Haniaethol
Mae'r erthygl hon yn canolbwyntio ar agweddau caledwedd systemau rheoli batri (BMS) mewn cerbydau trydan a chymwysiadau sefydlog. Y pwrpas yw amlinellu'r cysyniadau mewn systemau uwch presennol, gan alluogi darllenwyr i ddeall y ffactorau y mae angen eu hystyried wrth ddylunio BMS ar gyfer cymwysiadau penodol. Ar ôl dadansoddiad byr o ofynion cyffredinol, astudiwyd sawl strwythur topolegol posibl o becynnau batri a'u heffaith ar gymhlethdod BMS. Cymryd pedwar pecyn batri wedi'u dewis o gerbydau trydan sydd ar gael yn fasnachol fel enghraifft i'w hesbonio. Yn dilyn hynny, trafodwyd yr agweddau gweithredu ar fesur y newidynnau ffisegol gofynnol (foltedd, cerrynt, tymheredd, ac ati), yn ogystal â materion cydbwyso a strategaethau. Yn olaf, trafodwyd ystyriaethau diogelwch ac agweddau dibynadwyedd.
1. Rhagymadrodd
Mae cymhlethdod systemau rheoli batri (BMS) yn dibynnu ar y cais. Gellir mesur batri sengl, mor syml â ffôn symudol neu ddarllenydd e-lyfr, gyda "metr batri" IC syml, a all fesur foltedd, tymheredd, a chyfredol ac amcangyfrif y cyflwr tâl (SOC). Mor gymhleth â cherbydau trydan, mae angen i BMS gwblhau tasgau mwy cymhleth. Yn ogystal â mesur paramedrau sylfaenol megis foltedd batri, tymheredd, a cherrynt, mae angen algorithmau uwch hefyd i bennu'r ynni sydd ar gael ar gyfer cyfrifo'r amrediad mordeithio.
Mae'r gwaith hwn yn canolbwyntio ar agwedd caledwedd systemau rheoli batri lithiwm-ion. Mae Rhan 2 yn cyflwyno'r gofynion caledwedd ar gyfer BMS, gan gynnwys gwerthoedd mesur, ymyrraeth electromagnetig, ynysu trydanol, contractwyr, a diswyddiad. Mae Adran 3 yn rhoi trosolwg o dopoleg BMS, yn egluro'r gwahaniaethau rhwng cymwysiadau syml a chymhleth, ac yn rhoi enghraifft o becyn batri cerbydau trydan. Mae Adran 4 yn esbonio sut i fodloni gofynion mesur gwerth ffisegol a pheryglon cyffredin. Mae Adran 5 yn trafod cydbwysedd, yn cyflwyno ac yn cymharu dulliau o gydbwyso taliadau. Mae Adran 6 yn canolbwyntio ar ddiogelwch a dibynadwyedd, gan gynnwys risgiau a gwrthfesurau gweithredu pecynnau batri foltedd uchel, ac mae'n cyflwyno'n fyr ddulliau mesur inswleiddio a safonau cysylltiedig.
2. Gofynion dylunio ar gyfer System Rheoli Batri (BMS)
Mae dylunio BMS yn dasg gymhleth sy'n gofyn am ystyried gofynion cymhwysiad penodol, amgylchedd y system, a nodweddion y batris a ddefnyddir, y gellir deillio cyfres o ofynion system ohonynt. Yn gyffredinol, mae'r cydrannau BMS a'r gofynion swyddogaethol canlynol fel arfer yn berthnasol:
Casgliad tymheredd
Dewis a lleoli synhwyrydd:Mae casglu tymheredd cywir yn anodd wrth ddylunio BMS, ac mae angen ystyried y math o synhwyrydd (digidol neu analog) a'r lleoliad ar gyfer mesur tymheredd pecyn batri, sy'n pennu nifer y synwyryddion tymheredd batri. Weithiau mae angen casglu tymheredd cysylltwyr, ffiwsiau neu fariau bysiau. Fel arfer, mae cyfran benodol o sianeli rhwng synwyryddion tymheredd a synwyryddion foltedd.
Gofynion tymheredd ar gyfer gwahanol senarios cais:Mae angen i ofynion tymheredd ystyried tair sefyllfa: codi tâl, gollwng a storio, tra hefyd yn rhoi sylw i'r cysonyn amser thermol. Ni all batris ïon lithiwm weithredu'n iawn y tu allan i ystod tymheredd penodol, a gall platio lithiwm ddigwydd ar gyfraddau cyfredol uchel o fewn yr ystod tymheredd arferol. Felly, mae angen casglu tymheredd, foltedd a cherrynt yn gywir. Mae cynhwysedd thermol a dargludedd thermol batris yn cael eu heffeithio gan ffactorau fel strwythur batri, a gall gosod synwyryddion tymheredd yn amhriodol arwain at gamddarllen a mannau dall thermol.
