Sistema di gestione della batteria (bms) per veicoli elettrici

Il 7 ^° gennaio 2013, un volo Boeing 787 era parcheggiata per la manutenzione, durante che un meccanico fiamme notato e fumo proveniente dal ausiliaria di potenza (Lithium Batteria) del volo, che viene utilizzato per alimentare i sistemi di volo elettronici. Gli sforzi sono stati presi per mettere il fuoco fuori, ma dopo 10 giorni prima di questo problema potrebbe essere risolto, il 16 ^° gennaio un altro fallimento della batteria si è verificato in un volo 787 operato da All Nippon Airways che ha causato un atterraggio di emergenza all'aeroporto giapponese. Questi due frequenti guasti catastrofici della batteria hanno fatto sì che il volo del Boeing 787 Dreamliner venisse messo a terra indefinitamente, il che ha offuscato la reputazione del produttore causando enormi perdite finanziarie.

Dopo una serie di indagini congiunte da parte di Stati Uniti e Giappone, la batteria al litio del B-787 è stata sottoposta a una scansione TC e ha rivelato che una delle otto celle agli ioni di litio è stata danneggiata causando un cortocircuito che ha innescato una fuga termica con il fuoco. Questo incidente avrebbe potuto essere facilmente evitato se il sistema di gestione della batteria del pacco batteria agli ioni di litio fosse stato progettato per rilevare / prevenire i cortocircuiti. Dopo alcune modifiche al design e alle norme di sicurezza, il B-787 ha ripreso a volare, ma l'incidente rimane ancora una prova per dimostrare quanto potrebbero essere pericolose le batterie al litio se non gestite correttamente.

Avanti veloce di 15 anni, oggi abbiamo auto elettriche che utilizzano le stesse batterie agli ioni di litio che sono raggruppate in centinaia se non migliaia in numero. Questi enormi pacchi batteria con una tensione nominale di circa 300 V si trovano nell'auto e forniscono corrente fino a 300 A (valori approssimativi) durante il funzionamento. Qualsiasi incidente qui finirebbe in un grande disastro, motivo per cui il sistema di gestione della batteria è sempre sottolineato nei veicoli elettrici. Quindi in questo articolo impareremo di più su questo sistema di gestione della batteria (BMS) e analizzeremo per comprenderne il design e le funzioni per capirlo molto meglio. Poiché le batterie e il BMS sono strettamente correlati, si consiglia vivamente di consultare i nostri articoli precedenti sui veicoli elettrici e sulle batterie dei veicoli elettrici.

Perché abbiamo bisogno di un sistema di gestione della batteria (BMS)?

Le batterie agli ioni di litio hanno dimostrato di essere la batteria di interesse per i produttori di veicoli elettrici a causa della sua elevata densità di carica e del peso ridotto. Anche se queste batterie sono molto potenti per le sue dimensioni, sono di natura altamente instabile. È molto importante che queste batterie non vengano mai sovraccaricate o sottoposte a scaricamento in qualsiasi circostanza che comporti la necessità di monitorare la sua tensione e corrente. Questo processo diventa un po 'più difficile poiché ci sono molte celle messe insieme per formare un pacco batteria in EV e ogni cella dovrebbe essere monitorata individualmente per la sua sicurezza e il suo funzionamento efficiente che richiede uno speciale sistema dedicato chiamato Battery Management System. Inoltre, per ottenere la massima efficienza da un pacco batterie, dovremmo caricare e scaricare completamente tutte le celle contemporaneamente alla stessa tensione che richiede nuovamente un BMS. Oltre a questo, il BMS è ritenuto responsabile di molte altre funzioni che verranno discusse di seguito.

Considerazioni sulla progettazione del sistema di gestione della batteria (BMS)

Ci sono molti fattori che devono essere considerati durante la progettazione di un BMS. Le considerazioni complete dipendono dall'applicazione finale esatta in cui verrà utilizzato il BMS. Oltre agli EV, i BMS vengono anche utilizzati ovunque sia coinvolto un pacco batteria al litio come un array di pannelli solari, mulini a vento, muri elettrici ecc. Indipendentemente dall'applicazione, un progetto BMS dovrebbe considerare tutti o molti dei seguenti fattori.

