מערכת ניהול סוללות (bms) לרכבים חשמליים

ביום 7 ^th בינואר 2013, טיסה 787 בואינג חנתה לתחזוקה, במהלך כי הלהבות מכונאי תשומת לב שעשן מיחידת כוח עזר (מארז סוללות ליתיום) של הטיסה, אשר משמש כוח במערכות הטיסה האלקטרוניים. המאמצים נלקחו לשים את האש מן, אבל 10 ימים מאוחר יותר לפני סגירת הגיליון יכול להיפתר, על 16 ^th ינואר עוד כישלון הסוללה התרחש בטיסה 787 המופעלים על ידי כל ניפון איירווייז שגרמה נחיתת חירום בשדה התעופה היפנית. שני כישלונות אסון תכופים אלה גרמו לבסיסם של טיסת בואינג 787 דרימליינרים ללא הגבלת זמן, מה שהכתים את מוניטין היצרן וגרם להפסדים כספיים אדירים.

לאחר סדרת חקירות משותפות של ארה"ב ויפנים, ערכת סוללות הליתיום של B-787 עברה בדיקת CT וגילתה שאחד משמונת תאי הליון-יון נפגע וגרם לקצר חשמלי שגרם לבריחה תרמית באש. ניתן היה להימנע בקלות מאירוע זה אם מערכת ניהול הסוללות של חבילת הסוללה ליתיום נועדה לאתר / למנוע קצר. לאחר כמה שינויי עיצוב ותקנות בטיחות B-787 החל לטוס שוב, אך עדיין האירוע נותר כראיה להוכיח עד כמה סוללות ליתיום מסוכנות עלולות להגיע אם לא מטפלים כראוי.

קדימה מהר 15 שנה, היום יש לנו מכוניות חשמליות המשתמשות באותן סוללות ליתיום אשר ארוזות יחד במאה אם ​​לא אלפים במספר. ערכות סוללות מסיביות אלה בעלות דירוג מתח של כ -300 וולט יושבות ברכב ומספקות זרם של 300A (נתונים מחוספסים) במהלך ההפעלה. כל תקלה כאן תסתיים באסון גדול, ולכן מערכת ניהול הסוללות נלחצת תמיד ברכבי החשמל. אז במאמר זה נלמד עוד על מערכת ניהול סוללות זו (BMS) ונפרוס כדי להבין את העיצוב שלה ואת הפונקציות שלה כדי להבין את זה הרבה יותר טוב. מכיוון שהסוללות ו- BMS קשורות קשר הדוק, מומלץ מאוד לעבור על המאמרים הקודמים שלנו בנושא כלי רכב חשמליים וסוללות EV.

מדוע אנו זקוקים למערכת ניהול סוללות (BMS)?

סוללות הליתיום-יון הוכיחו שהן הסוללה המעניינת את יצרני הרכב החשמלי בגלל צפיפות הטעינה הגבוהה והמשקל הנמוך שלה. למרות שסוללות אלה אורזות באגרוף רב בגודל שלהן הן מאוד לא יציבות באופיין. חשוב מאוד שהסוללות הללו לעולם לא יהיו טעונות יתר או תחת פריקה בשום מצב שמביא את הצורך לפקח על המתח והזרם שלה. תהליך זה נעשה קצת קשה יותר מכיוון שיש הרבה תאים שהורכבו ליצירת מארז סוללות ב- EV, ויש לפקח על כל תא באופן אישי על בטיחותו ועל פעולתו היעילה, הדורשת מערכת ייעודית מיוחדת הנקראת מערכת ניהול הסוללה.. גם כדי להשיג את היעילות המקסימלית מארז סוללות, עלינו לטעון לחלוטין ולפרוק את כל התאים בו זמנית באותו המתח ששוב קורא ל- BMS. מלבד זאת ה- BMS נושא באחריות לתפקידים רבים אחרים שיידונו בהמשך.

שיקולי עיצוב מערכת ניהול סוללות (BMS)

יש הרבה גורמים שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון BMS. השיקולים המלאים תלויים ביישום הסיום המדויק בו ישמש את ה- BMS. מלבד ה- BMS של EV משמשים גם בכל מקום שמארכת סוללת ליתיום כמו מערך פאנלים סולאריים, טחנות רוח, קירות חשמל וכו '. ללא קשר ליישום, עיצוב BMS צריך לקחת בחשבון את כל הגורמים הבאים או רבים מהם.

פריקת בקרה: התפקיד העיקרי של BMS הוא לשמור על תאי הליתיום באזור ההפעלה הבטוח. לדוגמה, תא ליתיום 18650 טיפוסי יהיה בעל דירוג מתח נמוך של סביב 3V. באחריות ה- BMS לוודא שאף אחד מהתאים בחבילה לא ישתחרר מתחת ל -3 V.