Caffael foltedd
Sianel caffael a chywirdeb:Mae BMS clasurol sy'n seiliedig ar batris lithiwm-ion yn gofyn am o leiaf un sianel caffael foltedd ar gyfer pob batri cysylltiedig cyfres, ac mae gan rai cymwysiadau modurol amddiffyniad eilaidd hefyd (a gyflawnir trwy gymharydd ffenestr rhaglenadwy). Mae cyfradd trosi data caffael foltedd yn amrywio yn dibynnu ar y cais, ac mae gan sglodion pen blaen BMS a ddefnyddir yn gyffredin gywirdeb a datrysiad foltedd penodol.
Yr effaith ar amcangyfrif SOC:Gan gymryd batris NMC a LFP fel enghreifftiau, dangosir bod cywirdeb caffael foltedd yn cael effaith sylweddol ar amcangyfrif SOC. Po uchaf yw'r cywirdeb, y mwyaf cywir yw'r amcangyfrif SOC, ac efallai na fydd defnyddio data foltedd yn unig i bennu SOC yn ddigon.
Ffigur 1. Mae cymhariaeth ansicrwydd SOC yn dibynnu ar gywirdeb foltedd ± 1 mV.
Casgliad presennol
Dull casglu a nodweddion synhwyrydd:Gellir pennu SOC nid yn unig trwy fesur foltedd cylched agored (OCV), ond hefyd trwy ddefnyddio dull cyfrif Coulomb (mesur cerrynt ac integreiddio). Fodd bynnag, nid oes gan synwyryddion cyfredol nodweddion delfrydol megis drifft, gwrthbwyso a gwallau tymheredd, ac efallai y bydd angen iddynt fodloni gwahanol ofynion ystod mesur ar yr un pryd a bod â lled band penodol.
Mewn cymwysiadau ymarferol, mae dibynnu'n llwyr ar gyfrif Coulomb i bennu SOC yn anghywir, yn enwedig o dan amodau presennol isel. I ddatrys y broblem hon, mae'n bosibl cyfuno algorithmau a modelau paramedr i brosesu data cyfredol, ond mae hyn y tu hwnt i gwmpas yr erthygl hon.
Gofynion cyfathrebu
Cyfathrebu o fewn y system:Mae angen i BMS gyfathrebu â'r system gyfan (fel electroneg pŵer, rheoli ynni, neu unedau rheoli cerbydau), gan ystyried ffactorau megis dull cyfathrebu, cyflymder, cadernid a dibynadwyedd. Er enghraifft, efallai y bydd angen darparu rhyngwynebau CAN mewn cerbydau ar gyfer cyfathrebu system, ac efallai bod gwahanol gymwysiadau eisoes wedi pennu gofynion cyfathrebu ar lefel y system, y mae angen i BMS addasu iddynt.
Cyfathrebu rhwng modiwlau:Ar gyfer systemau modiwlaidd, mae angen diffinio'r dull cyfathrebu rhwng modiwlau meistr a chaethweision, sy'n debyg i'r gofynion sylfaenol ar gyfer cyfathrebu rhwng systemau. Ceir enghreifftiau penodol yn y penodau dilynol.
Ymyrraeth electromagnetig (EMI) amddiffyn
Effaith EMI ar synwyryddion:Gall EMI effeithio ar gasglu data synwyryddion, ac mae pob synhwyrydd yn agored i'w ddylanwad, a all arwain at afluniad bach neu ddiffyg defnydd llwyr o ddata.
Mesurau i leihau effaith EMI:Er mwyn lleihau'r effaith, dylai moduron, cydrannau electronig pŵer, a llwythi eraill fod â dyluniad EMI da, a gellir defnyddio dyfeisiau hidlo EMI priodol fel tagu modd cyffredin a chynwysorau blocio, a'u gosod ger llwybr mesur y synhwyrydd.
Gofynion yn ymwneud â chysylltwyr
Swyddogaeth a gofynion cysylltwyr:Mae'r rhan fwyaf o becynnau batri yn gofyn am y gallu i ddatgysylltu o leiaf un electrod yn drydanol, sy'n gofyn am gysylltydd addas. Oherwydd natur arbennig ymyrraeth gyfredol DC a diffodd arc, mae angen i gontractwyr fod â dyfeisiau diffodd arc magnetig a dylent osgoi weldio cyswllt.
Mesurau gweithredu diogelwch:Er mwyn sicrhau diogelwch, mae angen cylched arbennig (fel uned cyn codi tâl sy'n cynnwys cysylltydd a gwrthydd cysylltiedig â chyfres) yn ystod gweithrediad y switsh contactor i sicrhau nad oes gwahaniaeth posibl rhwng y ddau ben ac osgoi sefyllfaoedd peryglus.
Gofynion diswyddo
Rôl diswyddiadau mewn dibynadwyedd system:Yn ôl safon ISO 26262, gall dileu swydd wella dibynadwyedd system. Mae foltedd y batri fel arfer yn cael ei arsylwi'n ddiangen i raddau, gyda dau ddull: mesur manwl gywir gan y prif sglodion a gwybodaeth ddeuaidd a ddarperir gan y sglodion ategol.
