مفهوم سخت افزار سیستم مدیریت باتری: تجزیه و تحلیل عمیق اجزای اصلی و اصول فنی BMS

چکیده

این مقاله بر جنبه‌های سخت‌افزاری سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) در وسایل نقلیه الکتریکی و برنامه‌های ثابت تمرکز دارد. هدف، تشریح مفاهیم در سیستم های پیشرفته موجود است، تا خوانندگان بتوانند فاکتورهایی را که باید هنگام طراحی BMS برای کاربردهای خاص در نظر گرفته شوند، درک کنند. پس از تجزیه و تحلیل مختصری از الزامات عمومی، چندین ساختار توپولوژیکی احتمالی بسته‌های باتری و تأثیر آنها بر پیچیدگی BMS مورد مطالعه قرار گرفت. در نظر گرفتن چهار بسته باتری انتخاب شده از وسایل نقلیه الکتریکی تجاری موجود به عنوان مثال برای توضیح. در ادامه، جنبه‌های اجرایی اندازه‌گیری متغیرهای فیزیکی مورد نیاز (ولتاژ، جریان، دما و غیره) و همچنین مسائل و استراتژی‌های متعادل‌سازی مورد بحث قرار گرفت. در نهایت، ملاحظات ایمنی و جنبه های قابلیت اطمینان مورد بحث قرار گرفت.

1. مقدمه

پیچیدگی سیستم های مدیریت باتری (BMS) به کاربرد بستگی دارد. یک باتری منفرد، به سادگی یک تلفن همراه یا کتابخوان الکترونیکی، را می توان با یک آی سی ساده "باتری متر" اندازه گیری کرد که می تواند ولتاژ، دما و جریان را اندازه گیری کند و وضعیت شارژ (SOC) را تخمین بزند. به اندازه وسایل نقلیه الکتریکی، BMS باید وظایف پیچیده تری را انجام دهد. علاوه بر اندازه گیری پارامترهای اساسی مانند ولتاژ، دما و جریان باتری، الگوریتم های پیشرفته ای نیز برای تعیین انرژی موجود برای محاسبه برد کروز مورد نیاز است.

این کار بر جنبه سخت افزاری سیستم های مدیریت باتری لیتیوم یون تمرکز دارد. بخش 2 الزامات سخت افزاری برای BMS را معرفی می کند، از جمله مقادیر اندازه گیری، تداخل الکترومغناطیسی، جداسازی الکتریکی، کنتاکتورها، و افزونگی. بخش 3 یک نمای کلی از توپولوژی BMS را ارائه می دهد، تفاوت بین برنامه های کاربردی ساده و پیچیده را روشن می کند و نمونه ای از بسته باتری خودروی الکتریکی را ارائه می دهد. بخش 4 چگونگی برآوردن الزامات اندازه گیری ارزش فیزیکی و مشکلات رایج را توضیح می دهد. بخش 5 تعادل را مورد بحث قرار می دهد، روش های متعادل سازی شارژ را معرفی و مقایسه می کند. بخش 6 بر ایمنی و قابلیت اطمینان، از جمله خطرات و اقدامات متقابل ناشی از کارکرد بسته‌های باتری ولتاژ بالا تمرکز دارد و به طور خلاصه روش‌های اندازه‌گیری عایق و استانداردهای مرتبط را معرفی می‌کند.

2. الزامات طراحی برای سیستم مدیریت باتری (BMS)

طراحی یک BMS یک کار پیچیده است که نیازمند در نظر گرفتن الزامات کاربردی خاص، محیط سیستم و ویژگی‌های باتری‌های مورد استفاده است که می‌توان یک سری نیازهای سیستم را از آن استخراج کرد. به طور کلی، اجزای BMS و الزامات عملکردی زیر معمولاً مرتبط هستند:

جمع آوری دما

انتخاب و قرارگیری سنسور:جمع آوری دقیق دما هنگام طراحی BMS مشکل است و نوع سنسور (دیجیتال یا آنالوگ) و محل اندازه گیری دمای بسته باتری باید در نظر گرفته شود که تعداد سنسورهای دمای باتری را تعیین می کند. گاهی اوقات لازم است دمای کنتاکتورها، فیوزها یا شینه ها جمع آوری شود. معمولاً نسبت مشخصی از کانال ها بین سنسورهای دما و سنسورهای ولتاژ وجود دارد.

