Batteristyringssystem
Et Battery Management System (BMS) er en enhet som brukes til å effektivt administrere batteripakker. For elektriske kjøretøy kan en godt-utformet BMS-maskinvare og -programvare effektivt øke rekkevidden, forlenge batteripakkens levetid, redusere driftskostnadene og sikre sikkerheten og påliteligheten til batteripakken. Strømbatteristyringssystemet har blitt en uunnværlig kjernekomponent i elektriske kjøretøy. Dette kapittelet vil fokusere på å introdusere sammensetningen, funksjonene og arbeidsprinsippene til strømbatteristyringssystemet.
Systemarkitektur
En typisk maskinvare for batteristyringssystem (BMS) inkluderer først og fremst en batteristyringsenhet (BMU), en cellestyringsenhet (CMU), sensorer, ledningsnett osv. I utformingen av-kraftbatterisystemer i stor skala er valget av BMS-arkitektur avgjørende, som direkte bestemmer tilkoblingsmetodene mellom maskinvareenheter og programvareprogrammeringstilnærmingen, og påvirker systemets nøyaktighet, kostnadsmåling og vedlikeholdssikkerhet, måling og vedlikehold av systemet. Basert på topologien mellom kontrollere i BMS, kan BMS-er grovt kategoriseres i to typer: integrert og distribuert.
1. Integrert BM
2. Distribuert BMS
I motsetning til integrerte topologier deler distribuerte arkitekturer BMS-funksjonaliteten inn i en hovedkort-BMU og flere slave-CMUer. Den modulære strukturen forenkler modulmontering, optimerer utformingen av prøvetakingsnettet og lindrer uoverensstemmelser i spenningsfall med jevn avstand. Ulemper inkluderer høyere kostnader og mer kompleks kommunikasjons- og kontrolldesign. Basert på mangfoldet av distribuerte BMS-tilkoblingsmetoder, kan de videre deles inn i tre typer: stjernetilkobling (se figur 8-2), busstilkobling og seriekobling.
(1) StjernetilkoblingI en stjernekobling er hovedkortet BMU sentralt plassert, og hver CMU-modul kobles direkte til BMS-hovedkortet via en sele. Stjerneforbindelser letter punkt-til-punktkontroll, og feilen i en enkelt CMU-node påvirker ikke systemet i vesentlig grad. Når antallet moduler øker, øker imidlertid kompleksiteten til kommunikasjonslinjene i en stjerneforbindelse eksponentielt, noe som gjør vedlikehold vanskelig og begrenser skalerbarheten. På grunn av begrensninger i BMS-hovedkortportene, kan ikke CMU-moduler legges til vilkårlig, noe som gjør det relativt sjeldent i store-applikasjoner.
(2) BusstilkoblingEn buss-basert systemarkitektur forenkler modulær design, som vist i figur 8-3. BMS er vanligvis delt inn i flere kontrollenheter: BMU, CMU og Battery Join Box (BJB). BMU, CMU og BJB er koblet til via CAN eller andre bussnettverk. BMU utfører kjernealgoritmefunksjonene for batteristyring; CMU utfører cellespenningsinnsamling, utjevning og temperaturmåling; BJB utfører høyspennings-, strøm- og temperaturinnsamling, kontaktordrift og diagnostikk, og isolasjonsdeteksjon for batteripakken; isolasjon gir elektrisk isolasjon, hindrer tilbakestrøm fra å brenne ut kretskortet og begrenser interferensamplituden.
Den bussbaserte-arkitekturen tilbyr mer fleksible kommunikasjonsforbindelser og sterk skalerbarhet, noe som i stor grad forenkler maskinvarearkitekturdesign, oppnår modularitet og forbedrer systemanvendbarhet og portabilitet. Den største ulempen er den relativt høye kostnaden.
Daisy-chaining er en relativt ny tilkoblingsmetode som har dukket opp de siste årene. Grensesnittet kan konvertere full-dupleks SPI-signaler opp til 1 Mb/s til differensialsignaler og overføre dem via tvunnet-parkabel og en enkel,-lavkosttransformator. For eksempel kan Linear Technologys AFE-enheter (LTC6811) kobles sammen for å danne en BMS. En liten-lavkostnadstransformator erstatter dataisolatoren. På hovedkontrollmikroprosessorsiden gir en liten adapter-IC (LTC6820) hovedkontrollergrensesnittet. Selv om unidirectional daisy-nettverk er enkelt, kan feil på en hvilken som helst node påvirke kommunikasjonen til hele systemet. Derfor har en forbedret ringdaisy-kjede, som vist i figur 8-4, blitt utviklet og brukt i BMS-produktene til store produsenter av nye energibiler som Tesla. Sammenlignet med CAN-bussforbindelser, er daisy{19}}kjeding lavere i kostnad og mindre i størrelse, men den har dårlig skalerbarhet, et begrenset maksimalt antall noder og vanskeligheter med å håndtere batteriadministrasjonsproblemer i mer komplekse scenarier som energilagringssystemer i stor skala.
