Astratto
Questo articolo si concentra sugli aspetti hardware dei sistemi di gestione della batteria (BMS) nei veicoli elettrici e nelle applicazioni fisse. Lo scopo è quello di delineare i concetti dei sistemi avanzati esistenti, consentendo ai lettori di comprendere i fattori che devono essere considerati quando si progettano BMS per applicazioni specifiche. Dopo una breve analisi dei requisiti generali, sono state studiate diverse possibili strutture topologiche dei pacchi batteria e il loro impatto sulla complessità del BMS. Prendiamo come esempio esplicativo quattro pacchi batteria selezionati da veicoli elettrici disponibili in commercio. Successivamente sono stati discussi gli aspetti implementativi della misurazione delle variabili fisiche richieste (tensione, corrente, temperatura, ecc.), nonché le questioni e le strategie di bilanciamento. Infine, sono state discusse considerazioni sulla sicurezza e aspetti relativi all'affidabilità.
1. Introduzione
La complessità dei sistemi di gestione della batteria (BMS) dipende dall'applicazione. Una singola batteria, semplice come un telefono cellulare o un lettore di e-book, può essere misurata con un semplice circuito integrato "misuratore di batteria", in grado di misurare tensione, temperatura e corrente e stimare lo stato di carica (SOC). Complessi quanto i veicoli elettrici, i BMS devono completare compiti più complessi. Oltre a misurare parametri di base come tensione, temperatura e corrente della batteria, sono necessari anche algoritmi avanzati per determinare l’energia disponibile per calcolare l’autonomia di crociera.
Questo lavoro si concentra sull'aspetto hardware dei sistemi di gestione delle batterie agli ioni di litio. La Parte 2 introduce i requisiti hardware per BMS, inclusi valori di misurazione, interferenze elettromagnetiche, isolamento elettrico, contattori e ridondanza. La sezione 3 fornisce una panoramica della topologia BMS, chiarisce le differenze tra applicazioni semplici e complesse e fornisce un esempio di pacco batterie per veicolo elettrico. La sezione 4 spiega come soddisfare i requisiti di misurazione del valore fisico e le insidie comuni. La sezione 5 discute il bilanciamento, introduce e confronta i metodi di bilanciamento delle tariffe. La sezione 6 si concentra sulla sicurezza e l'affidabilità, compresi i rischi e le contromisure legate al funzionamento dei pacchi batteria ad alta tensione, e introduce brevemente i metodi di misurazione dell'isolamento e i relativi standard.
2. Requisiti di progettazione per il sistema di gestione della batteria (BMS)
Progettare un BMS è un compito complesso che richiede la considerazione di requisiti applicativi specifici, dell'ambiente di sistema e delle caratteristiche delle batterie utilizzate, da cui possono derivare una serie di requisiti di sistema. In generale, i seguenti componenti BMS e requisiti funzionali sono generalmente rilevanti:
Raccolta della temperatura
Selezione e posizionamento del sensore:La raccolta accurata della temperatura è difficile quando si progetta un BMS ed è necessario considerare il tipo di sensore (digitale o analogico) e la posizione per misurare la temperatura del pacco batteria, che determina il numero di sensori di temperatura della batteria. A volte è necessario rilevare la temperatura di contattori, fusibili o sbarre. Normalmente esiste una certa proporzione di canali tra i sensori di temperatura e quelli di tensione.
Requisiti di temperatura per diversi scenari applicativi:I requisiti di temperatura devono considerare tre situazioni: carica, scarica e stoccaggio, prestando attenzione anche alla costante di tempo termica. Le batterie agli ioni di litio non possono funzionare correttamente al di fuori di un intervallo di temperature specifico e la placcatura al litio può verificarsi a velocità di corrente elevate all'interno del normale intervallo di temperature. Pertanto, è necessario rilevare accuratamente temperatura, tensione e corrente. La capacità termica e la conduttività termica delle batterie sono influenzate da fattori quali la struttura della batteria e il posizionamento improprio dei sensori di temperatura può portare a letture errate e punti ciechi termici.