دمای مورد نیاز برای سناریوهای کاربردی مختلف:نیازهای دما باید سه موقعیت را در نظر بگیرند: شارژ، تخلیه و ذخیره سازی، در حالی که به ثابت زمانی حرارتی نیز توجه شود. باتری های لیتیوم یونی نمی توانند خارج از محدوده دمایی خاص به درستی کار کنند و آبکاری لیتیوم ممکن است با نرخ جریان بالا در محدوده دمای معمولی رخ دهد. بنابراین لازم است دما، ولتاژ و جریان به طور دقیق جمع آوری شود. ظرفیت حرارتی و هدایت حرارتی باتری ها تحت تأثیر عواملی مانند ساختار باتری قرار می گیرد و قرارگیری نادرست سنسورهای دما ممکن است منجر به اشتباه خواندن و نقاط کور حرارتی شود.

کسب ولتاژ

کانال کسب و دقت:BMS کلاسیک مبتنی بر باتری‌های لیتیوم یونی به حداقل یک کانال جذب ولتاژ برای هر باتری متصل به سری نیاز دارد و برخی از برنامه‌های کاربردی خودرو نیز دارای حفاظت ثانویه هستند (که از طریق مقایسه‌کننده پنجره قابل برنامه‌ریزی به دست می‌آید). نرخ تبدیل داده‌های اکتساب ولتاژ بسته به کاربرد متفاوت است و تراشه‌های جلویی BMS معمولاً دارای دقت و وضوح ولتاژ خاصی هستند.

تاثیر بر تخمین SOC:با در نظر گرفتن باتری های NMC و LFP به عنوان مثال، نشان داده شده است که دقت اکتساب ولتاژ تأثیر قابل توجهی بر تخمین SOC دارد. هرچه دقت بالاتر باشد، تخمین SOC دقیق‌تر است و استفاده از داده‌های ولتاژ برای تعیین SOC ممکن است کافی نباشد.

شکل 1. مقایسه عدم قطعیت SOC به دقت ولتاژ ± 1 میلی ولت بستگی دارد.

مجموعه فعلی

روش جمع آوری و ویژگی های سنسور:SOC را می توان نه تنها با اندازه گیری ولتاژ مدار باز (OCV)، بلکه با استفاده از روش شمارش کولن (اندازه گیری جریان و یکپارچه سازی) تعیین کرد. با این حال، سنسورهای فعلی دارای ویژگی‌های غیر ایده‌آل مانند خطاهای رانش، افست و دما هستند و ممکن است نیاز داشته باشند که به طور همزمان نیازهای محدوده اندازه‌گیری متفاوتی را برآورده کنند و پهنای باند مشخصی داشته باشند.

در کاربردهای عملی، تکیه صرف بر شمارش کولن برای تعیین SOC نادرست است، به خصوص در شرایط فعلی کم. برای حل این مشکل، ترکیب الگوریتم ها و مدل های پارامتر شده برای پردازش داده های فعلی امکان پذیر است، اما این خارج از حوصله این مقاله است.

الزامات ارتباطی

ارتباط درون سیستمی:BMS باید با کل سیستم (مانند الکترونیک قدرت، مدیریت انرژی، یا واحدهای کنترل خودرو)، با در نظر گرفتن عواملی مانند حالت ارتباط، سرعت، استحکام و قابلیت اطمینان ارتباط برقرار کند. به عنوان مثال، ممکن است نیاز باشد که رابط های CAN در وسایل نقلیه برای ارتباطات سیستمی ارائه شوند، و برنامه های مختلف ممکن است قبلاً الزامات ارتباطی را در سطح سیستم تعیین کرده باشند، که BMS باید با آنها سازگار شود.

ارتباط بین ماژول:برای سیستم های ماژولار، لازم است روش ارتباطی بین ماژول های اصلی و slave تعریف شود که مشابه الزامات اساسی برای ارتباطات بین سیستمی است. نمونه های خاص را می توان در فصل های بعدی یافت.

حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI).