בקרת טעינה: מלבד הטעינה יש לנטר את תהליך הטעינה גם על ידי ה- BMS. מרבית הסוללות נוטות להיפגע או להצטמצם בתוחלת החיים כאשר הן טעונות בצורה לא נכונה. למטען סוללות ליתיום משתמשים במטען דו -שלבי. השלב הראשון נקרא (CC) הזרם קבוע שבמהלכו מטען פלט נוכחי מתמיד כדי לטעון את הסוללה. כאשר הסוללה מתמלאת כמעט השלב השני נקרא מתח קבוע (CV)שלב משמש במהלכו מתח קבוע מסופק לסוללה בזרם נמוך מאוד. על ה- BMS לוודא שהמתח והזרם במהלך הטעינה אינם חורגים מגבולות החדירים כדי לא לטעון יתר על המידה או להטעין את הסוללות במהירות. ניתן למצוא את מתח הטעינה המרבי וזרם הטעינה בגיליון הנתונים של הסוללה.

קביעת מצב מטען (SOC): אתה יכול לחשוב על SOC כמדד הדלק של ה- EV. זה למעשה אומר לנו את קיבולת הסוללה של החבילה באחוזים. בדיוק כמו זה שנמצא בטלפון הנייד שלנו. אבל זה לא קל כמו שזה נשמע. יש לפקח על זרם המתח והטעינה / הפריקה של החבילה כדי לחזות את קיבולת הסוללה. לאחר שנמדד המתח והזרם ישנם הרבה אלגוריתמים שניתן להשתמש בהם לחישוב ה- SOC של חבילת הסוללה. השיטה הנפוצה ביותר היא שיטת ספירת הקולומבים; נדבר על כך בהמשך המאמר. מדידת הערכים וחישוב ה- SOC היא גם באחריות ה- BMS.

קביעת מצב בריאותי (SOC): קיבולת הסוללה תלויה לא רק במתח ובפרופיל הנוכחי, אלא גם בגיל ובטמפרטורת ההפעלה שלה. מדידת ה- SOH מספרת לנו על הגיל ומחזור החיים הצפוי של הסוללה בהתבסס על היסטוריית השימוש שלה. בדרך זו נוכל לדעת כמה הקילומטראז '(מרחק מכוסה לאחר טעינה מלאה) של EV מופחת ככל שהסוללה מזדקנת וגם נוכל לדעת מתי צריך להחליף את חבילת הסוללה. יש לחשב את ה- SOH ולהשאיר במעקב על ידי ה- BMS.

איזון תאים: תפקיד חיוני נוסף של BMS הוא לשמור על איזון תאים. לדוגמא, במארז של 4 תאים המחוברים בסדרה המתח של כל ארבעת התאים צריך להיות תמיד שווה. אם תא אחד מתח נמוך או גבוה יותר מהשני זה ישפיע על כל החבילה, נניח אם תא אחד נמצא ב -3.5 וולט בעוד ששלושת האחרים הוא ב -4 וולט. במהלך הטעינה שלושת התאים הללו יגיעו ל -4.2 וולט ואילו השני היה מגיע ל -3.7 וולט באופן דומה, תא זה יהיה הראשון לפרוק ל -3 וולט לפני שלושת האחרים. בדרך זו, בגלל תא בודד זה לא ניתן לנצל את כל התאים האחרים בחפיסה למקסימום פוטנציאל ובכך לפגוע ביעילות.

כדי להתמודד עם בעיה זו על ה- BMS ליישם משהו שנקרא איזון תאים. ישנם סוגים רבים של טכניקות איזון תאים, אך הנפוצות ביותר הן איזון תאים מסוג פעיל ופסיבי. באיזון פסיבי הרעיון הוא שהתאים עם מתח עודף יופעלו מאולץ דרך עומס כמו נגד כדי להגיע לערך המתח של התאים האחרים. בעוד באיזון פעיל התאים החזקים ישמשו לחיוב התאים החלשים יותר כדי להשוות את הפוטנציאל שלהם. נלמד עוד על איזון תאים בהמשך במאמר אחר.

בקרה תרמית: אורך החיים והיעילות של מארז סוללות ליתיום תלוי מאוד בטמפרטורת ההפעלה. הסוללה נוטה לפרוק מהר באקלים חם לעומת לטמפרטורת החדר. הוספת לכך צריכת זרם גבוה תגדיל עוד יותר את הטמפרטורה. זה דורש מערכת תרמית (בעיקר שמן) במארז סוללות. מערכת תרמית זו אמורה להיות מסוגלת רק להוריד את הטמפרטורה, אך צריכה להיות מסוגלת להגביר את הטמפרטורה באקלים קר במידת הצורך. ה- BMS אחראי על מדידת טמפרטורת התא האישית ובקרת המערכת התרמית בהתאם לשמירה על הטמפרטורה הכוללת של חבילת הסוללה.