Acquisizione della tensione
Canale di acquisizione e precisione:I BMS classici basati su batterie agli ioni di litio richiedono almeno un canale di acquisizione della tensione per ciascuna batteria collegata in serie e alcune applicazioni automobilistiche dispongono anche di una protezione secondaria (ottenuta tramite un comparatore a finestra programmabile). Il tasso di conversione dei dati di acquisizione della tensione varia a seconda dell'applicazione e i chip front-end BMS comunemente utilizzati hanno una certa precisione e risoluzione della tensione.
L’impatto sulla stima del SOC:Prendendo come esempio le batterie NMC e LFP, è dimostrato che la precisione di acquisizione della tensione ha un impatto significativo sulla stima del SOC. Maggiore è la precisione, più accurata sarà la stima del SOC e utilizzare solo i dati sulla tensione per determinare il SOC potrebbe non essere sufficiente.
Figura 1. Il confronto dell'incertezza del SOC dipende dalla precisione della tensione di ± 1 mV.
Collezione attuale
Metodo di raccolta e caratteristiche del sensore:Il SOC può essere determinato non solo misurando la tensione a circuito aperto (OCV), ma anche utilizzando il metodo di conteggio di Coulomb (misurazione della corrente e integrazione). Tuttavia, i sensori di corrente presentano caratteristiche non ideali come deriva, offset ed errori di temperatura e potrebbe dover soddisfare contemporaneamente diversi requisiti di intervallo di misurazione e avere una determinata larghezza di banda.
Nelle applicazioni pratiche, fare affidamento esclusivamente sul conteggio di Coulomb per determinare il SOC è impreciso, soprattutto in condizioni di bassa corrente. Per risolvere questo problema è possibile combinare algoritmi e modelli parametrizzati per elaborare i dati attuali, ma questo va oltre lo scopo di questo articolo.
Requisiti di comunicazione
Comunicazione all'interno del sistema:Il BMS deve comunicare con l'intero sistema (come l'elettronica di potenza, la gestione dell'energia o le unità di controllo del veicolo), tenendo conto di fattori quali la modalità di comunicazione, la velocità, la robustezza e l'affidabilità. Ad esempio, potrebbe essere necessario fornire interfacce CAN nei veicoli per la comunicazione del sistema e diverse applicazioni potrebbero aver già determinato i requisiti di comunicazione a livello di sistema, ai quali il BMS deve adattarsi.
Comunicazione tra moduli:Per i sistemi modulari, è necessario definire il metodo di comunicazione tra i moduli master e slave, che è simile ai requisiti di base per la comunicazione tra sistemi. Esempi specifici si trovano nei capitoli successivi.
Protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI).
L'impatto delle EMI sui sensori:L'EMI può influenzare la raccolta dati dei sensori e tutti i sensori sono suscettibili alla sua influenza, il che può comportare una leggera distorsione o la completa inutilità dei dati.
Misure per ridurre l’impatto delle EMI:Per ridurre al minimo l'impatto, i motori, i componenti elettronici di potenza e altri carichi devono avere una buona progettazione EMI e possono essere utilizzati dispositivi di filtraggio EMI appropriati, come induttanze di modo comune e condensatori di blocco, da installare vicino al percorso di misurazione del sensore.
Requisiti relativi ai contattori
La funzione e i requisiti dei contattori:La maggior parte dei pacchi batteria richiede la possibilità di scollegare elettricamente almeno un elettrodo, il che richiede un contattore adatto. A causa della natura speciale dell'interruzione della corrente CC e dell'estinzione dell'arco, i contattori devono essere dotati di dispositivi di estinzione dell'arco magnetico e devono evitare la saldatura dei contatti.
Misure operative di sicurezza:Per garantire la sicurezza, durante il funzionamento del contattore è necessario un circuito speciale (come un'unità di precarica costituita da un contattore e un resistore collegati in serie) per garantire che non vi sia differenza di potenziale tra le due estremità ed evitare situazioni pericolose.
Requisiti di ridondanza
Il ruolo della ridondanza nell’affidabilità del sistema:Secondo lo standard ISO 26262, la ridondanza può migliorare l’affidabilità del sistema. La tensione della batteria viene solitamente osservata in una certa misura in modo ridondante, con due metodi: misurazione precisa da parte del chip principale e informazioni binarie fornite dal chip ausiliario.
