7 января 2013 года самолет Боинг 787 был припаркован для технического обслуживания, во время которого механик заметил пламя и дым, исходящие от вспомогательной силовой установки (литиевой аккумуляторной батареи) самолета, которая используется для питания электронных систем полета. Были предприняты усилия по тушению пожара, но 10 дней спустя, прежде чем эта проблема была решена, 16 января в самолете 787, выполнявшем рейс All Nippon Airways, произошел еще один отказ батареи, что привело к вынужденной посадке в японском аэропорту. Эти два частых катастрофических отказа аккумуляторов привели к тому, что полет Boeing 787 Dreamliners был приостановлен на неопределенный срок, что запятнало репутацию производителя и привело к огромным финансовым потерям.

После серии совместных расследований, проведенных США и Японией, литиевая аккумуляторная батарея B-787 прошла компьютерную томографию и выявила, что один из восьми литий-ионных элементов был поврежден, что привело к короткому замыканию, которое привело к тепловому выходу из строя с возгоранием. Этого инцидента можно было бы легко избежать, если бы система управления аккумулятором литий-ионного аккумуляторного блока была спроектирована так, чтобы обнаруживать/предотвращать короткие замыкания. После некоторых изменений в конструкции и правилах безопасности B-787 снова начал летать, но инцидент все равно остается свидетельством того, насколько опасными могут стать литиевые батареи, если с ними не обращаться должным образом.

Перенесемся на 15 лет вперед: сегодня у нас есть электромобили, использующие одни и те же литий-ионные батареи, которые упакованы сотнями, если не тысячами ячеек. Эти массивные аккумуляторные блоки с номинальным напряжением около 300 В устанавливаются в автомобиле и во время работы обеспечивают ток силой до 300 А (приблизительно). В этих условиях любая неудача может привести к большой катастрофе, поэтому в электромобилях всегда уделяется особое внимание системе управления аккумулятором. Итак, в этой статье мы узнаем больше об этой системе управления батареями (Battery Management System, BMS) и разберем ее конструкцию и функции, чтобы лучше понять ее принцип работы. Поскольку аккумуляторы и BMS тесно связаны, настоятельно рекомендуется прочитать наши предыдущие статьи об электромобилях и аккумуляторах электромобилей.

Зачем нам нужна система управления батареями (BMS)?

Литий-ионные аккумуляторы заинтересовали производителей электромобилей из-за их высокой плотности заряда и малого веса. Несмотря на то, что эти батареи обладают большой мощностью для своего размера, они очень нестабильны по своей природе. Очень важно, чтобы эти батареи никогда не подвергались чрезмерному заряду или недостаточному разряду при любых обстоятельствах, которые вызывают необходимость контролировать их напряжение и ток. Этот процесс становится немного сложнее, поскольку в электромобиле имеется множество ячеек, образующих аккумуляторную батарею, и каждая ячейка должна индивидуально контролироваться на предмет ее безопасности и эффективной работы, что требует специальной специальной системы, называемой системой управления батареями. Кроме того, чтобы получить максимальную эффективность от аккумуляторной батареи, мы должны полностью заряжать и разряжать все элементы одновременно при одном и том же напряжении, что снова требует BMS. Помимо этого, BMS несет ответственность за множество других функций, которые будут обсуждаться ниже.

Особенности проектирования системы управления батареями (BMS)

При проектировании BMS необходимо учитывать множество факторов. Все соображения зависят от конкретного конечного приложения, в котором будет использоваться BMS. Помимо электромобилей, BMS также используются везде, где используется литиевый аккумулятор, например, солнечные панели, ветряные мельницы, силовые стены и т. д. Независимо от применения, конструкция BMS должна учитывать все или многие из следующих факторов.

Контроль разрядки. Основной функцией BMS является поддержание литиевых элементов в безопасной рабочей зоне. Например, типичный литиевый элемент 18650 будет иметь номинальное пониженное напряжение около 3 В. BMS несет ответственность за то, чтобы ни один из элементов блока не разряжался ниже 3 В.