Controllo della scarica: la funzione principale di un BMS è mantenere le celle al litio all'interno della regione operativa sicura. Ad esempio, una tipica cella 18650 al litio avrà una tensione nominale di circa 3 V. È responsabilità del BMS assicurarsi che nessuna delle celle nel pacco venga scaricata sotto i 3V.

Controllo della carica: oltre allo scarico, anche il processo di carica dovrebbe essere monitorato dal BMS. La maggior parte delle batterie tende a danneggiarsi o ad avere una durata ridotta se caricate in modo inappropriato. Per il caricabatterie al litio viene utilizzato un caricabatterie a 2 stadi. Il primo stadio è chiamato Corrente Costante (CC) durante il quale il caricabatterie emette una corrente costante per caricare la batteria. Quando la batteria è quasi piena, il secondo stadio chiamato tensione costante (CV)viene utilizzato lo stadio durante il quale viene fornita una tensione costante alla batteria a una corrente molto bassa. Il BMS deve assicurarsi che sia la tensione che la corrente durante la carica non superino i limiti permeabili in modo da non sovraccaricare o caricare rapidamente le batterie. La tensione di carica massima consentita e la corrente di carica si trovano nella scheda tecnica della batteria.

Determinazione dello stato di carica (SOC): puoi pensare al SOC come all'indicatore del carburante del veicolo elettrico. In realtà ci dice la capacità della batteria del pacco in percentuale. Proprio come quello del nostro cellulare. Ma non è così facile come sembra. La tensione e la corrente di carica / scarica del pacco devono essere sempre monitorate per prevedere la capacità della batteria. Una volta misurate la tensione e la corrente, ci sono molti algoritmi che possono essere utilizzati per calcolare il SOC del pacco batteria. Il metodo più comunemente utilizzato è il metodo di conteggio dei coulomb; ne discuteremo più avanti nell'articolo. La misurazione dei valori e il calcolo del SOC è anche responsabilità di un BMS.

Determinazione dello stato di salute (SOC): la capacità della batteria non dipende solo dal suo profilo di tensione e corrente, ma anche dall'età e dalla temperatura di esercizio. La misurazione SOH ci informa sull'età e sul ciclo di vita previsto della batteria in base alla sua cronologia di utilizzo. In questo modo possiamo sapere quanto il chilometraggio (distanza percorsa dopo la ricarica completa) dell'EV si riduce con l'invecchiamento della batteria e possiamo anche sapere quando il pacco batteria deve essere sostituito. Anche il SOH dovrebbe essere calcolato e tenuto sotto controllo dal BMS.

Bilanciamento cellulare: un'altra funzione vitale di un BMS è mantenere il bilanciamento cellulare. Ad esempio, in un pacco di 4 celle collegate in serie la tensione di tutte e quattro le celle dovrebbe essere sempre uguale. Se una cella ha una tensione inferiore o alta rispetto all'altra, influirà sull'intero pacchetto, ad esempio se una cella è a 3,5 V mentre le altre tre sono a 4 V. Durante la carica queste tre celle raggiungeranno 4,2 V mentre l'altra avrebbe appena raggiunto 3,7 V allo stesso modo questa cella sarà la prima a scaricarsi a 3 V prima delle altre tre. In questo modo, a causa di questa singola cella tutte le altre celle del pacco non possono essere utilizzate al massimo delle sue potenzialità compromettendone l'efficienza.

Per affrontare questo problema, il BMS deve implementare qualcosa chiamato bilanciamento delle cellule. Esistono molti tipi di tecniche di bilanciamento cellulare, ma quelle comunemente utilizzate sono il bilanciamento cellulare di tipo attivo e passivo. Nel bilanciamento passivo l'idea è che le celle con tensione in eccesso saranno scaricate forzatamente attraverso un carico come un resistore per raggiungere il valore di tensione delle altre celle. Mentre nel bilanciamento attivo le celle più forti verranno utilizzate per caricare le celle più deboli per equalizzare i loro potenziali. Impareremo di più sul bilanciamento delle cellule più avanti in un altro articolo.