Concetto di ridondanza di livello superiore:Esistono concetti di ridondanza anche nell'elaborazione di livello superiore, come il lock stepping, la correzione degli errori di memoria e i meccanismi di autotest in CPU speciali.
Requisiti di isolamento elettrico
Isolamento del pacco batteria:Il pacco batteria è solitamente suddiviso in parti ad alta tensione e parti a bassa tensione, che richiedono isolamento elettrico e possono essere ottenute tramite metodi ottici, induttivi o capacitivi.
Isolamento del sensore termico:Tutti i sensori termici devono inoltre essere isolati elettricamente per evitare guasti ad alta tensione che colpiscano le parti a bassa tensione, in modo simile al concetto di layout della rete IT di distribuzione dell'alimentazione.
Requisiti di equilibrio
L’impatto dello squilibrio di carica:Potrebbe verificarsi uno squilibrio di carica tra le batterie collegate in serie, che può influire sulle prestazioni e sull'affidabilità del sistema ed è generalmente necessario mantenerlo a un livello basso.
Considerazioni su applicazioni speciali:Diverse applicazioni possono avere considerazioni speciali, come vincoli di peso o requisiti di corrente di carica, che possono portare alla generazione di corrente di bilanciamento. La sezione 5 introdurrà ulteriormente la necessità e le modalità di attuazione del bilanciamento.
Altri requisiti
Requisiti relativi all'applicazione:L'applicazione potrebbe avere anche altri requisiti, quali spazio, costo, resistenza meccanica dell'hardware, peso e consumo energetico, che non costituiscono l'argomento centrale di questo articolo ma che devono essere presi in considerazione.
3. Struttura topologica del BMS
Panoramica della struttura del sistema di batterie:Per soddisfare le specifiche elettriche del sistema, le batterie spesso devono essere combinate in pacchi batteria con molteplici topologie di connessione. Il collegamento in serie può raggiungere un intervallo di tensione specifico e ridurre la corrente; La connessione parallela può aumentare la capacità. Esistono diverse varianti nelle applicazioni pratiche, come il collegamento in parallelo di batterie di piccola capacità nei moduli e il collegamento in serie, o l'uso diretto di batterie di grande capacità nel collegamento in serie. Topologie diverse hanno impatti diversi sulla complessità del BMS, come l'aumento dei costi di monitoraggio e bilanciamento quando più batterie in serie sono collegate in parallelo.
Figura 2. Diagramma schematico di diverse topologie di pacchi batteria: (a) cella singola; (b) Collegamento in parallelo di due batterie; (c) Collegamento in serie di tre batterie; (d) Collegamento in parallelo di due e tre batterie in serie; (e) Un collegamento in serie di tre moduli costituiti da due batterie in parallelo.
Tabella 1. Le caratteristiche delle varianti topologiche sono mostrate nella Figura 2.
Fornire un esempio per illustrare il metodo di collegamento della batteria e i requisiti del canale di misurazione della tensione: ad esempio, la combinazione di m batterie collegate in serie e n batterie collegate in parallelo richiede un numero diverso di canali di misurazione della tensione per diversi metodi di connessione.
Discussione di casi speciali:In alcune applicazioni speciali (come la sonda su Marte dell'Agenzia spaziale europea e la sonda Rosetta), il monitoraggio e il bilanciamento della singola cella potrebbero non essere eseguiti a causa di fattori quali dimensioni, peso e consumo energetico. Sebbene alcune opinioni suggeriscano che selezionare attentamente le batterie dello stesso lotto possa omettere il monitoraggio, la ricerca ha dimostrato che anche le batterie dello stesso lotto possono avere comportamenti di invecchiamento diversi e l’omissione del monitoraggio può comportare rischi. Tuttavia, per sistemi di piccole dimensioni e tensioni della batteria entro un certo intervallo, l'impatto dell'omissione del monitoraggio potrebbe essere relativamente ridotto.
Relativo al circuito integrato (IC).
IC con funzione di monitoraggio di base:Per ottenere la funzione di monitoraggio di base del funzionamento sicuro della batteria, i produttori di semiconduttori forniscono vari circuiti integrati specifici per l'applicazione (ASIC). Per i piccoli dispositivi elettronici con celle singole, esiste un circuito integrato "indicatore del carburante" in grado di monitorare tensione, corrente e temperatura, stimare il SOC e può anche includere funzioni come i regolatori di carica. Ad esempio, "bq27220" di TI e i relativi circuiti integrati di Maxim.