Grunnleggende funksjoner
Vanligvis inkluderer de grunnleggende funksjonene til et batteristyringssystem (BMS): datainnsamling, batteristatusestimering, energistyring, sikkerhetsstyring, termisk styring, utjevningskontroll, kommunikasjonsfunksjoner og menneskelig-maskingrensesnitt. Figur 8-5 viser et funksjonelt blokkskjema over et batteristyringssystem.
Datainnsamling er grunnlaget for alle algoritmer og kontroller i et Battery Management System (BMS). Derfor er samplingsfrekvens, nøyaktighet og pre-filteregenskaper avgjørende indikatorer som påvirker batterisystemets ytelse. Datainnsamlingshastigheten bestemmes av scenariet og funksjonen. For eksempel, med en reservestrømforsyning, kan datainnsamlingshastigheten være så lav som ett bilde per 10 sekunder eller til og med per minutt; mens for objekter med raskt skiftende strøm (som kjøretøy), må data innhentes minst én gang hvert 1. sekund, med noen sikkerhetsrelaterte-data som krever samplingsfrekvenser så lave som 100ms eller 10ms.
2. Beregning av batteritilstand
Beregning av batteritilstand inkluderer hovedsakelig to aspekter:ladetilstand (SOC)ogHelsetilstand (SOH). SOC karakteriserer den nåværende gjenværende ladningen til batteripakken og er grunnlaget for å estimere rekkevidden til et elektrisk kjøretøy. SOH er en parameter som brukes til å representere batteriets gjenværende levetid og andre helsetilstander.
Energiledelse sikrer at- sanntids energiproduksjon og -inngang fra batteriet ikke overstiger batteriets og systemets bæreevne. I virkeligheten påvirkes et batteris lade-/utladningskapasitet av blant annet temperatur, SOC og SOH. Samtidig, på systemnivå, må risikoer som overoppheting og kretsnedsmelting unngås. Derfor er energistyring en global kontrollprosess som primært bruker strøm, spenning, temperatur, SOC og SOH som innganger.
Overvåking av batterispenning, strøm og temperatur for å sikre at de ikke overskrider normale områder. Moderne BMS (Battery Management System) overvåker ikke bare hele batteripakken, men gir også raffinert kontroll over ekstreme individuelle celleforhold som overlading, over-utlading og over-temperatur.
Avkjøling av batteriet når driftstemperaturen er for høy og oppvarming når det faller under den nedre grensen for passende driftstemperatur for å holde batteriet innenfor det optimale driftsområdet og opprettholde temperaturbalansen mellom individuelle celler under drift. Termisk styring er spesielt nødvendig for batterier som brukes under høye-strømutladninger og høye-temperaturforhold.
6. Balansekontroll
Uoverensstemmelser i batteriytelsen kan føre til en nedgang i den generelle batteripakkens ytelse og til og med sikkerhetsrisikoer. Balanseringskretser er installert mellom de individuelle cellene i batteripakken for å sikre at lade- og utladingsforholdene til hver enkelt celle er så konsistente som mulig, og dermed forbedre den generelle ytelsen til batteripakken.
En avgjørende funksjon av et batteristyringssystem (BMS) er å muliggjøre kommunikasjon av batteriparametere og informasjon med enheter ombord eller utenfor bord, og gir data for lade-/utladingskontroll og kjøretøykontroll. Avhengig av applikasjonen kan datautveksling bruke forskjellige kommunikasjonsgrensesnitt, for eksempel analoge signaler, PWM-signaler, CAN-buss eller I2C-seriegrensesnitt.
8. Menneskelig-maskingrensesnitt (HMI)
HMI er det mellomliggende grensesnittet for menneskelig-maskininteraksjon. Den bruker passende inn- og utdataenheter for å effektivt muliggjøre dialog og interaksjon mellom mennesker og maskinene de betjener. I en BMS inkluderer HMI skjerminformasjon og kontrollknapper og knotter, konfigurert i henhold til designkrav.