Контроль зарядки: Помимо разрядки, процесс зарядки также должен контролироваться BMS. Большинство аккумуляторов имеют тенденцию к повреждению или сокращению их срока службы при неправильной зарядке. Для зарядного устройства литиевой батареи используется двухступенчатое зарядное устройство. Первый этап называется зарядкой постоянным током (Constant Current, CC), во время которого зарядное устройство выдает постоянный ток для зарядки аккумулятора. Когда батарея почти полностью заряжена, используется второй этап, называемый этапом зарядки при постоянном напряжении (Constant Voltage, CV), во время которого на батарею подается постоянное напряжение при очень низком токе. BMS должна следить за тем, чтобы напряжение и ток во время зарядки не превышали допустимые пределы, чтобы не допустить чрезмерной разрядки или быстрой зарядки аккумуляторов. Максимально допустимое зарядное напряжение и ток зарядки можно найти в паспорте аккумулятора. На нашем сайте мы уже рассматривали проект подобного двухрежимного зарядного устройства для литиевых аккумуляторов.

Определение состояния заряда (State-of-Charge, SOC). Вы можете рассматривать SOC как индикатор топлива электромобиля. На самом деле он сообщает нам емкость аккумулятора в процентах. Точно так же, как в нашем мобильном телефоне. Но это не так просто, как кажется. Всегда следует контролировать напряжение и ток заряда/разряда аккумулятора, чтобы прогнозировать емкость аккумулятора. После измерения напряжения и тока существует множество алгоритмов, которые можно использовать для расчета SOC аккумуляторной батареи. Наиболее часто используемый метод — метод кулоновского счета; мы обсудим это подробнее позже в статье. Измерение значений и расчет SOC также входит в обязанности BMS.

Определение состояния здоровья (State-of-Health, SOH). Емкость аккумулятора зависит не только от его напряжения и профиля тока, но также от его возраста и рабочей температуры. Измерение SOH говорит нам о возрасте и ожидаемом жизненном цикле батареи на основе истории ее использования. Таким образом, мы можем узнать, насколько уменьшается пробег (пройденное расстояние после полной зарядки) электромобиля по мере старения аккумулятора, а также мы можем знать, когда следует заменить аккумуляторную батарею. SOH также должен рассчитываться и отслеживаться BMS.

Балансировка ячеек. Еще одна жизненно важная функция BMS — поддержание балансировки ячеек. Например, в блоке из 4 ячеек, соединенных последовательно, напряжение всех четырех ячеек всегда должно быть одинаковым. Если напряжение одной ячейки меньше или выше другой, это повлияет на весь блок, скажем, если одна ячейка имеет напряжение 3,5 В, а три других — 4 В. Во время зарядки эти три элемента достигнут напряжения 4,2 В, в то время как другой только что достигнет напряжения 3,7 В, аналогично этот элемент будет первым, кто разряжается до 3 В раньше остальных трех. Таким образом, из-за этой единственной ячейки все остальные ячейки в блоке не могут быть использованы с максимальным потенциалом, что ставит под угрозу эффективность всего блока.  

Чтобы справиться с этой проблемой, BMS должна реализовать так называемую балансировку ячеек. Существует много типов методов балансировки ячеек, но наиболее часто используемые из них — это балансировка ячеек активного и пассивного типа. Идея пассивной балансировки заключается в том, что элементы с избыточным напряжением будут принудительно разряжаться через нагрузку, подобную резистору, чтобы достичь значения напряжения других ячеек. В то время как при активной балансировке более "сильные" ячейки будут использоваться для зарядки более слабых ячеек и выравнивания их потенциалов. На нашем сайте вы можете более подробно прочитать о способах балансировки ячеек в аккумуляторных блоках.

Термоконтроль. Срок службы и эффективность литиевой аккумуляторной батареи во многом зависит от рабочей температуры. Батарея имеет тенденцию разряжаться быстрее в жарком климате по сравнению с обычной комнатной температурой. Если добавить к этому потребление большого тока, это еще больше повысит температуру. Это требует наличия тепловой системы (в основном масляной) в аккумуляторном блоке. Эта тепловая система должна быть способна не только снижать температуру, но также должна иметь возможность повышать температуру в холодном климате, если это необходимо. BMS отвечает за измерение температуры отдельных ячеек и соответствующим образом управляет тепловой системой для поддержания общей температуры аккумуляторной батареи.