Circuiti integrati per sistemi ad alta potenza e richiesta di energia
Modularizzazione e allocazione delle funzioni:Per applicazioni con elevati requisiti di potenza e/o energia, un pacco batteria è costituito da più batterie e il relativo circuito integrato può monitorare contemporaneamente più batterie e fornire funzionalità di bilanciamento. Nel sistema è presente un modulo centrale (BMS Master) responsabile di funzioni complesse come la stima del SOC e gli algoritmi di previsione della potenza; Il modulo IC front-end (BMS Slave) è responsabile delle funzioni di base come l'acquisizione e il filtraggio del segnale.
Figura 3. Struttura BMS tipica per applicazioni su veicoli elettrici.
Diversi esempi di circuiti integrati e metodi di bilanciamento:Ad esempio, bq76PL536A, MAX11068 e LT6802G-2 di TI forniscono bilanciamento passivo, mentre AS8506C di AMS può essere utilizzato per la topologia di bilanciamento passivo e fornisce anche funzionalità di bilanciamento attivo. Alcuni circuiti integrati hanno prodotti successivi e per migliorare l'affidabilità del monitoraggio della tensione è possibile utilizzare circuiti integrati di protezione secondaria. Sebbene un BMS completamente ridondante possa migliorare l’affidabilità, il costo è elevato.
Comunicazione e trasmissione dati
Metodo di connessione IC front-end:I circuiti integrati front-end possono solitamente essere collegati tramite catena a margherita e diversi circuiti integrati hanno metodi di interfaccia diversi. MAX11068 è collegato tramite la porta I2C, bq76PL536A di TI fornisce più interfacce e LT6802G-2 è collegato tramite il bus SPI (che richiede un isolatore digitale aggiuntivo).
Metodo di comunicazione del sistema:Nel sistema, vengono solitamente utilizzati microcontrollori a basso costo per collegare i circuiti integrati sullo stesso PCB, mentre i moduli su altri PCB e i moduli principali BMS sono collegati tramite bus di campo (come CAN).
Caso reale
Mitsubishi i-MiEV:La batteria è composta da più moduli collegati tramite viti, con 88 batterie prismatiche. Il PCB sul modulo contiene circuiti integrati di monitoraggio e sensori di temperatura, mentre l'alloggiamento del pacco batteria contiene più componenti. Il modulo principale BMS si trova sotto i sedili posteriori del veicolo e comunica tramite un bus CAN interno. Rispetto ad altre batterie, lo spazio interno è più spazioso, il che potrebbe essere un effetto collaterale del raffreddamento ad aria.
Figura 4. (a) Pacco batterie Mitsubishi i-MiEV; (b) pacco batterie Volkswagen e-Up; (c) Pacco batterie della Smart Fortwo Electric Drive. Nota: i metodi di ridimensionamento sono diversi.
Figura 5. (a) Vista dall'alto del modulo batteria della Tesla Model S; (b) Modulo batteria Volkswagen e-Up, modulo 6s2p, vista dall'alto.
Edizione Smart Fortwo Elettrica:La batteria è composta da batterie a custodia collegate in serie da 90, con un sistema di raffreddamento, e le attività di monitoraggio di base sono completate dall'IC di TI, simile a bq76PL536A. Ogni PCB contiene più circuiti integrati di monitoraggio e microcontrollori e il modulo principale BMS si trova all'interno del vano batteria, con elevata integrazione e pochi cavi.
Volkswagen eUp:La batteria contiene più moduli in serie, nessun sistema di raffreddamento o dispositivo di disconnessione del servizio, modulo BMS centralizzato, collegato alla batteria e al circuito integrato di misurazione (MAX11068) tramite un gran numero di linee di misurazione della tensione, con un gran numero di resistori bilanciati e un microcontrollore senza conversione segnali.