Controllo termico: la durata e l'efficienza di una batteria al litio dipendono notevolmente dalla temperatura di esercizio. La batteria tende a scaricarsi più velocemente nei climi caldi rispetto alle normali temperature ambiente. Aggiungendo a questo il consumo di corrente elevata aumenterebbe ulteriormente la temperatura. Ciò richiede un sistema termico (principalmente olio) in un pacco batteria. Questo sistema termico dovrebbe essere in grado solo di diminuire la temperatura ma dovrebbe anche essere in grado di aumentare la temperatura nei climi freddi, se necessario. Il BMS è responsabile della misurazione della temperatura delle singole celle e del controllo del sistema termico di conseguenza per mantenere la temperatura complessiva del pacco batteria.

Alimentato dalla batteria stessa: l'unica fonte di alimentazione disponibile nel veicolo elettrico è la batteria stessa. Quindi un BMS dovrebbe essere progettato per essere alimentato dalla stessa batteria che dovrebbe proteggere e mantenere. Potrebbe sembrare semplice, ma aumenta la difficoltà di progettazione del BMS.

Meno potenza ideale: un BMS dovrebbe essere attivo e in esecuzione anche se l'auto è in funzione o in carica o in modalità ideale. Questo fa sì che il circuito BMS sia alimentato in modo continuo e quindi è obbligatorio che il BMS consumi una potenza molto inferiore per non scaricare molto la batteria. Quando un veicolo elettrico viene lasciato scarico per settimane o mesi, il BMS e gli altri circuiti tendono a scaricare la batteria da soli e alla fine devono essere avviati o caricati prima del successivo utilizzo. Questo problema rimane ancora comune anche con auto popolari come Tesla.

Isolamento galvanico: il BMS funge da ponte tra il pacco batteria e l'ECU del veicolo elettrico. Tutte le informazioni raccolte dal BMS devono essere inviate alla ECU per essere visualizzate sul quadro strumenti o sul cruscotto. Quindi il BMS e l'ECU dovrebbero comunicare continuamente attraverso il protocollo standard come la comunicazione CAN o il bus LIN. Il design BMS dovrebbe essere in grado di fornire un isolamento galvanico tra il pacco batteria e l'ECU.

Registrazione dati: è importante che il BMS disponga di un ampio banco di memoria poiché deve archiviare molti dati. Valori come lo stato di salute SOH possono essere calcolati solo se è nota la cronologia di carica della batteria. Quindi il BMS deve tenere traccia dei cicli di carica e del tempo di ricarica del pacco batteria dalla data di installazione e interrompere questi dati quando necessario. Ciò aiuta anche a fornire assistenza post-vendita o ad analizzare un problema con il veicolo elettrico per gli ingegneri.

Precisione: quando una cella viene caricata o scaricata, la tensione ai suoi capi aumenta o diminuisce gradualmente. Sfortunatamente la curva di scarica (tensione vs tempo) di una batteria al litio ha regioni piatte, quindi la variazione di tensione è molto inferiore. Questo cambiamento deve essere misurato accuratamente per calcolare il valore del SOC o per usarlo per il bilanciamento delle celle. Un BMS ben progettato potrebbe avere una precisione fino a ± 0,2 mV, ma dovrebbe avere una precisione minima di 1 mV-2 mV. Normalmente nel processo viene utilizzato un ADC a 16 bit.

Velocità di elaborazione: il BMS di un veicolo elettrico deve eseguire molti calcoli numerici per calcolare il valore di SOC, SOH ecc. Ci sono molti algoritmi per farlo, e alcuni usano persino l'apprendimento automatico per portare a termine il compito. Questo rende il BMS un dispositivo affamato di elaborazione. Oltre a questo, deve anche misurare la tensione della cella su centinaia di celle e notare quasi immediatamente i cambiamenti sottili.

Elementi fondamentali di un BMS

Ci sono molti diversi tipi di BMS disponibili sul mercato, puoi progettarne uno da solo o persino acquistare l'IC integrato che è immediatamente disponibile. Dal punto di vista della struttura hardware, esistono solo tre tipi di BMS basati sulla sua topologia: BMS centralizzato, BMS distribuito e BMS modulare. Tuttavia la funzione di questi BMS è del tutto simile. Di seguito è illustrato un sistema generico di gestione della batteria.

