Sistem upravljanja baterijom
Battery Management System (BMS) je uređaj koji se koristi za efikasno upravljanje baterijama. Za električna vozila, dobro-dizajniran BMS hardver i softver može efikasno povećati domet vožnje, produžiti vijek trajanja baterije, smanjiti operativne troškove i osigurati sigurnost i pouzdanost kompleta baterija za napajanje. Sistem upravljanja baterijom postao je nezaobilazna osnovna komponenta električnih vozila. Ovo poglavlje će se fokusirati na uvođenje sastava, funkcija i principa rada sistema za upravljanje baterijom.
Arhitektura sistema
Tipični hardver sistema za upravljanje baterijama (BMS) prvenstveno uključuje jedinicu za upravljanje baterijom (BMU), jedinicu za upravljanje ćelijama (CMU), senzore, kabelske svežanjke, itd. U dizajnu velikih-baterijskih sistema, izbor BMS arhitekture je presudan, direktno određujući metode povezivanja između hardverskih jedinica i softverskog programskog pristupa, i ponovnog utjecaja na instalaciju sistema, mjerenje troškova održavanja i cc. Na osnovu topologije između kontrolera u BMS-u, BMS-ovi se mogu široko kategorizirati u dva tipa: integrirani i distribuirani.
1. Integrisani BM
2. Distribuirani BMS
Za razliku od integrisanih topologija, distribuirane arhitekture dijele BMS funkcionalnost na BMU matične ploče i više slave CMU-ova. Modularna struktura pojednostavljuje montažu modula, optimizuje raspored svežnja za uzorkovanje i ublažava nedoslednosti pada napona sa ujednačenim razmakom. Nedostaci uključuju višu cijenu i složeniji dizajn komunikacije i upravljanja. Na osnovu raznolikosti distribuiranih BMS metoda povezivanja, mogu se dalje podijeliti u tri tipa: veza zvijezda (vidi sliku 8-2), bus veza i veza u nizu.
(1) Star ConnectionU spoju zvijezda, BMU matične ploče je centralno lociran, a svaki CMU modul je direktno povezan sa matičnom pločom BMS preko kabelskog svežnja. Zvjezdaste veze olakšavaju kontrolu od tačke-do-tačke, a kvar jednog CMU čvora ne utiče značajno na sistem. Međutim, kako se broj modula povećava, složenost komunikacijskih linija u zvjezdanoj vezi raste eksponencijalno, što otežava održavanje i ograničava skalabilnost. Zbog ograničenja portova BMS matične ploče, CMU moduli se ne mogu proizvoljno dodavati, što ga čini relativno rijetkim u aplikacijama velikih{5}}razmjera.
(2) Autobusna vezaArhitektura sistema zasnovana na sabirnici{0}} olakšava modularni dizajn, kao što je prikazano na slici 8-3. BMS je obično podijeljen na više kontrolnih jedinica: BMU, CMU i Battery Join Box (BJB). BMU, CMU i BJB su povezani preko CAN ili druge mreže sabirnice. BMU obavlja osnovne funkcije algoritma za upravljanje baterijama; CMU vrši akviziciju napona ćelije, izjednačavanje i mjerenje temperature; BJB vrši akviziciju visokog napona, struje i temperature, pokretanje i dijagnostiku kontaktora i detekciju izolacije za bateriju; izolacija obezbeđuje električnu izolaciju, sprečavajući povratni tok od sagorevanja ploče i ograničavajući amplitudu smetnji.
Arhitektura zasnovana na sabirnici{0}} nudi fleksibilnije komunikacijske veze i snažnu skalabilnost, uvelike pojednostavljujući dizajn hardverske arhitekture, postižući modularnost i poboljšavajući primjenjivost i prenosivost sistema. Njegov glavni nedostatak je relativno visoka cijena.
Daisy{0}}lanac je relativno nova metoda povezivanja koja se pojavila posljednjih godina. Interfejs može pretvoriti full-dupleks SPI signale do 1Mb/s u diferencijalne signale i prenijeti ih putem upredenog-kabla i jednostavnog, jeftinog-transformatora. Na primjer, AFE uređaji Linear Technology (LTC6811) mogu se međusobno povezati kako bi formirali BMS. Mali, jeftin-transformator zamjenjuje izolator podataka. Na strani glavnog upravljačkog mikroprocesora, mali adapter IC (LTC6820) pruža sučelje glavnog kontrolera. Dok je jednosmjerno umrežavanje u nizu{13}}lanca jednostavno, kvar bilo kojeg čvora može utjecati na komunikaciju cijelog sistema. Stoga je poboljšani prstenasti lanac{15}}, kao što je prikazano na slici 8-4, razvijen i primijenjen u BMS proizvodima velikih proizvođača novih energetskih vozila kao što je Tesla. U poređenju sa CAN bus konekcijama, daisy{19}}lanac je niži po cijeni i manji po veličini, ali ima lošu skalabilnost, ograničen maksimalni broj čvorova i poteškoće u rješavanju problema upravljanja baterijom u složenijim scenarijima kao što su sistemi za pohranu energije velikih razmjera.