Tesla Modello S:La batteria è composta da un gran numero di 18650 batterie, suddivise in più moduli, collegati tramite cavi di collegamento. Il BMS viene monitorato utilizzando bq76PL536A-Q1 di TI e la tensione viene misurata tramite fili di saldatura. Rispetto ad altre batterie, il suo livello di integrazione è diverso, come il basso livello di integrazione della Volkswagen e-Up e l'alto livello di integrazione della Smart Fortwo.
4. Panoramica della tecnologia di misurazione dei sistemi di batterie HV
L’importanza della tecnologia di misurazione:La tecnologia di misurazione è un componente chiave dei sistemi di gestione delle batterie, in grado di determinare variabili di stato come SOC, SOH, SOF, ecc. Di solito misura variabili come la tensione della batteria, la tensione totale, la corrente totale e la temperatura dei sistemi batteria. Queste variabili di stato possono proteggere il sistema batteria da danni quali sovraccarico o scaricamento eccessivo e ottimizzare l'utilizzo del sistema batteria.
Requisiti del sensore:Determinare i requisiti tipici per i sensori in base alle applicazioni di stoccaggio della batteria, inclusi costo, larghezza di banda, precisione, intervallo di misurazione e dimensioni, come dettagliato nella Sezione 2.
Misurazione della corrente
Classificazione del metodo di misurazione:Le attuali apparecchiature di raccolta sono suddivise in due tecnologie di base dei sensori: connessione elettrica e isolamento. Il rilevamento della corrente del resistore di shunt comunemente utilizzato appartiene al tipo di connessione elettrica e il sensore Hall è un esempio di tipo di isolamento.
Oltre alla tecnologia dei sensori è necessario considerare anche la posizione nella batteria. Per i sistemi di batterie contenenti più stringhe commutabili, ciascuna stringa deve essere dotata di un dispositivo di monitoraggio della corrente per monitorare lo squilibrio di potenza.
Misura della resistenza di shunt
Principio e caratteristiche di misurazione:Combinando bassa resistenza, resistenza ad alta precisione e sistema di misurazione della tensione ad alta precisione, viene misurata la corrente. La resistenza si trova sul percorso della corrente e durante il passaggio della corrente si verificano perdita di potenza e aumento della temperatura. Quando si sceglie un resistore è necessario bilanciare le perdite e la necessità di generare un'adeguata caduta di tensione. Quando si misura con alta precisione, è necessario considerare anche il coefficiente di temperatura e la stabilità a lungo termine del resistore.
Questo metodo può essere utilizzato per misurare correnti CC e CA e presenta i vantaggi di semplicità, linearità e larghezza di banda elevata. Tuttavia, il campo di misurazione è limitato dalla precisione della misurazione della tensione.
Confronto tra le misurazioni del lato basso e del lato alto
La misurazione del lato basso si riferisce al resistore situato tra il terminale positivo della batteria e il carico. Il suo vantaggio è che la tensione di modo comune in ingresso è bassa ed è possibile utilizzare un gran numero di amplificatori di rilevamento della corrente. Il circuito è semplice ed economico, ma interferirà con il percorso di terra e non sarà in grado di rilevare il bypass di corrente a carico elevato.
La misurazione del lato alto si riferisce al resistore posizionato tra il carico e il polo negativo o la terra della batteria. Il suo vantaggio è che può evitare interferenze del percorso di terra e rilevare cortocircuiti, ma richiede la conversione del livello dell'uscita dell'amplificatore e richiede che l'amplificatore sopporti un'elevata tensione di modo comune.
Sensori di corrente senza contatto (sensori Hall, ecc.)
Principio di misurazione e vantaggi:Utilizzo del campo magnetico generato dalla corrente per la misurazione, come i sensori Hall basati sull'effetto Hall, senza aumentare la resistenza del percorso della corrente, senza perdite conduttive aggiuntive, con vantaggi di isolamento elettrico e senza la necessità di optoaccoppiatori o isolatori digitali aggiuntivi per il condizionamento del segnale.
I sensori Hall possono essere acquistati come circuiti integrati, posizionati sul percorso della corrente e la loro uscita deve essere filtrata. Sono disponibili anche moduli completi, composti da anelli di ferrite contenenti sensori Hall e in grado di fornire isolamento elettrico.