Питание от самой батареи. Единственный источник питания, доступный в электромобиле, — это сама батарея. Таким образом, BMS должна быть спроектирована так, чтобы питаться от той же батареи, которую она должна защищать и обслуживать. Это может показаться простым, но это усложняет проектирование BMS.

Менее идеальная мощность: BMS должна быть активна и работать, даже если автомобиль работает, заряжается или находится в идеальном режиме. Это обеспечивает постоянное питание цепи BMS, и, следовательно, обязательно, чтобы BMS потребляла как можно меньше энергии, чтобы не сильно разряжать батарею. Когда электромобиль остается незаряженным в течение нескольких недель или месяцев, BMS и другие схемы имеют тенденцию разряжать батарею сами по себе, и в конечном итоге их необходимо запустить или зарядить перед следующим использованием. Эта проблема по-прежнему остается общей даже для таких популярных автомобилей как Tesla.

Гальваническая развязка: BMS действует как мост между аккумуляторной батареей и ЭБУ (ECU) электромобиля. Вся информация, собранная BMS, должна быть отправлена ​​в ЭБУ для отображения на комбинации приборов или на приборной панели. Таким образом, BMS и ECU должны постоянно обмениваться данными через стандартный протокол, такой как связь по шине CAN или шине LIN. Конструкция BMS должна обеспечивать гальваническую развязку между аккумуляторной батареей и ЭБУ.

Регистрация данных: для BMS важно иметь большой банк памяти, поскольку в ней необходимо хранить большой объем данных. Такие значения, как SOH состояния здоровья, можно рассчитать только в том случае, если известна история зарядки аккумулятора. Таким образом, BMS должна отслеживать циклы зарядки и время зарядки аккумуляторной батареи с момента установки и при необходимости хранить эти данные. Это также помогает обеспечить послепродажное обслуживание или проанализировать проблему с электромобилем для инженеров.

Точность: когда элемент заряжается или разряжается, напряжение на нем постепенно увеличивается или уменьшается. К сожалению, кривая разряда (зависимость напряжения от времени) литиевой батареи имеет плоские участки, поэтому изменение напряжения очень мало. Это изменение необходимо точно измерить, чтобы рассчитать значение SOC или использовать его для балансировки ячеек. Хорошо спроектированная BMS может иметь точность до ±0,2 мВ, но минимальная точность должна составлять 1–2 мВ. Обычно в этом процессе используется 16-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь).

Скорость обработки: BMS электромобиля приходится выполнять множество вычислений, чтобы вычислить значение SOC, SOH и т. д. Для этого существует множество алгоритмов, а некоторые даже используют машинное обучение для выполнения этих задач. Это делает BMS требовательным к обработке устройством. Помимо этого, ему также необходимо измерять напряжение на сотнях ячеек и почти сразу же замечать даже незначительные изменения.

Компоненты BMS

На рынке доступно множество различных типов BMS, вы можете либо разработать их самостоятельно, либо даже приобрести легкодоступную интегрированную микросхему. С точки зрения аппаратной структуры существует только три типа BMS в зависимости от ее топологии: централизованная BMS, распределенная BMS и модульная BMS. Однако функции этих BMS схожи. Типовая система управления батареями (BMS) показана на следующем рисунке.

Сбор данных BMS

Давайте проанализируем приведенный выше функциональный блок с его ядра. Основной функцией BMS является мониторинг батареи, для чего необходимо измерить три жизненно важных параметра, таких как напряжение, ток и температура каждой ячейки аккумуляторной батареи. Мы знаем, что аккумуляторные блоки образуются путем соединения множества ячеек в последовательной или параллельной конфигурации, например, у Tesla есть 8256 ячеек, из которых 96 ячеек соединены последовательно, а 86 - параллельно, образуя блок. Если набор ячеек соединен последовательно, нам необходимо измерить напряжение на каждой ячейке, но ток для всего набора будет одинаковым, поскольку ток будет одинаковым в последовательной цепи. Аналогично, когда набор ячеек соединен параллельно, нам нужно измерить только напряжение, поскольку напряжение на каждой ячейке будет одинаковым при параллельном соединении. На изображении ниже показан набор ячеек, соединенных последовательно. Вы можете заметить, что напряжение и температура измеряются для отдельных ячеек, а ток батареи измеряется в целом.

