'qotish va mos keladigan kuchlanish pasayishini yaratish zaruriyatini muvozanatlash kerak. Yuqori aniqlik bilan o'lchashda harorat koeffitsienti va qarshilikning uzoq muddatli barqarorligi ham hisobga olinishi kerak.
Ushbu usul doimiy va o'zgaruvchan toklarni o'lchash uchun ishlatilishi mumkin va oddiylik, chiziqlilik va yuqori tarmoqli kengligi afzalliklariga ega. Biroq, o'lchov diapazoni kuchlanishni o'lchashning aniqligi bilan cheklangan.
Past tomon va yuqori yon o'lchovlarni taqqoslash
Past tomonni o'lchash batareyaning musbat terminali va yuk o'rtasida joylashgan qarshilikni bildiradi. Uning afzalligi shundaki, kirish umumiy rejimdagi kuchlanish past bo'lib, ko'p sonli oqim sezuvchi kuchaytirgichlardan foydalanish mumkin. O'chirish oddiy va tejamkor, lekin u yer yo'liga xalaqit beradi va yuqori yuk oqimini aylanib o'tishni aniqlay olmaydi.
Yuqori tomonni o'lchash rezistorning yuk va batareyaning salbiy qutbi yoki tuproq o'rtasida joylashganligini bildiradi. Uning afzalligi shundaki, u yer yo'lidagi shovqinlarni oldini oladi va qisqa tutashuvlarni aniqlay oladi, lekin kuchaytirgichning chiqishi darajasini o'zgartirishni talab qiladi va kuchaytirgich yuqori umumiy rejim kuchlanishiga bardosh berishni talab qiladi.
Kamroq oqim sensorlari bilan bog'laning (Hall sensorlari va boshqalar).
O'lchash printsipi va afzalliklari:O'lchash uchun oqim tomonidan yaratilgan magnit maydondan foydalanish, masalan, Hall effektiga asoslangan Hall sensorlari, oqim yo'lining qarshiligini oshirmasdan, qo'shimcha o'tkazuvchan yo'qotishlarsiz, elektr izolyatsiyasining afzalliklari bilan va signalni sozlash uchun qo'shimcha optokuplerlar yoki raqamli izolyatorlarga ehtiyoj sezmasdan.
Hall datchiklarini integral mikrosxemalar sifatida sotib olish mumkin, joriy yo'lga joylashtiriladi va ularning chiqishi filtrlanishi kerak. Bundan tashqari, foydalanish uchun to'liq modullar mavjud bo'lib, ular Hall sensorlarini o'z ichiga olgan ferrit halqalardan iborat va elektr izolyatsiyasini ta'minlaydi.
Sensorning xususiyatlari va cheklovlari:Asosiy kamchilik - cheklangan tarmoqli kengligi, odatda o'nlab kHz dan oshmaydi va chiqish signalidagi haroratning o'zgarishi kompensatsiya qilinishi kerak. Batareya tizimi yuqori tarmoqli kengligini talab qilsa, shunt qarshiligini o'lchashdan foydalanish kerak va Hall sensorlari qimmat va katta hajmli.
Voltaj o'lchash
Batareya to'plamining kuchlanishini o'lchashni farqlash:Lityum-ionli batareya paketlarida har bir batareyaning kuchlanishini va batareyalar to'plamining umumiy kuchlanishini o'lchashni farqlash kerak. Ikkalasining kuchlanish diapazonlari har xil va batareyaning barcha kuchlanishlarining yig'indisi umumiy kuchlanishga teng bo'lishi kerak, bu ratsionallikni baholash mezoni sifatida ishlatilishi mumkin.
Batareya kuchlanishini o'lchash:odatda o'rnatilgan BMS front-end chipi bilan yakunlanadi. Bozorda chiplarga ulanishi mumkin bo'lgan batareyalar soni har xil bo'lib, ortiqcha va tizim ishonchliligini ikkilamchi nazorat IClari orqali yaxshilash mumkin.
Batareya to'plamining kuchlanishini o'lchash:kuchlanish bo'luvchi, impedans konvertori, filtr va analog-raqamli konvertor (ADC) o'z ichiga olgan alohida o'lchov birligi bilan to'ldiriladi. Voltaj bo'luvchi batareya to'plamining kuchlanishini tegishli diapazonga kamaytirish uchun ishlatiladi, bu xavfsizlikni ta'minlash uchun bir nechta rezistorlar, shuningdek, keyingi kontaktlarning zanglashiga olib himoya qilish uchun Zener diyotini talab qilishi mumkin. Shu bilan birga, o'lchangan kuchlanishni olish uchun impedans konvertorlari, filtrlar va ADClar qo'llaniladi.