Caratteristiche e limitazioni del sensore:Lo svantaggio principale è la larghezza di banda limitata, solitamente non superiore alle decine di kHz, e la deriva termica nel segnale di uscita che deve essere compensata. Se il sistema di batterie richiede una larghezza di banda maggiore, è necessario utilizzare la misurazione della resistenza di shunt e i sensori Hall sono costosi e ingombranti.
Misurazione della tensione
Differenziazione della misurazione della tensione del pacco batteria:Nei pacchi batteria agli ioni di litio è necessario distinguere tra la misurazione della tensione di ciascuna batteria e la tensione totale del pacco batteria. Gli intervalli di tensione dei due sono diversi e la somma di tutte le tensioni della batteria dovrebbe essere uguale alla tensione totale, che può essere utilizzata come criterio per il giudizio di razionalità.
Misurazione della tensione della batteria:solitamente completato da un chip front-end BMS integrato. Il numero di batterie che possono essere collegate ai chip sul mercato varia e la ridondanza e l'affidabilità del sistema possono essere migliorate anche attraverso circuiti integrati di supervisione secondari.
Misurazione della tensione del pacco batteria:completato da un'unità di misura separata, comprendente un divisore di tensione, un convertitore di impedenza, un filtro e un convertitore analogico-digitale (ADC). Il divisore di tensione viene utilizzato per ridurre la tensione del pacco batteria a un intervallo appropriato, che potrebbe richiedere più resistori per garantire la sicurezza, nonché un diodo Zener per proteggere il circuito successivo. Allo stesso tempo, per ottenere la tensione misurata vengono utilizzati convertitori di impedenza, filtri e ADC.
Misurazione della temperatura
Tipi e principi comuni dei sensori di temperatura:I sensori di temperatura comuni includono i tipi a coefficiente di temperatura negativo (NTC) e a coefficiente di temperatura positivo (PTC), che misurano la temperatura misurando la caduta di tensione con una corrente costante. La loro resistenza varia con la temperatura e può essere utilizzata entro un determinato intervallo di temperature, ma esistono problemi non lineari.
Problemi e soluzioni nell'uso dei sensori:A causa della non linearità, è necessaria una tabella di ricerca nella catena di elaborazione digitale per calibrare i calcoli della temperatura. Esistono anche alcuni sensori che utilizzano interfacce digitali più comode da usare, ma è opportuno tenere presente i problemi EMI quando li si posizionano vicino a percorsi ad alta potenza nei pacchi batteria. Altri metodi di misurazione come il PTC metallico e la termocoppia possono fornire una maggiore precisione e un intervallo di temperatura più ampio, ma con una maggiore complessità elettronica.
Trasmissione dei dati
Le caratteristiche e gli scenari applicativi dei diversi bus di comunicazione:è necessaria la comunicazione tra i moduli BMS e tra il BMS e l'intero sistema. Il bus CAN è comunemente utilizzato negli ambienti dei veicoli, con flessibilità e resistenza al rumore; Il bus LIN è relativamente semplice ma lento in velocità, ha scarsa flessibilità e non è differenziale, il che lo rende adatto a scenari con requisiti di costo elevati; Altre interfacce di comunicazione a corto raggio come SPI, I2C e bus OneWire non sono adatte per la comunicazione da modulo a modulo a lunga distanza e soggetta a interferenze; Se la velocità del bus CAN è insufficiente o è necessaria una capacità deterministica in tempo reale, è possibile utilizzare il bus FlexRay o Ethernet.
5. Bilanciamento della batteria
Il motivo della differenza nel SOC della batteria:Nelle batterie collegate in serie, le differenze di produzione e le diverse condizioni operative e ambientali (come la temperatura) possono portare a disuniformità tra le batterie. Questi fattori possono causare condizioni iniziali, invecchiamento e tassi di autoscarica diversi, portando a deviazioni nei valori di SOC, capacità e resistenza. Questa sezione si concentra principalmente sulle differenze di SOC e capacità e non coinvolge differenze nella resistenza interna. La ricerca ha dimostrato che anche le batterie con la stessa capacità e carico iniziali presenteranno differenze di capacità dopo l'uso. Ad esempio, le batterie 18650 con la stessa capacità iniziale, con una capacità rimanente dell'80% come standard di fine vita, hanno un ciclo di vita compreso tra 1000-1500 volte. Allo stesso tempo, ci sono differenze nella velocità di autoscarica delle diverse batterie, come le batterie soft pack commerciali conservate a 40 gradi C, dove la resistenza all'autoscarica varia tra 10k Ω e 14k Ω.