Cysyniad dileu swydd lefel uwch:Mae cysyniadau diswyddo hefyd yn bodoli mewn prosesu lefel uwch, megis camu clo, cywiro gwallau cof, a mecanweithiau hunan-brawf mewn CPUs arbennig.
Gofynion ynysu trydanol
Ynysu pecyn batri:Mae'r pecyn batri fel arfer wedi'i rannu'n rannau foltedd uchel a foltedd isel, sy'n gofyn am ynysu trydanol a gellir ei gyflawni trwy ddulliau optegol, anwythol neu gapacitive.
Ynysu synhwyrydd thermol:Mae angen ynysu pob synhwyrydd thermol hefyd yn drydanol er mwyn osgoi diffygion foltedd uchel sy'n effeithio ar rannau foltedd isel, yn debyg i'r cysyniad o osodiad rhwydwaith TG dosbarthu pŵer.
Gofynion cydbwysedd
Effaith anghydbwysedd tâl:Efallai y bydd anghydbwysedd tâl rhwng batris cysylltiedig â chyfres, a all effeithio ar berfformiad a dibynadwyedd y system, ac yn gyffredinol mae'n ofynnol ei gadw ar lefel isel.
Ystyriaethau cais arbennig:Efallai y bydd gan wahanol geisiadau ystyriaethau arbennig, megis cyfyngiadau pwysau neu ofynion codi tâl cyfredol, a allai arwain at gynhyrchu cerrynt cydbwyso. Bydd Adran 5 yn cyflwyno ymhellach yr angenrheidrwydd a'r dulliau gweithredu o gydbwyso.
Gofynion eraill
Gofynion sy'n ymwneud â'r cais:Efallai y bydd gan y cais rai gofynion eraill hefyd, megis gofod, cost, cryfder mecanyddol caledwedd, pwysau, a defnydd pŵer, nad ydynt yn ffocws i'r erthygl hon ond y mae angen eu hystyried.
3. Strwythur topoleg BMS
Trosolwg o strwythur system batri:Er mwyn bodloni manylebau trydanol y system, yn aml mae angen cyfuno batris yn becynnau batri gyda thopolegau cysylltiad lluosog. Gall cysylltiad cyfres gyflawni ystod foltedd penodol a lleihau cerrynt; Gall cysylltiad cyfochrog gynyddu gallu. Mae yna wahanol amrywiadau mewn cymwysiadau ymarferol, megis cysylltiad cyfochrog batris gallu bach i fodiwlau a chysylltiad cyfres, neu ddefnydd uniongyrchol o fatris gallu mawr mewn cysylltiad cyfres. Mae topolegau gwahanol yn cael effeithiau gwahanol ar gymhlethdod BMS, megis y gost gynyddol o fonitro a chydbwyso pan fydd batris cyfres lluosog wedi'u cysylltu ochr yn ochr.
Ffigur 2. Diagram sgematig o dopolegau gwahanol becynnau batri: (a) cell sengl; (b) Cysylltiad cyfochrog dau fatris; (c) Cysylltiad cyfres o dri batris; (d) Cysylltiad cyfochrog dau batris cyfres a thair cyfres; (d) Cysylltiad cyfres o dri modiwl sy'n cynnwys dau fatris paralel.
Tabl 1. Dangosir nodweddion amrywiadau topolegol yn Ffigur 2.
Rhowch enghraifft i ddangos y dull cysylltiad batri a gofynion sianel mesur foltedd: er enghraifft, mae'r cyfuniad o fatris cysylltiedig cyfres m a n batris cysylltiedig cyfochrog yn gofyn am niferoedd gwahanol o sianeli mesur foltedd ar gyfer gwahanol ddulliau cysylltu.
Trafodaeth achos arbennig:Mewn rhai cymwysiadau arbennig (fel chwiliedydd Mars a Rosetta yr Asiantaeth Ofod Ewropeaidd), efallai na fydd monitro a chydbwyso celloedd sengl yn cael eu perfformio oherwydd ffactorau megis maint, pwysau a defnydd pŵer. Er bod rhai safbwyntiau'n awgrymu y gall dewis batris yn ofalus o'r un swp hepgor monitro, mae ymchwil wedi dangos y gall hyd yn oed batris o'r un swp fod ag ymddygiadau heneiddio gwahanol, a gallai hepgor monitro achosi risgiau. Fodd bynnag, ar gyfer systemau bach a folteddau batri o fewn ystod benodol, gall effaith hepgor monitro fod yn gymharol fach.
Cylchred Integredig (IC).