Как BMS измерить напряжение ячейки?

Поскольку типичный электромобиль имеет большое количество ячеек, соединенных вместе, измерить напряжение отдельных ячеек аккумуляторной батареи бывает немного сложно. Но если мы знаем напряжение отдельных ячеек, мы можем выполнить балансировку ячеек и обеспечить защиту ячеек. Для считывания значения напряжения ячейки используется АЦП. Но сложность очень высока, поскольку батареи соединены последовательно. Это означает, что клеммы, на которых измеряется напряжение, необходимо каждый раз менять. Есть много способов сделать это: с использованием реле, мультиплексоров и т. д. Помимо этого, существуют также некоторые микросхемы управления батареями, такие как MAX14920, которые можно использовать для измерения напряжения отдельных нескольких ячеек (12-16), соединенных последовательно.

Как BMS измерить температуру ячейки?

Помимо температуры элемента, иногда BMS также необходимо измерять температуру шины и температуру двигателя, поскольку все работает при высоком токе. Наиболее распространенный элемент, используемый для измерения температуры, это терморезистор с NTC (Negative temperature Coefficient - отрицательный температурный коэффициент). Он похож на обычный резистор, но меняет (уменьшает) свое сопротивление в зависимости от температуры вокруг него. Измерив напряжение на этом устройстве и используя простой закон Ома, мы можем рассчитать сопротивление и, следовательно, температуру. Пример использования терморезистора для измерения температуры вы можете посмотреть в этой статье.

Мультиплексный аналоговый входной каскад (AFE) для измерения напряжения и температуры элемента

Измерение напряжения ячейки может оказаться сложным, поскольку оно требует высокой точности и может также создавать помехи переключения от мультиплексора, кроме того, каждая ячейка подключена к резистору через переключатель для балансировки ячеек. Чтобы преодолеть эти проблемы, используется AFE (Analog Front end) – микросхема аналогового интерфейса. AFE имеет встроенный мультиплексор, буфер и модуль АЦП с высокой точностью. Он может легко измерять напряжение и температуру в синфазном режиме и передавать информацию в основной микроконтроллер.

Как BMS измерить ток аккумулятора?

Аккумуляторный блок для электромобилей может генерировать ток большой величины, до 250 А или даже выше. Кроме того, нам также необходимо измерить ток каждого модуля в аккумуляторе, чтобы убедиться, что нагрузка распределяется равномерно. При проектировании чувствительного элемента тока необходимо также обеспечить изоляцию между измерительным и чувствительным устройством. Наиболее часто используемыми методами измерения тока являются шунтовой метод и метод, основанный на датчике Холла. Оба метода имеют свои плюсы и минусы. Ранее шунтирующие методы считались менее точными, но с появлением в последнее время высокоточных конструкций шунтов с изолированными усилителями и модуляторами они более предпочтительны, чем метод, основанный на датчике Холла. Также на нашем сайте вы можете прочитать о различных методах и датчиках измерения тока. 

Оценка состояния батареи

Основная вычислительная мощность BMS предназначена для оценки состояния батареи. Сюда входит измерение SOC и SOH. SOC можно рассчитать, используя напряжение элемента, ток, профиль зарядки и профиль разрядки. SOH можно рассчитать, используя количество циклов зарядки и производительность аккумулятора.

Как измерить SOC батареи?

Существует множество алгоритмов измерения SOC батареи, каждый из которых имеет свои входные значения. Наиболее часто используемый метод SOC называется кулоновским подсчетом. Помимо этого существует множество других продвинутых и более сложных алгоритмов, таких как:

Основные методы

• Кулоновский метод счета.
• Метод ампер-часов (Ач).
• Метод напряжения холостого хода (OCV).
• Метод измерения импеданса/ИК. 