Osnovne funkcije
Općenito, osnovne funkcije sistema za upravljanje baterijom (BMS) uključuju: prikupljanje podataka, procjenu stanja baterije, upravljanje energijom, upravljanje sigurnošću, upravljanje toplinom, kontrolu ekvilizacije, komunikacijske funkcije i ljudski{0}}mašinski interfejs. Slika 8-5 prikazuje funkcionalni blok dijagram sistema za upravljanje baterijom.
Prikupljanje podataka je osnova svih algoritama i kontrola u sistemu upravljanja baterijom (BMS). Stoga su brzina uzorkovanja, tačnost i karakteristike pred-filtera ključni pokazatelji koji utiču na performanse baterijskog sistema. Brzina prikupljanja podataka određena je scenarijem i funkcijom. Na primjer, sa rezervnim napajanjem, stopa akvizicije podataka može biti samo jedan kadar u 10 sekundi ili čak u minuti; dok za objekte sa brzom promjenjivom strujom (kao što su vozila), podaci se moraju prikupljati barem jednom svake 1 sekunde, uz neke sigurnosne-podatke koji zahtijevaju frekvencije uzorkovanja od 100 ms ili 10 ms.
2. Procjena stanja baterije
Procjena stanja baterije uglavnom uključuje dva aspekta:Država zaduženja (SOC)iZdravstveno stanje (SOH). SOC karakterizira trenutnu preostalu napunjenost baterije i predstavlja osnovu za procjenu dometa vožnje električnog vozila. SOH je parametar koji se koristi za predstavljanje preostalog vijeka trajanja baterije i drugih zdravstvenih stanja.
Upravljanje energijom osigurava da izlazna-energija u stvarnom vremenu i ulaz baterije ne premašuju kapacitet baterije i sistema. U stvarnosti, na kapacitet punjenja/pražnjenja baterije utiču temperatura, SOC i SOH, između ostalih faktora. Istovremeno, na nivou sistema, rizici kao što su pregrijavanje i kvar kola moraju se izbjeći. Stoga je upravljanje energijom globalni kontrolni proces koji prvenstveno koristi struju, napon, temperaturu, SOC i SOH kao ulaze.
Praćenje napona, struje i temperature baterije kako bi se osiguralo da ne prelaze normalne opsege. Savremeni BMS (Battery Management System) ne samo da nadzire kompletnu bateriju, već pruža i preciznu kontrolu nad ekstremnim pojedinačnim uslovima ćelije kao što su prekomjerno punjenje, prekomjerno{1}}pražnjenje i pre-temperatura.
Hlađenje baterije kada je njena radna temperatura previsoka i zagrijavanje kada padne ispod donje granice odgovarajuće radne temperature kako bi se baterija održala u svom optimalnom radnom rasponu i održala temperaturni balans između pojedinačnih ćelija tokom rada. Upravljanje toplotom je posebno neophodno za baterije koje se koriste u uslovima velike-pražnjenja i visoke{2}temperature.
6. Kontrola balansiranja
Nedosljednosti u performansama baterije mogu dovesti do pada ukupnog učinka baterije, pa čak i sigurnosnih rizika. Kola za balansiranje su instalirana između pojedinačnih ćelija u baterijskom paketu kako bi se osiguralo da su uvjeti punjenja i pražnjenja svake pojedinačne ćelije što je moguće konzistentniji, čime se poboljšava ukupna izvedba baterije.
Ključna funkcija sistema za upravljanje baterijom (BMS) je da omogući komunikaciju parametara baterije i informacija sa uređajima u vozilu ili van njega, obezbeđujući podatke za kontrolu punjenja/pražnjenja i kontrolu vozila. Ovisno o primjeni, razmjena podataka može koristiti različite komunikacione interfejse, kao što su analogni signali, PWM signali, CAN sabirnica ili I2C serijski interfejsi.
8. Ljudsko{1}}Interfejs za ljude (HMI)
HMI je posredni interfejs za interakciju ljudi{0}}mašina. Koristi odgovarajuće ulazne i izlazne uređaje kako bi efikasno omogućio dijalog i interakciju između ljudi i mašina kojima upravljaju. U BMS-u, HMI uključuje informacije o prikazu i kontrolne tipke i dugmad, konfigurisane prema zahtjevima dizajna.