IC gyda swyddogaeth fonitro sylfaenol:Er mwyn cyflawni swyddogaeth fonitro sylfaenol gweithrediad diogel batri, mae gweithgynhyrchwyr lled-ddargludyddion yn darparu amrywiol gylchedau integredig sy'n benodol i gymwysiadau (ASICs). Ar gyfer dyfeisiau electronig bach gyda chelloedd sengl, mae IC "mesurydd tanwydd" a all fonitro foltedd, cerrynt a thymheredd, amcangyfrif SOC, a gall hefyd gynnwys swyddogaethau megis rheolyddion codi tâl. Er enghraifft, "bq27220" TI ac ICs cysylltiedig Maxim.
IC ar gyfer systemau pŵer uchel a galw am ynni
Modiwleiddio a Dyrannu Swyddogaeth:Ar gyfer cymwysiadau â gofynion pŵer a / neu ynni uchel, mae pecyn batri yn cynnwys batris lluosog, a gall yr IC perthnasol fonitro batris lluosog ar yr un pryd a darparu ymarferoldeb cydbwyso. Mae modiwl canolog (BMS Master) yn y system sy'n gyfrifol am swyddogaethau cymhleth megis amcangyfrif SOC ac algorithmau rhagfynegi pŵer; Mae'r modiwl IC pen blaen (Caethweision BMS) yn gyfrifol am swyddogaethau sylfaenol megis caffael signal a hidlo.
Ffigur 3. Strwythur BMS nodweddiadol ar gyfer ceisiadau cerbydau trydan.
Gwahanol enghreifftiau IC a dulliau cydbwyso:Er enghraifft, mae bq76PL536A, MAX11068, a LT6802G-2 TI yn darparu cydbwyso goddefol, tra gellir defnyddio AS8506C AMS ar gyfer topoleg cydbwyso goddefol a hefyd yn darparu gallu cydbwyso gweithredol. Mae gan rai ICs gynhyrchion olynol, ac i wella dibynadwyedd monitro foltedd, gellir defnyddio ICs amddiffyn eilaidd. Er y gall BMS segur wella dibynadwyedd, mae'r gost yn uchel.
Cyfathrebu a throsglwyddo data
Dull cysylltu IC pen blaen:Fel arfer gellir cysylltu IC pen blaen trwy gadwyn llygad y dydd, ac mae gan wahanol ICs wahanol ddulliau rhyngwyneb. Mae MAX11068 wedi'i gysylltu trwy'r porthladd I2C, mae bq76PL536A TI yn darparu rhyngwynebau lluosog, ac mae LT6802G-2 wedi'i gysylltu trwy'r bws SPI (sy'n gofyn am ynysydd digidol ychwanegol).
Dull cyfathrebu system:Yn y system, defnyddir microreolyddion cost isel fel arfer i gysylltu ICs ar yr un PCB, ac mae modiwlau ar brif fodiwlau PCBs a BMS eraill wedi'u cysylltu trwy fieldbus (fel CAN).
Achos gwirioneddol
Mitsubishi i-MiEV:Mae'r batri yn cynnwys modiwlau lluosog wedi'u cysylltu gan sgriwiau, gyda 88 o fatris prismatig. Mae'r PCB ar y modiwl yn cynnwys monitro ICs a synwyryddion tymheredd, ac mae'r tai pecyn batri yn cynnwys cydrannau lluosog. Mae prif fodiwl BMS wedi'i leoli o dan seddi cefn y cerbyd ac mae'n cyfathrebu trwy fws CAN mewnol. O'i gymharu â batris eraill, mae ei ofod mewnol yn fwy eang, a all fod yn sgîl-effaith oeri aer.
Ffigur 4. (a) Pecyn batri Mitsubishi i-MiEV; (b) Pecyn batri Volkswagen e-Up; (c) Pecyn batri dau yrru trydan clyfar. Nodyn: Mae'r dulliau graddio yn wahanol.
Ffigur 5. (a) Golygfa uchaf o fodiwl batri Model S Tesla; (b) Modiwl batri Volkswagen e-Up, modiwl 6s2p, golygfa uchaf.
Argraffiad Smart Fortwo Electric:Mae'r batri yn cynnwys 90 o fatris cwdyn cysylltiedig cyfres, gyda system oeri, ac mae tasgau monitro sylfaenol yn cael eu cwblhau gan IC TI, sy'n debyg i bq76PL536A. Mae pob PCB yn cynnwys IC monitro lluosog a microreolyddion, ac mae'r prif fodiwl BMS wedi'i leoli y tu mewn i'r achos batri, gydag integreiddio uchel ac ychydig o geblau.
Volkswagen e-Up:Mae'r batri yn cynnwys modiwlau cyfres lluosog, dim system oeri na dyfais datgysylltu gwasanaeth, modiwl BMS canolog, wedi'i gysylltu â'r batri a mesur IC (MAX11068) trwy nifer fawr o linellau mesur foltedd, gyda nifer fawr o wrthyddion cytbwys a microreolydd heb ei drawsnewid. signalau.