Haroratni o'lchash
Harorat sensorlarining umumiy turlari va printsiplari:Umumiy harorat sensorlari manfiy harorat koeffitsienti (NTC) va musbat harorat koeffitsienti (PTC) turlarini o'z ichiga oladi, ular doimiy oqim ostida kuchlanish pasayishini o'lchash orqali haroratni o'lchaydilar. Ularning qarshiligi haroratga qarab o'zgaradi va ma'lum bir harorat oralig'ida ishlatilishi mumkin, ammo chiziqli bo'lmagan muammolar mavjud.
Sensorlardan foydalanishdagi muammolar va echimlar:Chiziqli bo'lmaganligi sababli, harorat hisoblarini kalibrlash uchun raqamli ishlov berish zanjirida qidirish jadvali talab qilinadi. Raqamli interfeyslardan foydalanish uchun qulayroq bo'lgan ba'zi sensorlar ham mavjud, ammo ularni batareya paketlarida yuqori quvvatli yo'llarga joylashtirishda EMI muammolariga e'tibor berish kerak. Metall PTC va termojuft kabi boshqa o'lchash usullari yuqori aniqlik va kengroq harorat oralig'ini ta'minlaydi, ammo yuqori elektron murakkablik bilan.
Ma'lumotlarni uzatish
Turli aloqa avtobuslarining xususiyatlari va qo'llanilishi stsenariylari:BMS modullari va BMS va butun tizim o'rtasida aloqa talab qilinadi. CAN avtobusi odatda avtomobil muhitida, moslashuvchanligi va shovqinga chidamliligi bilan ishlatiladi; LIN avtobusi nisbatan sodda, lekin tezligi sekin, moslashuvchanligi yomon va differensial emas, bu uni yuqori xarajat talablari bo'lgan stsenariylarga moslashtiradi; SPI, I2C va OneWire shinasi kabi boshqa qisqa masofali aloqa interfeyslari modul aloqasiga uzoq masofali, shovqinga moyil modul uchun mos emas; Agar CAN avtobus tezligi etarli bo'lmasa yoki real vaqtda deterministik qobiliyat kerak bo'lsa, FlexRay avtobusi yoki Ethernet dan foydalanish mumkin.
5. Batareya balansi
SOC batareyasidagi farqning sababi:Ketma-ket ulangan batareyalarda ishlab chiqarish farqlari va turli ish va atrof-muhit sharoitlari (masalan, harorat) batareyalar o'rtasida notekislikka olib kelishi mumkin. Bu omillar turli xil boshlang'ich sharoitlarni, qarishni va o'z-o'zidan zaryadsizlanish tezligini keltirib chiqarishi mumkin, bu esa SOC, quvvat va qarshilik qiymatlarida og'ishlarga olib keladi. Ushbu bo'lim asosan SOC va sig'imdagi farqlarga qaratilgan va ichki qarshilikdagi farqlarni o'z ichiga olmaydi - Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, hatto bir xil boshlang'ich sig'imi va yukiga ega bo'lgan batareyalar ham foydalanishdan keyin sig'imdagi farqlarga duch kelishadi. Misol uchun, bir xil boshlang'ich sig'imga ega 18650 ta batareyaning qolgan quvvati 80% muddati tugashi standarti bilan 1000-1500 vaqt oralig'ida aylanish muddatiga ega. Shu bilan birga, turli xil batareyalarning o'z-o'zini tushirish tezligida farqlar mavjud, masalan, 40 daraja C da saqlanadigan tijorat yumshoq paketli batareyalar, bu erda o'z-o'zidan tushirish qarshiligi 10k Ō va 14k Ō orasida o'zgarib turadi.
Shakl 6. (a) Batareya xujayralarining muvozanatsizligi sabablari, [57] ga asoslangan raqamlar; (b) Har xil muvozanat usullarini tasniflash energiya uzatish yo'nalishini ko'rsatilgan dissipativ bo'lmagan usulning nomi sifatida ko'rsatadi.
Balans zarurati:SOC, sig'im va ichki qarshilikdagi farqlar batareyalar to'plamining mavjud energiyasining pasayishiga olib kelishi mumkin, bu esa muvozanat davri orqali hal qilinishi mumkin.