Figura 6. (a) Ragioni per le celle della batteria sbilanciate, numeri basati su [57]; (b) La classificazione dei diversi metodi di equilibrio fa riferimento alla direzione del trasferimento di energia come nome del metodo non dissipativo mostrato.
La necessità dell’equilibrio:Differenze di SOC, capacità e resistenza interna possono portare a una diminuzione dell'energia disponibile del pacco batteria, che può essere risolta attraverso un circuito di bilanciamento.
Panoramica dei metodi di bilancio
Implementazione dell'hardware:La letteratura descrive vari metodi di implementazione hardware per il bilanciamento dei circuiti, che possono essere classificati in diverse strutture topologiche, metodi di controllo (come attivo/passivo) o disponibilità commerciale.
Metodi di bilanciamento in applicazioni commerciali:La maggior parte dei pacchi batteria commerciali utilizza sistemi di bilanciamento passivo controllato, ottenuti tramite resistori di bilanciamento paralleli su entrambe le estremità della batteria. Questo metodo può risolvere solo il problema della variazione del SOC, con una corrente di bilanciamento ridotta (circa 100 mA) e nessuna variazione nella capacità della batteria, che può essere limitata dalla dissipazione di energia del BMS o dal diametro del cavo tra la batteria e il circuito di monitoraggio. Ciascuna batteria o combinazione di batterie in parallelo dispone di un resistore di bilanciamento commutabile con un valore di resistenza compreso tra 30 Ω -40 Ω (assumendo una tensione della batteria di 4,2 V) e ciascuna batteria consuma energia tra 387 mW -430 mW.
Metodi per risolvere diversi problemi di capacità:Per risolvere diversi problemi di capacità, sono necessari metodi più complessi per ridistribuire l’energia tra le batterie utilizzando l’elettronica di potenza. Tuttavia, questi metodi richiedono algoritmi di controllo complessi e induttori costosi. Sebbene esistano prodotti IC BMS correlati, non sono stati ampiamente utilizzati nei pacchi batterie commerciali per autoveicoli.
6. Sicurezza ed affidabilità
L’obiettivo generale della riduzione del rischio:Uno degli obiettivi principali del BMS è ridurre i rischi associati al funzionamento delle batterie agli ioni di litio nei pacchi batteria.
Figura 7. Modello circuitale equivalente del front-end di acquisizione della tensione della batteria, che dimostra la rilevabilità dei guasti della linea di rilevamento.
Misure di sicurezza specifiche
Sicurezza ad alta tensione:La sicurezza dell'alta tensione del pacco batteria è garantita dal monitoraggio dell'isolamento e dai circuiti di interblocco, che possono ridurre il rischio di archi elettrici causati da inquinamento o condensa. Allo stesso tempo, la progettazione dell'hardware BMS dovrebbe seguire gli standard pertinenti per garantire la distanza superficiale e l'isolamento elettrico del PCB e dei connettori.
Isolamento elettrico:Per garantire l'isolamento elettrico dall'elevata tensione della batteria sulle interfacce con altre unità di controllo o fonti di alimentazione ausiliaria, è possibile utilizzare apparecchiature di isolamento che soddisfano lo standard di "isolamento migliorato". Vengono utilizzati i tradizionali optoaccoppiatori, ma ora gli "isolatori digitali" hanno prestazioni IC migliori.
Misure di prevenzione incendi:Posiziona i sensori di temperatura all'interno del pacco batteria e rispondi alle temperature critiche. Per ridurre il rischio di incendio è possibile utilizzare anche metodi di rilevamento della temperatura senza sensore (come la spettroscopia di impedenza elettrochimica) e nuovi metodi di misurazione della temperatura.
Contattore e fusibile:Utilizzare un contattore per scollegare il pacco batteria dal sistema, coordinandolo con un fusibile. Considerare le caratteristiche operative di entrambi e l'impatto della capacità parassita e dell'induttanza all'interno del pacco batteria sulla scelta dei fusibili.