تاثیر EMI بر حسگرها:EMI ممکن است بر جمع آوری داده های حسگرها تأثیر بگذارد و همه حسگرها در معرض تأثیر آن هستند که ممکن است منجر به اعوجاج جزئی یا بی فایده بودن کامل داده ها شود.

اقدامات برای کاهش تاثیر EMI:برای به حداقل رساندن ضربه، موتورها، قطعات الکترونیکی قدرت و سایر بارها باید طراحی EMI خوبی داشته باشند و می‌توان از دستگاه‌های فیلتر EMI مناسب مانند چوک‌های حالت معمولی و خازن‌های مسدودکننده استفاده کرد و در نزدیکی مسیر اندازه‌گیری سنسور نصب کرد.

الزامات مربوط به کنتاکتورها

عملکرد و الزامات کنتاکتورها:اکثر بسته های باتری به توانایی قطع برق حداقل یک الکترود نیاز دارند که به یک کنتاکتور مناسب نیاز دارد. با توجه به ماهیت خاص قطع جریان DC و خاموش کردن قوس، کنتاکتورها باید دارای دستگاه های خاموش کننده قوس مغناطیسی باشند و باید از جوشکاری تماسی خودداری کنند.

اقدامات ایمنی عملیات:برای اطمینان از ایمنی، یک مدار خاص (مانند یک واحد پیش شارژ متشکل از یک کنتاکتور و مقاومت سری متصل شده) در حین کار سوئیچ کنتاکتور مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که تفاوت پتانسیل بین دو سر وجود ندارد و از موقعیت های خطرناک جلوگیری می کند.

الزامات افزونگی

نقش افزونگی در قابلیت اطمینان سیستم:طبق استاندارد ISO 26262، افزونگی می تواند قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشد. ولتاژ باتری معمولاً تا حد معینی به صورت اضافی مشاهده می شود، با دو روش: اندازه گیری دقیق توسط تراشه اصلی و اطلاعات باینری ارائه شده توسط تراشه کمکی.

مفهوم افزونگی سطح بالاتر:مفاهیم افزونگی در پردازش های سطح بالاتر نیز وجود دارد، مانند مرحله قفل، تصحیح خطای حافظه و مکانیسم های خودآزمایی در CPU های خاص.

الزامات عایق الکتریکی

جداسازی بسته باتری:بسته باتری معمولاً به دو بخش ولتاژ بالا و ولتاژ پایین تقسیم می شود که نیاز به جداسازی الکتریکی دارند و می توان از طریق روش های نوری، القایی یا خازنی به دست آورد.

عایق سنسور حرارتی:تمام سنسورهای حرارتی نیز باید از نظر الکتریکی ایزوله شوند تا از خطاهای ولتاژ بالا که بر قطعات ولتاژ پایین تأثیر می‌گذارد، جلوگیری شود، شبیه به مفهوم طرح‌بندی شبکه فناوری اطلاعات توزیع برق.

الزامات تعادل

تاثیر عدم تعادل شارژ:ممکن است عدم تعادل شارژ بین باتری‌های متصل به سری وجود داشته باشد که می‌تواند بر عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم تأثیر بگذارد و معمولاً باید آن را در سطح پایین نگه داشت.

ملاحظات کاربردی ویژه:کاربردهای مختلف ممکن است ملاحظات خاصی مانند محدودیت وزن یا نیازهای جریان شارژ داشته باشند که ممکن است منجر به تولید جریان متعادل شود. بخش 5 ضرورت و روش های اجرای تعادل را بیشتر معرفی می کند.

سایر الزامات

الزامات مربوط به برنامه:این اپلیکیشن ممکن است نیازمندی‌های دیگری مانند فضا، هزینه، استحکام مکانیکی سخت‌افزار، وزن و مصرف برق نیز داشته باشد که در این مقاله تمرکز نمی‌شود، اما باید در نظر گرفته شوند.