מופעל באמצעות הסוללה עצמה: מקור החשמל היחיד הזמין ב- EV הוא הסוללה עצמה. אז BMS צריך להיות מתוכנן להיות מופעל על ידי אותה סוללה שהיא אמורה להגן ולתחזק. זה אולי נשמע פשוט אבל זה מגביר את הקושי בתכנון ה- BMS.

כוח אידיאלי פחות: מערכת BMS צריכה להיות פעילה ופועלת גם אם המכונית פועלת או טוענת או במצב אידיאלי. זה גורם למעגל ה- BMS להיות מופעל ברציפות, ולכן חובה כי ה- BMS צורך כוח פחות מאוד כדי לא לרוקן את הסוללה הרבה. כאשר EV נותר נטען למשך שבועות או חודשים, ה- BMS והמעגלים האחרים נוטים לנקז את הסוללה מעצמם ובסופו של דבר נדרשים להרכיב או לטעון לפני השימוש הבא. בעיה זו נותרה שכיחה גם במכוניות פופולריות כמו טסלה.

בידוד גלווני: ה- BMS משמש כגשר בין חבילת הסוללה לבין ה- ECU של ה- EV. יש לשלוח את כל המידע שנאסף על ידי ה- BMS ל- ECU כדי שיוצג באשכול המכשירים או בלוח המחוונים. אז ה- BMS וה- ECU צריכים לתקשר באופן רציף ביותר באמצעות הפרוטוקול הסטנדרטי כמו תקשורת CAN או אוטובוס LIN. תכנון ה- BMS אמור להיות מסוגל לספק בידוד גלווני בין מארז הסוללה לבין ה- ECU.

רישום נתונים: חשוב ל- BMS שיהיה בנק זיכרון גדול מכיוון שהוא צריך לאחסן נתונים רבים. ניתן לחשב ערכים כמו ה- SOH של בריאות הבריאות רק אם ידוע על היסטוריית הטעינה של הסוללה. לכן על ה- BMS לעקוב אחר מחזורי הטעינה וזמן הטעינה של חבילת הסוללה מיום ההתקנה, ולהפריע לנתונים אלה במידת הצורך. זה גם מסייע במתן שירות לאחר מכירה או ניתוח בעיה עם EV עבור המהנדסים.

דיוק: כאשר טעינה או פריקה של תא המתח על פניו עולה או פוחת בהדרגה. למרבה הצער לעקומת הפריקה (מתח מול זמן) של סוללת ליתיום יש אזורים שטוחים ומכאן ששינוי המתח הוא פחות מאוד. יש למדוד שינוי זה באופן מדויק כדי לחשב את ערך ה- SOC או להשתמש בו לאיזון תאים. ל- BMS שתוכנן היטב יכול להיות דיוק של עד 0.2mV אך הוא צריך להיות בעל דיוק מינימלי של 1mV-2mV. בדרך כלל משתמשים בתהליך ADC של 16 סיביות.

מהירות עיבוד: ה- BMS של ה- EV צריך לעשות הרבה מחיצות מספרים כדי לחשב את הערך של SOC, SOH וכו '. יש הרבה אלגוריתמים לעשות זאת, וחלקם אפילו משתמשים בלימוד מכונה כדי לבצע את המשימה. זה הופך את ה- BMS למכשיר רעב לעיבוד. מלבד זאת עליו למדוד גם את מתח התא על פני מאות תאים ולהבחין בשינויים הדקים כמעט מיד.

אבני בניין של BMS

ישנם סוגים רבים ושונים של BMS הזמינים בשוק, אתה יכול לעצב אחד בעצמך או אפילו לרכוש את ה- IC המשולב הזמין. מנקודת מבט של מבנה חומרה ישנם רק שלושה סוגים של BMS בהתבסס על הטופולוגיה שלה הם BMS ריכוזי, BMS מופץ ו- BMS מודולרי. עם זאת הפונקציה של BMS אלה דומה לחלוטין. ניתן להלן להלן מערכת ניהול סוללות כללית.