Balans usullariga umumiy nuqtai
Uskunani amalga oshirish:Adabiyotda turli xil topologiya tuzilmalariga, boshqarish usullariga (masalan, faol/passiv) yoki tijorat mavjudligiga tasniflanishi mumkin bo'lgan balanslash sxemalari uchun turli xil apparatni amalga oshirish usullari tasvirlangan.
Tijoriy ilovalarda muvozanatlash usullari:Aksariyat tijorat akkumulyator paketlari batareyaning ikkala uchida parallel muvozanatlash rezistorlari orqali erishiladigan boshqariladigan passiv balanslash tizimlaridan foydalanadi. Bu usul faqat SOC o'zgarishi muammosini hal qilishi mumkin, kichik balans oqimi (taxminan 100 mA) va batareya quvvati o'zgarmaydi, bu BMS ning energiya tarqalishi yoki batareya va monitoring davri o'rtasidagi simi diametri bilan cheklanishi mumkin. Har bir akkumulyator yoki batareyaning parallel birikmasi 30 Ō -40 Ō Ō (batareya kuchlanishi 4,2 V deb hisoblaganda) orasidagi qarshilik qiymatiga ega almashtiriladigan balanslash rezistoriga ega va har bir batareya 387 mVt -430 mVt quvvat sarflaydi.
Turli xil imkoniyatlar muammolarini hal qilish usullari:Turli xil imkoniyatlar muammolarini hal qilish uchun energiya elektroniği yordamida batareyalar o'rtasida energiyani qayta taqsimlash uchun yanada murakkab usullar kerak. Biroq, bu usullar murakkab nazorat algoritmlari va qimmat induktorlarni talab qiladi. Tegishli BMS IC mahsulotlari mavjud bo'lsa-da, ular tijorat avtomobil akkumulyatorlari paketlarida keng qo'llanilmagan.
6. Xavfsizlik vad ishonchliligi
Xavfni kamaytirishning umumiy maqsadi:BMS ning asosiy maqsadlaridan biri batareya paketlarida lityum-ion batareyalarning ishlashi bilan bog'liq xavflarni kamaytirishdir.
Shakl 7. Batareya kuchlanishini olishning oldingi qismining ekvivalent sxemasi modeli, liniyadagi nosozliklarni sezish mumkinligini ko'rsatadi.
Maxsus xavfsizlik choralari
Yuqori kuchlanish xavfsizligi:Batareya to'plamining yuqori voltli xavfsizligi izolyatsiyani kuzatish va blokirovkalash sxemalari orqali ta'minlanadi, bu ifloslanish yoki kondensatsiya natijasida yuzaga keladigan yoy xavfini kamaytiradi. Shu bilan birga, BMS apparat dizayni tenglikni va ulagichlarning o'tish masofasini va elektr tozaligini ta'minlash uchun tegishli standartlarga rioya qilishi kerak.
Elektr izolyatsiyasi:Boshqa boshqaruv bloklari yoki yordamchi quvvat manbalari bilan interfeyslarda yuqori batareya kuchlanishidan elektr izolyatsiyasini ta'minlash uchun "kengaytirilgan izolyatsiya" standartiga javob beradigan izolyatsiyalash uskunasidan foydalanish mumkin. An'anaviy optokupller ishlatiladi, ammo hozir "raqamli izolyatorlar" IC ko'rsatkichlari yaxshiroq.
Yong'inning oldini olish choralari:Harorat sensorlarini batareya paketiga joylashtiring va kritik haroratlarga javob bering. Yong'in xavfini kamaytirish uchun sensorni kamroq haroratni aniqlash usullari (masalan, elektrokimyoviy impedans spektroskopiyasi) va haroratni o'lchashning yangi usullari ham ishlatilishi mumkin.
Kontakt va sug'urta:Sigorta bilan muvofiqlashtirganda batareya paketini tizimdan uzish uchun kontaktordan foydalaning. Sigortalarni tanlashda ikkalasining ishlash xususiyatlarini va akkumulyator batareyasi ichidagi parazit sig'im va indüktansning ta'sirini ko'rib chiqing.
Batareyalarning ichki xavfsizligi:BMS batareyaning belgilangan harorat oralig'ida zaryadlanganligini ta'minlashi kerak, ishlamasdan oldin past haroratli lityum qoplama va chuqur zaryadsizlanishdan qochish kerak. Shu bilan birga, diagnostika algoritmlari ichki qisqa tutashuvlarni aniqlash uchun ishlatilishi mumkin.