3. ساختار توپولوژی BMS

نمای کلی ساختار سیستم باتری:برای برآوردن مشخصات الکتریکی سیستم، باتری ها اغلب باید در بسته های باتری با توپولوژی های اتصال متعدد ترکیب شوند. اتصال سری می تواند به محدوده ولتاژ خاصی برسد و جریان را کاهش دهد. اتصال موازی می تواند ظرفیت را افزایش دهد. انواع مختلفی در کاربردهای عملی وجود دارد، مانند اتصال موازی باتری های کم ظرفیت به ماژول ها و اتصال سری، یا استفاده مستقیم از باتری های با ظرفیت زیاد در اتصال سری. توپولوژی های مختلف تأثیرات متفاوتی بر پیچیدگی BMS دارند، مانند افزایش هزینه نظارت و تعادل زمانی که باتری های سری چندگانه به طور موازی متصل می شوند.

شکل 2. نمودار شماتیک توپولوژی های مختلف بسته باتری: (الف) تک سلولی. (ب) اتصال موازی دو باتری. ج) اتصال سری سه باتری؛ (د) اتصال موازی دو باتری سری و سه سری. (ه) یک اتصال سری از سه ماژول متشکل از دو باتری موازی.

جدول 1. مشخصات انواع توپولوژیکی در شکل 2 نشان داده شده است.

مثالی برای نشان دادن روش اتصال باتری و الزامات کانال اندازه‌گیری ولتاژ ارائه کنید: برای مثال، ترکیب باتری‌های متصل سری m و n باتری متصل موازی به تعداد کانال‌های اندازه‌گیری ولتاژ متفاوتی برای روش‌های اتصال مختلف نیاز دارد.

بحث مورد خاص:در برخی کاربردهای خاص (مانند کاوشگر مریخ آژانس فضایی اروپا و کاوشگر روزتا)، نظارت و تعادل تک سلولی ممکن است به دلیل عواملی مانند اندازه، وزن و مصرف انرژی انجام نشود. اگرچه برخی نظرات نشان می‌دهند که انتخاب دقیق باتری‌ها از یک دسته می‌تواند نظارت را حذف کند، تحقیقات نشان داده است که حتی باتری‌های همان دسته ممکن است رفتارهای پیری متفاوتی داشته باشند و حذف نظارت ممکن است خطراتی ایجاد کند. با این حال، برای سیستم‌های کوچک و ولتاژ باتری در محدوده معین، تأثیر حذف نظارت ممکن است نسبتاً کم باشد.

مدار مجتمع (IC) مرتبط

آی سی با عملکرد اصلی نظارت:برای دستیابی به عملکرد نظارتی اساسی عملکرد ایمن باتری، سازندگان نیمه هادی مدارهای مجتمع خاص برنامه های کاربردی (ASIC) را ارائه می کنند. برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک با سلول‌های تک، یک آی‌سی «سنج سنج سوخت» وجود دارد که می‌تواند ولتاژ، جریان و دما را کنترل کند، SOC را تخمین بزند، و همچنین ممکن است شامل عملکردهایی مانند تنظیم‌کننده‌های شارژ باشد. به عنوان مثال، "bq27220" TI و آی سی های مربوط به Maxim.

آی سی برای سیستم های توان و تقاضای انرژی بالا

مدولارسازی و تخصیص عملکرد:برای کاربردهایی که نیاز به توان و/یا انرژی بالا دارند، یک بسته باتری از چندین باتری تشکیل شده است و آی سی مربوطه می تواند به طور همزمان چندین باتری را نظارت کرده و عملکرد متعادل سازی را ارائه دهد. یک ماژول مرکزی (BMS Master) در سیستم وجود دارد که مسئول توابع پیچیده مانند تخمین SOC و الگوریتم‌های پیش‌بینی توان است. ماژول آی سی جلویی (BMS Slaves) وظیفه عملکردهای اساسی مانند دریافت سیگنال و فیلتر کردن را بر عهده دارد.

شکل 3. ساختار BMS معمولی برای کاربردهای وسایل نقلیه الکتریکی.