Model S Tesla:Mae'r batri yn cynnwys nifer fawr o 18650 o fatris, wedi'u rhannu'n fodiwlau lluosog, wedi'u cysylltu trwy wifrau bond. Mae'r BMS yn cael ei fonitro gan ddefnyddio bq76PL536A-Q1 TI a mesurir y foltedd trwy wifrau weldio. O'i gymharu â batris eraill, mae ei lefel integreiddio yn wahanol, megis lefel integreiddio isel Volkswagen e-Up a lefel integreiddio uchel Smart Fortwo.
4. Trosolwg o dechnoleg mesur system batri HV
Pwysigrwydd technoleg mesur:Mae technoleg mesur yn elfen allweddol o systemau rheoli batri, a all bennu newidynnau cyflwr megis SOC, SOH, SOF, ac ati Fel arfer mae'n mesur newidynnau megis foltedd batri, cyfanswm foltedd, cyfanswm cyfredol, a thymheredd systemau batri. Gall y newidynnau cyflwr hyn amddiffyn y system batri rhag difrod fel gor-wefru neu or-ollwng, a gwneud y gorau o'r defnydd o'r system batri.
Gofynion synhwyrydd:Pennu gofynion nodweddiadol ar gyfer synwyryddion yn seiliedig ar gymwysiadau storio batri, gan gynnwys cost, lled band, cywirdeb, ystod mesur, a maint, fel y nodir yn Adran 2.
Mesur cyfredol
Dosbarthiad dull mesur:Rhennir offer casglu cyfredol yn ddwy dechnoleg synhwyrydd sylfaenol: cysylltiad trydanol ac ynysu. Mae'r synhwyro cerrynt gwrthydd siyntio a ddefnyddir yn gyffredin yn perthyn i'r math o gysylltiad trydanol, ac mae synhwyrydd y Neuadd yn enghraifft o fath ynysu.
Yn ogystal â thechnoleg synhwyrydd, mae angen ystyried y sefyllfa yn y pecyn batri hefyd. Ar gyfer systemau batri sy'n cynnwys sawl llinyn y gellir eu newid, dylai fod gan bob llinyn ddyfais fonitro gyfredol i olrhain anghydbwysedd pŵer.
Mesur ymwrthedd siynt
Egwyddor a nodweddion mesur:Trwy gyfuno ymwrthedd isel, ymwrthedd manwl uchel, a system mesur foltedd manwl uchel, caiff y cerrynt ei fesur. Mae'r gwrthiant wedi'i leoli ar y llwybr presennol, ac mae colled pŵer a chynnydd tymheredd yn digwydd pan fydd y cerrynt yn mynd trwodd. Wrth ddewis gwrthydd, mae angen cydbwyso'r golled a'r angen i gynhyrchu gostyngiad foltedd addas. Wrth fesur yn fanwl gywir, dylid hefyd ystyried cyfernod tymheredd a sefydlogrwydd hirdymor y gwrthydd.
Gellir defnyddio'r dull hwn i fesur cerrynt DC ac AC, ac mae ganddo fanteision symlrwydd, llinoledd, a lled band uchel. Fodd bynnag, mae'r ystod fesur wedi'i gyfyngu gan gywirdeb mesur foltedd.
Cymhariaeth o fesuriadau ochr isel ac ochr uchel
Mae mesuriad ochr isel yn cyfeirio at y gwrthydd sydd wedi'i leoli rhwng terfynell bositif y batri a'r llwyth. Ei fantais yw bod y foltedd mewnbwn modd cyffredin yn isel, a gellir defnyddio nifer fawr o fwyhaduron synnwyr cyfredol. Mae'r gylched yn syml ac yn gost-effeithiol, ond bydd yn ymyrryd â'r llwybr daear ac ni all ganfod ffordd osgoi cerrynt llwyth uchel.
Mae mesuriad ochr uchel yn cyfeirio at leoli'r gwrthydd rhwng y llwyth a pholyn negyddol neu ddaear y batri. Ei fantais yw y gall osgoi ymyrraeth llwybr daear a chanfod cylchedau byr, ond mae angen trosi allbwn y mwyhadur yn lefel ac mae'n ei gwneud yn ofynnol i'r mwyhadur wrthsefyll foltedd modd cyffredin uchel.
Cysylltwch â llai o synwyryddion cerrynt (synwyryddion Neuadd, ac ati)
Egwyddor a manteision mesur:Defnyddio'r maes magnetig a gynhyrchir gan gerrynt ar gyfer mesur, megis synwyryddion Neuadd yn seiliedig ar effaith Neuadd, heb gynyddu ymwrthedd llwybr presennol, heb golledion dargludol ychwanegol, gyda manteision ynysu trydanol, a heb yr angen am optocouplers ychwanegol neu ynysyddion digidol ar gyfer cyflyru signal.
Gellir prynu synwyryddion neuadd fel cylchedau integredig, eu gosod ar y llwybr presennol, ac mae angen hidlo eu hallbwn. Mae yna hefyd fodiwlau cyflawn ar gael i'w defnyddio, sy'n cynnwys modrwyau ferrite sy'n cynnwys synwyryddion Hall a gallant ddarparu ynysu trydanol.