רכישת נתונים של BMS

בואו ננתח את בלוק הפונקציות לעיל מליבה. תפקידה העיקרי של ה- BMS הוא לפקח על הסוללה שעבורה הוא צריך למדוד שלושה פרמטרים חיוניים כגון מתח, זרם וטמפרטורה מכל תא בסוללה.. אנו יודעים כי ערכות סוללות נוצרות על ידי חיבור תאים רבים בסדרה או בתצורה מקבילה, כמו בטסלה יש 8,256 תאים שבהם 96 תאים מחוברים בסדרה ו -86 מחוברים במקביל ליצירת חבילה. אם קבוצה של תאים מחוברת בסדרה אז עלינו למדוד מתח בכל תא אך הזרם לכל הסט יהיה זהה מכיוון שהזרם יהיה זהה במעגל סדרתי. באופן דומה כאשר קבוצה של תאים מחוברת במקביל עלינו למדוד רק את המתח כולו מכיוון שהמתח על פני כל תא יהיה זהה כאשר הוא מחובר במקביל. בתמונה למטה מוצגת קבוצת תאים המחוברים בסדרה, ניתן להבחין במתח ובטמפרטורה הנמדדים עבור תאים בודדים וזרם החבילה נמדד בכללותו.

"כיצד למדוד את מתח התא ב- BMS?"

מכיוון שב- EV אופייני יש מספר גדול של תאים המחוברים יחד, זה מעט מאתגר למדוד את מתח התא הספציפי. אך רק אם אנו מכירים את מתח התא הספציפי נוכל לבצע איזון תאים ולספק הגנה על התא. לקריאת ערך המתח של תא נעשה שימוש ב- ADC. אך המורכבות הכרוכה בכך גבוהה מכיוון שהסוללות מחוברות בסדרות. כלומר יש לשנות את המסופים עליהם נמדד המתח בכל פעם. ישנן דרכים רבות לעשות זאת עם ממסרים, מוקסים וכו '. מלבד זאת יש גם כמה מערכות ניהול סוללות כמו MAX14920, שניתן להשתמש בהן למדידת מתח תא בודד של מספר תאים (12-16) המחוברים בסדרה.

"כיצד למדוד את טמפרטורת התא עבור BMS?"

מלבד טמפרטורת התא, לפעמים ה- BMS צריך גם למדוד את טמפרטורת האוטובוס ואת טמפרטורת המנוע מכיוון שהכל עובד על זרם גבוה. האלמנט הנפוץ ביותר המשמש למדידת הטמפרטורה נקרא NTC, אשר מייצג טמפרטורה שלילית Co-efficient (NTC). הוא דומה לנגד אך הוא משנה (מקטין) את התנגדותו בהתבסס על הטמפרטורה סביבו. על ידי מדידת המתח על פני מכשיר זה ועל ידי שימוש בחוק אוהם פשוט אנו יכולים לחשב את ההתנגדות וכך את הטמפרטורה.

חזית אנלוגית מרובה-ריבוב (AFE) למדידת מתח תא וטמפרטורה

מדידת מתח התא יכולה להיות מורכבת מכיוון שהיא דורשת דיוק גבוה ועשויה גם להזריק רעשי מיתוג ממוקס מלבד זה כל תא מחובר לנגד באמצעות מתג לאיזון תאים. כדי להתגבר על בעיות אלה נעשה שימוש ב- AFE - Analog Front end IC. ל- AFE יש מודול מובנה, מאגר ו- ADC מובנה עם דיוק גבוה. זה יכול בקלות למדוד את המתח והטמפרטורה במצב משותף ולהעביר את המידע למיקרו-בקר הראשי.

"כיצד למדוד את זרם החבילה עבור BMS?"

ערכת סוללות EV יכולה להפיק ערך רב של זרם עד 250A ואפילו גבוה, מלבד זאת עלינו גם למדוד את הזרם של כל מודול בחבילה בכדי לוודא שהעומס מופץ באופן שווה. בעת תכנון אלמנט החישה הנוכחי עלינו לספק בידוד בין מכשיר המדידה והחישה. השיטה הנפוצה ביותר לחישת זרם היא שיטת Shunt והשיטה מבוססת Hall-sensor. לשתי השיטות היתרונות והחסרונות שלהם. שיטות shunt מוקדמות יותר נחשבו פחות מדויקות, אך עם זמינות עדכנית של תכנון שונטים ברמת דיוק גבוהה עם מגברים ומודולים מבודדים, הם עדיפים יותר על השיטה המבוססת על חיישן אולם.

הערכת מצב הסוללה

הכוח החישובי העיקרי של BMS מוקדש להערכת מצב הסוללה. זה כולל מדידת SOC ו- SOH. ניתן לחשב SOC באמצעות מתח התא, הזרם, פרופיל הטעינה ופרופיל הפריקה. ניתן לחשב את ה- SOH באמצעות מספר מחזור הטעינה וביצועי הסוללה.

"כיצד למדוד את ה- SOC של הסוללה?"

ישנם אלגוריתמים רבים למדידת ה- SOC של הסוללה, ולכל אחד מהם ערכי קלט משלו. השיטה הנפוצה ביותר עבור SOC נקראת Coulomb Counting aka שיטת שמירת ספרים. אנחנו נדבר