Shakl 8. Izolyatsiyani o'lchash: (a) IT ulanishlarida izolyatsiyalash; (b) izolyatsiyani o'lchashning sxematik diagrammasi.
BMS apparat dizayni bilan bog'liq muammolar
Sensor xatosini aniqlash:BMS apparat va dasturiy ta'minotini amalga oshirishning murakkabligi ortib borishi bilan dasturiy ta'minotdagi xatolar va sensorlarning ishlamay qolish ehtimoli ortadi. Masalan, akkumulyator kuchlanishini aniqlashda kabel nosozliklari faqat kuchlanishni o'lchash orqali osonlik bilan aniqlanmaydi, lekin batareyani muvozanatlash tizimlari yoki oqim manbai davrlari orqali aniqlanishi mumkin.
Sensorning haqiqiyligini tekshirish:Sensor nuqsonlari kabi boshqa nosozliklar diagnostika algoritmlari orqali aniqlanishi mumkin va sensor signallarining haqiqiyligi batareyaning elektr harakati yordamida tekshirilishi mumkin.
Izolyatsiyani o'lchash
Izolyatsiyani o'lchashning ahamiyati va tizim tuzilishi:Elektr yoki qisman elektr transport vositalarining yuqori voltli tizimi odatda IT tarmog'i sifatida qurilgan va birinchi nosozlikni aniqlash kerak. Izolyatsiya qarshiligini o'lchashda tizimning sig'im va qarshilik xususiyatlarini hisobga olish kerak, chunki sig'im o'lchovga xalaqit berishi mumkin.
Umumiy o'lchash usullari:Umumiy usullar orasida pastadir kangal yordamida umumiy rejim oqimini o'lchash va kalitlar va rezistorlar orqali tizim va shassi o'rtasidagi potentsialni o'zgartirish orqali izolyatsiya qarshiligini hisoblash kiradi. Boshqa oddiyroq yoki murakkabroq usullar ham kiritiladi.
Izolyatsiyani o'lchash standartlari:Izolyatsiya o'lchovi o'lchash usullari va minimal izolyatsiya qarshiligi talablari uchun tegishli standart xususiyatlarga ega. Turli standartlar o'lchov usullari, qarshilik qiymatlari va o'lchash vaqtida farqlarga ega.
7. Xulosa
Umumiy talablar va dizayn masalalari:Ushbu maqolada umumiy talablardan boshlab va amalga oshirish masalalarini ko'rsatadigan BMS uskunasining umumiy tushunchalari keltirilgan. Dizayn jarayoni imkon qadar ko'proq parametrlarni o'z ichiga olishi kerak, ammo talablar maqsadli qurilmaning ehtiyojlariga muvofiq belgilanishi kerak. Turli xil ilovalarning talablari juda farq qiladi va bu talablar batareya paketini loyihalash uchun yaxshi boshlanish nuqtasidir.
BMS topologiyasi:Batareya tizimining tuzilishi BMS topologiyasiga ta'sir qiladi va ba'zi ilovalar og'irlik yoki murakkablikni kamaytirish uchun maxsus monitoring usullaridan foydalanadi, masalan, 3.3-bo'limda taqqoslangan to'rtta tijorat elektr avtomobil akkumulyatorlari, ularning o'xshash ilovalari (masalan, CAN aloqasidan foydalanish) tufayli ba'zi umumiy xususiyatlarga ega. ), lekin integratsiya va ichki aloqada farqlanadi.
Jismoniy qiymatni o'lchash:4-bo'limda kerakli jismoniy qiymatlarni yig'ish va uzatish usullari haqida batafsil ma'lumot berilgan. Turli xil o'lchov talablari dastur cheklovlari va ehtiyojlariga asoslangan turli usullarni tanlashni talab qiladi.
Balans muammosi:5-bo'limda seriyali akkumulyatorlarda zaryad nomutanosibligi sabablari va kompensatsiya usullari tasvirlangan, passiv balans hozirda eng ko'p qo'llaniladigan usuldir.
Xavfsizlik va ishonchlilik:6-bo'limda xavfsizlik jihatlari, jumladan, batareyaning ishlash muddatini ta'minlash va foydalanuvchilarni yuqori kuchlanish xavfidan himoya qilish uchun batareyaning ishlash diapazonlariga rioya qilish haqida umumiy ma'lumot berilgan. U izolyatsiyani monitoring qilishning standart usullarini taqdim etadi va batareyalarni himoya qilishda tizim darajasidagi xavflarni hisobga olish zarurligini eslatib o'tadi.