Nodweddion a chyfyngiadau synhwyrydd:Y prif anfantais yw lled band cyfyngedig, fel arfer heb fod yn fwy na degau o kHz, a drifft tymheredd yn y signal allbwn y mae angen gwneud iawn amdano. Os oes angen lled band uwch ar y system batri, dylid defnyddio mesur gwrthiant siyntio, ac mae synwyryddion Neuadd yn ddrud ac yn swmpus.
Mesur foltedd
Gwahaniaethu mesuriad foltedd pecyn batri:Mewn pecynnau batri lithiwm-ion, mae angen gwahaniaethu rhwng mesur foltedd pob batri a chyfanswm foltedd y pecyn batri. Mae ystodau foltedd y ddau yn wahanol, a dylai swm yr holl folteddau batri fod yn gyfartal â chyfanswm y foltedd, y gellir ei ddefnyddio fel maen prawf ar gyfer dyfarniad rhesymoldeb.
Mesur foltedd batri:fel arfer wedi'i gwblhau gan sglodyn pen blaen integredig BMS. Mae nifer y batris y gellir eu cysylltu â sglodion ar y farchnad yn amrywio, a gellir gwella diswyddiad a dibynadwyedd system hefyd trwy ICs goruchwylio eilaidd.
Mesur foltedd pecyn batri:wedi'i gwblhau gan uned fesur ar wahân, gan gynnwys rhannwr foltedd, trawsnewidydd rhwystriant, hidlydd, a thrawsnewidydd analog-i-ddigidol (ADC). Defnyddir y rhannwr foltedd i leihau foltedd y pecyn batri i ystod briodol, a all fod angen gwrthyddion lluosog i sicrhau diogelwch, yn ogystal â diode Zener i amddiffyn y gylched ddilynol. Ar yr un pryd, defnyddir trawsnewidyddion rhwystriant, hidlwyr ac ADCs i gael y foltedd mesuredig.
Mesur tymheredd
Mathau ac egwyddorion cyffredin synwyryddion tymheredd:Mae synwyryddion tymheredd cyffredin yn cynnwys mathau o gyfernod tymheredd negyddol (NTC) a chyfernod tymheredd positif (PTC), sy'n mesur tymheredd trwy fesur y gostyngiad foltedd o dan gerrynt cyson. Mae eu gwrthiant yn amrywio gyda thymheredd a gellir ei ddefnyddio o fewn ystod tymheredd penodol, ond mae yna faterion aflinol.
Problemau ac atebion wrth ddefnyddio synwyryddion:Oherwydd aflinolrwydd, mae angen tabl chwilio yn y gadwyn brosesu ddigidol i galibradu cyfrifiadau tymheredd. Mae yna hefyd rai synwyryddion sy'n defnyddio rhyngwynebau digidol sy'n fwy cyfleus i'w defnyddio, ond dylid nodi materion EMI wrth eu gosod ger llwybrau pŵer uchel mewn pecynnau batri. Gall dulliau mesur eraill fel PTC metel a thermocouple ddarparu cywirdeb uwch ac ystod tymheredd ehangach, ond gyda chymhlethdod electronig uwch.
Trosglwyddo data
Nodweddion a senarios cymhwyso gwahanol fysiau cyfathrebu:mae angen cyfathrebu rhwng modiwlau BMS a rhwng BMS a'r system gyfan. Defnyddir bws CAN yn gyffredin mewn amgylcheddau cerbydau, gyda hyblygrwydd a gwrthsefyll sŵn; Mae bws LIN yn gymharol syml ond yn araf mewn cyflymder, mae ganddo hyblygrwydd gwael, ac nid yw'n wahaniaethol, gan ei wneud yn addas ar gyfer senarios â gofynion cost uchel; Nid yw rhyngwynebau cyfathrebu amrediad byr eraill fel SPI, I2C, a bws OneWire yn addas ar gyfer cyfathrebu modiwl pellter hir, sy'n dueddol o ymyrryd â modiwl; Os yw cyflymder bws CAN yn annigonol neu os oes angen gallu penderfynol amser real, gellir defnyddio bws FlexRay neu Ethernet.
5. cydbwysedd batri
Y rheswm am y gwahaniaeth mewn batri SOC:Mewn batris cysylltiedig cyfres, gall gwahaniaethau cynhyrchu a gwahanol amodau gweithredu ac amgylcheddol (fel tymheredd) arwain at anwastadrwydd rhwng y batris. Gall y ffactorau hyn achosi gwahanol amodau cychwynnol, heneiddio, a chyfraddau hunan-ryddhau, gan arwain at wyriadau mewn SOC, gallu a gwerthoedd gwrthiant. Mae'r adran hon yn canolbwyntio'n bennaf ar y gwahaniaethau mewn SOC a chynhwysedd, ac nid yw'n cynnwys gwahaniaethau mewn gwrthiant mewnol- Mae ymchwil wedi dangos y bydd hyd yn oed batris gyda'r un capasiti a llwyth cychwynnol yn profi gwahaniaethau mewn cynhwysedd ar ôl eu defnyddio. Er enghraifft, mae gan 18650 o fatris gyda'r un gallu cychwynnol, gyda chynhwysedd sy'n weddill o 80% fel y safon diwedd oes, fywyd beicio rhwng 1000-1500 gwaith. Ar yr un pryd, mae gwahaniaethau yn y gyfradd hunan-ollwng o wahanol fatris, megis batris pecyn meddal masnachol sy'n cael eu storio ar 40 gradd C, lle mae'r ymwrthedd hunan-ollwng yn amrywio rhwng 10k Ω a 14k Ω.