Алгоритмы на основе машинного обучения

• Нейронная сеть/нечеткая логика.
• Машина опорных векторов.

Расширенный метод

• Оценка модели в пространстве состояний с использованием фильтра Калмана.

Техника кулоновского счета

На сегодняшний день метод подсчета кулонов является наиболее используемым и простым для понимания алгоритмом измерения SOC. Он основан на том факте, что соотношение между общим входным зарядом и максимальной емкостью аккумулятора даст нам значение SOC. Формула для этого имеет следующий вид:

Хотя максимальная емкость аккумулятора будет указана в его технических характеристиках, расчет общего входного заряда требует некоторого математического подхода. Общий входной заряд — это не что иное, как произведение тока и времени, но значение тока варьируется в зависимости от времени, и поэтому мы должны использовать метод интегрирования тока для определения общего входного заряда. Дискретные значения тока принимаются как обычные внутренние, и интеграл этих значений даст нам значение общего входного заряда.

Для лучшего понимания, если мы учтем, что значение тока постоянно, скажем, 2 А в течение 4 часов, тогда значение общего входного заряда составит 8 Ач, а если максимальная емкость аккумулятора составляет 25 Ач, то значение SOC будет просто ((2*4) /25) = 32%. Но этот метод не очень надежен, поскольку максимальная емкость аккумулятора будет уменьшаться по мере его старения. Поэтому было разработано множество других алгоритмов.

Моделирование работы батареи

Чтобы использовать любой из обсуждавшихся выше алгоритмов или проверить, работает ли ваша BMS должным образом, нам необходимо разработать математическую модель для нашего аккумуляторного блока.

Зачем нам нужно моделирование работы аккумуляторов?

Обычному аккумулятору требуется около 6 часов для зарядки и еще 6 часов для разрядки. Профиль напряжения и тока элементов будет различаться во время зарядки и разрядки в зависимости от нагрузки, возраста, температуры и многих других условий. Практически невозможно заряжать и разряжать батарею в необходимых условиях в течение всего жизненного цикла аккумуляторной батареи, чтобы проверить, работает ли BMS должным образом. Вот почему должна быть разработана модель батареи. Эта модель может действовать как виртуальная батарея (в цикле аппаратного обеспечения) на стадии разработки BMS.

Точность SOC и SOH также зависит от точности модели аккумулятора. В идеальной модели батареи входное напряжение должно быть равно выходному напряжению, а значение ошибки должно быть равно нулю. Но на практике этого сценария трудно достичь, поскольку существует множество параметров, таких как температура, возраст и т. д., которые могут повлиять на систему. Доступно множество моделей аккумуляторов, их можно в общих чертах классифицировать как модель с сосредоточенными параметрами, модель эквивалентной цепи и электрохимическую модель, из всех трех электрохимическая модель является наиболее сложной и точной моделью.

Управление температурным режимом в BMS

Помимо измерения напряжения, тока и температуры, а также расчета SOC, SOH и т. д., BMS выполняет еще одну важную задачу по регулированию температуры батареи. Аккумуляторная батарея будет разряжаться быстрее, если она будет эксплуатироваться при более высоких или низких температурах. Для предотвращения этого в аккумуляторе используются системы охлаждения. Например, Tesla использует жидкостное охлаждение, при котором трубка проходит через аккумуляторную батарею, чтобы войти в контакт со всеми ячейками. Затем через трубки пропускается охлаждающая жидкость, такая как вода или гликоль. Температура охлаждающей жидкости контролируется BMS на основе температуры ячеек. Помимо этого, в батареях также используется воздух или химические вещества для поддержания необходимой температуры.

На этом давайте завершим статью: нам еще многое предстоит узнать о BMS и о том, как они работают. Сегодня многие производители кремния, такие как Renesas, Texas Instruments и т. д., имеют свои собственные серии микросхем BMS и наборы инструментов, которые могут выполнить за вас всю ту работу, которую должна делать BMS, и вы можете использовать их не углубляясь вглубь всех этих процессов. С каждым новым электромобилем на рынке система BMS становится все более умной и простой в использовании.

65 просмотров