Acquisizione dati BMS

Analizziamo il blocco funzione sopra dal suo nucleo. La funzione primaria del BMS è monitorare la batteria per la quale deve misurare tre parametri vitali come la tensione, la corrente e la temperatura da ogni cella del pacco batteria. Sappiamo che i pacchi batteria sono formati collegando molte celle in serie o configurazione parallela, come la Tesla ha 8.256 celle in cui 96 celle sono collegate in serie e 86 sono collegate in parallelo per formare un pacco. Se un insieme di celle è collegato in serie, allora dobbiamo misurare la tensione su ciascuna cella, ma la corrente per l'intero insieme sarà la stessa poiché la corrente sarà la stessa in un circuito in serie. Allo stesso modo, quando una serie di celle è collegata in parallelo, dobbiamo misurare solo l'intera tensione poiché la tensione su ciascuna cella sarà la stessa se collegata in parallelo. L'immagine sotto mostra un insieme di celle collegate in serie, è possibile notare la tensione e la temperatura misurate per le singole celle e la corrente del pacco viene misurata nel suo complesso.

"Come misurare la tensione delle celle in BMS?"

Poiché un tipico EV ha un gran numero di celle collegate insieme, è un po 'difficile misurare la tensione delle singole celle di un pacco batteria. Ma solo se conosciamo la tensione delle singole celle possiamo eseguire il bilanciamento delle celle e fornire protezione delle celle. Per leggere il valore di tensione di una cella viene utilizzato un ADC. Ma la complessità in questione è elevata poiché le batterie sono collegate in serie. Significa che i terminali attraverso i quali viene misurata la tensione devono essere cambiati ogni volta. Ci sono molti modi per farlo coinvolgendo relè, mux, ecc. Oltre a questo c'è anche qualche IC di gestione della batteria come MAX14920 che può essere usato per misurare le tensioni delle singole celle di più celle (12-16) collegate in serie.

"Come misurare la temperatura delle cellule per BMS?"

Oltre alla temperatura della cella, a volte il BMS deve misurare anche la temperatura del bus e la temperatura del motore poiché tutto funziona con una corrente elevata. L'elemento più comune utilizzato per misurare la temperatura è chiamato NTC, che sta per coefficiente di temperatura negativo (NTC). È simile a un resistore ma cambia (diminuisce) la sua resistenza in base alla temperatura circostante. Misurando la tensione attraverso questo dispositivo e utilizzando una semplice legge di ohm possiamo calcolare la resistenza e quindi la temperatura.

Front-end analogico multiplex (AFE) per la misurazione della tensione e della temperatura delle celle

La misurazione della tensione della cella può diventare complessa poiché richiede un'elevata precisione e potrebbe anche iniettare rumori di commutazione da mux a parte questo, ogni cella è collegata a un resistore tramite un interruttore per il bilanciamento della cella. Per ovviare a questi problemi viene utilizzato un AFE - Analog Front end IC. Un AFE dispone di Mux, buffer e modulo ADC integrati con elevata precisione. Potrebbe facilmente misurare la tensione e la temperatura con la modalità comune e trasferire le informazioni al microcontrollore principale.

"Come misurare la corrente del pacco per BMS?"

Il pacco batterie EV può generare un valore elevato di corrente fino a 250 A o anche alto, oltre a questo dobbiamo anche misurare la corrente di ogni modulo nel pacco per assicurarci che il carico sia distribuito uniformemente. Durante la progettazione dell'elemento di rilevamento corrente, dobbiamo anche fornire l'isolamento tra il dispositivo di misurazione e quello di rilevamento. Il metodo più comunemente utilizzato per rilevare la corrente è il metodo Shunt e il metodo basato sul sensore di Hall. Entrambi i metodi hanno i loro pro e contro. I metodi di shunt precedenti erano considerati meno accurati, ma con la recente disponibilità di progetti di shunt ad alta precisione con amplificatori e modulatori isolati, sono più preferiti del metodo basato sul sensore di hall.

Stima dello stato della batteria

La maggiore potenza di calcolo di un BMS è dedicata alla stima dello stato della batteria. Ciò include la misurazione di SOC e SOH. Il SOC può essere calcolato utilizzando la tensione della cella, la corrente, il profilo di carica e il profilo di scarica. Il SOH può essere calcolato utilizzando il numero di cicli di carica e le prestazioni della batteria.

"Come misurare il SOC di una batteria?"

Esistono molti algoritmi per misurare il SOC di una batteria, ciascuno con i propri valori di input. Il metodo più comunemente utilizzato per SOC è chiamato metodo di contabilità Coulomb aka metodo di contabilità. Noi discuteremo