Sicurezza interna delle batterie:Il BMS dovrebbe garantire che la batteria venga caricata entro l'intervallo di temperatura specificato, evitando la placcatura al litio a bassa temperatura e lo scaricamento completo prima del funzionamento. Allo stesso tempo, è possibile utilizzare algoritmi diagnostici per rilevare cortocircuiti interni.
Figura 8. Misurazione dell'isolamento: (a) Isolamento nelle connessioni IT; (b) Diagramma schematico della misurazione dell'isolamento.
Problemi relativi alla progettazione dell'hardware BMS
Rilevamento guasti del sensore:Con la crescente complessità dell’implementazione hardware e software del BMS, aumenta la probabilità di errori software e guasti dei sensori. Ad esempio, i guasti nei cavi nel rilevamento della tensione della batteria non vengono rilevati facilmente attraverso la sola misurazione della tensione, ma possono essere rilevati attraverso i sistemi di bilanciamento della batteria o i circuiti di generazione di corrente.
Controllo validità sensore:Altri guasti, come i difetti dei sensori, possono essere rilevati tramite algoritmi diagnostici e la validità dei segnali dei sensori può essere verificata utilizzando il comportamento elettrico della batteria.
Misurazione dell'isolamento
L'importanza e la struttura del sistema di misurazione dell'isolamento:Il sistema ad alta tensione dei veicoli elettrici o parzialmente elettrici è solitamente realizzato come rete IT e deve rilevare il primo guasto. Quando si misura la resistenza di isolamento, è necessario considerare le caratteristiche di capacità e resistenza del sistema, poiché la capacità può interferire con la misurazione.
Metodi di misurazione comuni:I metodi comuni includono la misurazione della corrente in modo comune utilizzando una bobina del circuito e il calcolo della resistenza di isolamento modificando il potenziale tra il sistema e il telaio tramite interruttori e resistori. Vengono introdotti anche altri metodi più semplici o più complessi.
Standard di misurazione dell'isolamento:La misurazione dell'isolamento prevede specifiche standard pertinenti per i metodi di misurazione e requisiti minimi di resistenza di isolamento. Standard diversi presentano differenze nei metodi di misurazione, nei valori di resistenza e nel tempo di misurazione.
7. Riepilogo
Requisiti generali e considerazioni sulla progettazione:Questo articolo introduce concetti comuni dell'hardware BMS, partendo dai requisiti generali e fornendo considerazioni sull'implementazione. Il processo di progettazione dovrebbe includere il maggior numero possibile di parametri, ma i requisiti dovrebbero essere impostati in base alle esigenze del dispositivo di destinazione. I requisiti delle diverse applicazioni variano notevolmente e questi requisiti rappresentano un buon punto di partenza per considerazioni sulla progettazione del pacco batteria.
Topologia BMS:La struttura del sistema batteria influisce sulla topologia BMS e alcune applicazioni utilizzano metodi di monitoraggio speciali per ridurre il peso o la complessità, come le quattro batterie per veicoli elettrici commerciali confrontate nella Sezione 3.3, che presentano alcuni punti in comune dovuti alle loro applicazioni simili (come l'utilizzo della comunicazione CAN ), ma differiscono per l'integrazione e la comunicazione interna.
Misurazione del valore fisico:La Sezione 4 fornisce un'introduzione dettagliata ai metodi di raccolta e trasmissione dei valori fisici richiesti. Diversi requisiti di misurazione richiedono la selezione di metodi diversi in base ai vincoli e alle esigenze dell'applicazione.
Problema di equilibrio:La sezione 5 descrive le ragioni e i metodi di compensazione dello squilibrio di carica nelle batterie in serie, dove il bilanciamento passivo è attualmente il metodo più comunemente utilizzato.
Sicurezza e affidabilità:La sezione 6 fornisce una panoramica degli aspetti di sicurezza, inclusa la conformità con gli intervalli operativi della batteria per garantire la durata della vita e proteggere gli utenti dai rischi dell'alta tensione. Introduce metodi standard per il monitoraggio dell'isolamento e menziona la necessità di considerare i rischi a livello di sistema quando si proteggono le batterie.