Ffigur 6. (a) Rhesymau dros gelloedd batri anghytbwys, niferoedd yn seiliedig ar [57]; (b) Mae dosbarthiad gwahanol ddulliau ecwilibriwm yn cyfeirio at gyfeiriad trosglwyddo egni fel enw'r dull anwahanadwy a ddangosir.
Yr angen am gydbwysedd:Gall gwahaniaethau mewn SOC, cynhwysedd, a gwrthiant mewnol arwain at ostyngiad yn yr egni sydd ar gael yn y pecyn batri, y gellir ei ddatrys trwy gylched cydbwysedd.
Trosolwg o Ddulliau Cydbwysedd
Gweithredu caledwedd:Mae'r llenyddiaeth yn disgrifio amrywiol ddulliau gweithredu caledwedd ar gyfer cydbwyso cylchedau, y gellir eu dosbarthu i wahanol strwythurau topoleg, dulliau rheoli (fel gweithredol / goddefol), neu argaeledd masnachol.
Dulliau cydbwyso mewn cymwysiadau masnachol:Mae'r rhan fwyaf o becynnau batri masnachol yn defnyddio systemau cydbwyso goddefol rheoledig, a gyflawnir gan wrthyddion cydbwyso cyfochrog ar ddau ben y batri. Gall y dull hwn ddatrys problem amrywiad SOC yn unig, gyda cherrynt cydbwysedd bach (tua 100 mA) a dim newid mewn cynhwysedd batri, a allai gael ei gyfyngu gan afradu ynni BMS neu'r diamedr cebl rhwng y batri a'r gylched fonitro. Mae gan bob batri neu gyfuniad paralel batri wrthydd cydbwyso switchable gyda gwerth gwrthiant rhwng 30 Ω -40 Ω (gan dybio foltedd batri o 4.2V), ac mae pob batri yn defnyddio pŵer rhwng 387 mW -430 mW.
Dulliau ar gyfer datrys problemau capasiti gwahanol:Er mwyn datrys problemau capasiti gwahanol, mae angen dulliau mwy cymhleth i ailddosbarthu ynni rhwng batris gan ddefnyddio electroneg pŵer. Fodd bynnag, mae'r dulliau hyn yn gofyn am algorithmau rheoli cymhleth ac anwythyddion drud. Er bod cynhyrchion BMS IC cysylltiedig, ni chawsant eu defnyddio'n eang mewn pecynnau batri modurol masnachol.
6. Diogelwch ad dibynadwyedd
Nod cyffredinol lleihau risg:Un o brif amcanion BMS yw lleihau'r risgiau sy'n gysylltiedig â gweithredu batris lithiwm-ion mewn pecynnau batri.
Ffigur 7. Model cylched cyfatebol o ben blaen caffael foltedd batri, sy'n dangos y gellir canfod diffygion llinell synhwyro.
Mesurau diogelwch penodol
Diogelwch foltedd uchel:Sicrheir diogelwch foltedd uchel y pecyn batri trwy fonitro inswleiddio a chylchedau cyd-gloi, a all leihau'r risg o arcing a achosir gan lygredd neu anwedd. Ar yr un pryd, dylai dyluniad caledwedd BMS ddilyn safonau perthnasol i sicrhau pellter creepage a chliriad trydanol y PCB a'r cysylltwyr.
Ynysu trydanol:Er mwyn sicrhau ynysu trydanol o foltedd batri uchel ar ryngwynebau ag unedau rheoli eraill neu ffynonellau pŵer ategol, gellir defnyddio offer ynysu sy'n bodloni'r safon "ynysu gwell". Defnyddir optocouplers traddodiadol, ond erbyn hyn mae gan "ynysu digidol" berfformiad IC gwell.
Mesurau atal tân:Rhowch synwyryddion tymheredd y tu mewn i'r pecyn batri ac ymateb i dymereddau critigol. Gellir defnyddio dulliau canfod llai o dymheredd synhwyrydd (fel sbectrosgopeg rhwystriant electrocemegol) a dulliau mesur tymheredd newydd hefyd i leihau'r risg o dân.
Cysylltydd a ffiws:Defnyddiwch gysylltydd i ddatgysylltu'r pecyn batri o'r system, tra'n cydgysylltu â ffiws. Ystyriwch nodweddion gweithredol y ddau ac effaith cynhwysedd parasitig ac anwythiad o fewn y pecyn batri ar ddewis ffiwsiau.
Diogelwch mewnol batris:Dylai BMS sicrhau bod y batri yn cael ei godi o fewn yr ystod tymheredd penodedig, gan osgoi platio lithiwm tymheredd isel a rhyddhau dwfn cyn gweithredu. Ar yr un pryd, gellir defnyddio algorithmau diagnostig i ganfod cylchedau byr mewnol.
Ffigur 8. Mesur inswleiddio: (a) Inswleiddiad mewn cysylltiadau TG; (b) Diagram sgematig o fesuriad inswleiddio.
Materion dylunio caledwedd BMS
Canfod namau synhwyrydd:Gyda chymhlethdod cynyddol gweithredu caledwedd a meddalwedd BMS, mae'r tebygolrwydd o wallau meddalwedd a methiannau synhwyrydd yn cynyddu. Er enghraifft, nid yw diffygion cebl mewn canfod foltedd batri yn hawdd eu canfod trwy fesur foltedd yn unig, ond gellir eu canfod trwy systemau cydbwyso batri neu gylchedau ffynhonnell gyfredol.
Gwiriad dilysrwydd synhwyrydd:Gellir canfod diffygion eraill megis diffygion synhwyrydd trwy algorithmau diagnostig, a gellir gwirio dilysrwydd signalau synhwyrydd gan ddefnyddio ymddygiad trydanol batri.
Mesur inswleiddio
Pwysigrwydd a strwythur system mesur inswleiddio:Mae'r system foltedd uchel o gerbydau trydan neu rannol drydan fel arfer yn cael ei hadeiladu fel rhwydwaith TG ac mae angen canfod y nam cyntaf. Wrth fesur ymwrthedd inswleiddio, mae angen ystyried nodweddion cynhwysedd a gwrthiant y system, oherwydd gall cynhwysedd ymyrryd â'r mesuriad.
Dulliau mesur cyffredin:Mae dulliau cyffredin yn cynnwys mesur cerrynt modd cyffredin gan ddefnyddio coil dolen a chyfrifo ymwrthedd inswleiddio trwy newid y potensial rhwng y system a'r siasi trwy switshis a gwrthyddion. Cyflwynir dulliau symlach neu fwy cymhleth eraill hefyd.
Safonau mesur inswleiddio:Mae gan fesur inswleiddio fanylebau safonol perthnasol ar gyfer dulliau mesur a gofynion gwrthiant inswleiddio lleiaf. Mae gan wahanol safonau wahaniaethau mewn dulliau mesur, gwerthoedd gwrthiant, ac amser mesur.
7. Crynodeb
Gofynion cyffredinol ac ystyriaethau dylunio:Mae'r erthygl hon yn cyflwyno cysyniadau cyffredin o galedwedd BMS, gan ddechrau o ofynion cyffredinol a darparu ystyriaethau gweithredu. Dylai'r broses ddylunio gynnwys cymaint o baramedrau â phosib, ond dylid gosod y gofynion yn unol ag anghenion y ddyfais darged. Mae gofynion gwahanol geisiadau yn amrywio'n fawr, ac mae'r gofynion hyn yn fan cychwyn da ar gyfer ystyriaethau dylunio pecyn batri.
Topoleg BMS:Mae strwythur y system batri yn effeithio ar dopoleg BMS, ac mae rhai cymwysiadau'n defnyddio dulliau monitro arbennig i leihau pwysau neu gymhlethdod, megis y pedwar batris cerbydau trydan masnachol o'u cymharu yn Adran 3.3, sydd â rhai pethau cyffredin oherwydd eu cymwysiadau tebyg (fel defnyddio cyfathrebu CAN ), ond yn wahanol o ran integreiddio a chyfathrebu mewnol.
Mesur gwerth corfforol:Mae Adran 4 yn rhoi cyflwyniad manwl i ddulliau casglu a throsglwyddo'r gwerthoedd ffisegol gofynnol. Mae gofynion mesur gwahanol yn gofyn am ddewis gwahanol ddulliau yn seiliedig ar gyfyngiadau ac anghenion cymhwyso.
Problem cydbwysedd:Mae Adran 5 yn disgrifio'r rhesymau a'r dulliau iawndal ar gyfer anghydbwysedd gwefr mewn batris cyfres, a chydbwysedd goddefol yw'r dull a ddefnyddir amlaf ar hyn o bryd.
Diogelwch a Dibynadwyedd:Mae Adran 6 yn rhoi trosolwg o agweddau diogelwch, gan gynnwys cydymffurfio ag ystodau gweithredu batris i sicrhau hyd oes ac amddiffyn defnyddwyr rhag peryglon foltedd uchel. Mae'n cyflwyno dulliau safonol ar gyfer monitro inswleiddio ac yn sôn am yr angen i ystyried risgiau lefel system wrth amddiffyn batris.