نمونه های مختلف IC و روش های متعادل سازی:به عنوان مثال، bq76PL536A، MAX11068، و LT6802G{4}} TI، تعادل غیرفعال را ارائه می دهند، در حالی که AS8506C AMS را می توان برای توپولوژی متعادل کننده غیرفعال استفاده کرد و همچنین قابلیت متعادل سازی فعال را نیز ارائه می دهد. برخی از آی سی ها دارای محصولات جانشین هستند و برای بهبود قابلیت اطمینان نظارت بر ولتاژ، می توان از آی سی های حفاظت ثانویه استفاده کرد. اگرچه BMS کاملاً اضافی می تواند قابلیت اطمینان را بهبود بخشد، هزینه آن بالا است.

ارتباطات و انتقال داده

روش اتصال آی سی جلو:آی سی های جلویی معمولاً می توانند از طریق زنجیره دیزی متصل شوند و آی سی های مختلف روش های رابط متفاوتی دارند. MAX11068 از طریق پورت I2C متصل می شود، bq76PL536A TI چندین رابط را ارائه می دهد، و LT6802G{5}} از طریق گذرگاه SPI متصل می شود (نیاز به یک جداکننده دیجیتال اضافی).

روش ارتباط سیستمی:در این سیستم معمولاً از میکروکنترلرهای ارزان قیمت برای اتصال آی سی ها روی همان PCB استفاده می شود و ماژول های روی PCB های دیگر و ماژول های اصلی BMS از طریق فیلدباس (مانند CAN) به هم متصل می شوند.

مورد واقعی

میتسوبیشی i-MiEV:این باتری از چندین ماژول تشکیل شده است که با 88 باتری منشوری به هم متصل شده اند. PCB روی ماژول شامل آی سی های مانیتورینگ و سنسورهای دما است و محفظه بسته باتری شامل چندین جزء است. ماژول اصلی BMS در زیر صندلی های عقب خودرو قرار دارد و از طریق یک اتوبوس CAN داخلی ارتباط برقرار می کند. در مقایسه با باتری های دیگر، فضای داخلی آن جادارتر است که ممکن است یکی از عوارض جانبی خنک کننده هوا باشد.

شکل 4. (الف) بسته باتری میتسوبیشی i-MiEV. (ب) بسته باتری فولکس واگن e-Up؛ (ج) بسته باتری درایو الکتریکی هوشمند fortwo. توجه: روش های مقیاس بندی متفاوت است.

شکل 5. (الف) نمای بالای ماژول باتری تسلا مدل S. (ب) ماژول باتری فولکس واگن e-Up، ماژول 6s2p، نمای بالا.

Smart Fortwo Electric Edition:این باتری از 90 باتری کیسه ای متصل به سری، با سیستم خنک کننده تشکیل شده است و وظایف نظارتی اولیه توسط آی سی TI، مشابه bq76PL536A انجام می شود. هر PCB حاوی چندین آی سی و میکروکنترلر مانیتورینگ است و ماژول اصلی BMS با یکپارچگی بالا و کابل های کمی در داخل جعبه باتری قرار دارد.

فولکس واگن e-Up:باتری شامل ماژول های سری متعدد، بدون سیستم خنک کننده یا دستگاه قطع سرویس، ماژول BMS متمرکز، متصل به باتری و آی سی اندازه گیری (MAX11068) از طریق تعداد زیادی خطوط اندازه گیری ولتاژ، با تعداد زیادی مقاومت متعادل و یک میکروکنترلر بدون تبدیل سیگنال ها

تسلا مدل اس:این باتری از تعداد زیادی باتری 18650 تشکیل شده است که به چندین ماژول تقسیم شده و از طریق سیم های باند به هم متصل شده اند. BMS با استفاده از bq76PL536A-Q1 TI نظارت می شود و ولتاژ از طریق سیم های جوش اندازه گیری می شود. در مقایسه با سایر باتری ها، سطح یکپارچگی آن متفاوت است، مانند سطح یکپارچگی پایین Volkswagen e-Up و سطح یکپارچگی بالای Smart Fortwo.

4. مروری بر فناوری اندازه گیری سیستم باتری HV

اهمیت فناوری اندازه گیری:فناوری اندازه گیری جزء کلیدی سیستم های مدیریت باتری است که می تواند متغیرهای حالت مانند SOC، SOH، SOF و غیره را تعیین کند. معمولاً متغیرهایی مانند ولتاژ باتری، ولتاژ کل، جریان کل و دمای سیستم های باتری را اندازه گیری می کند. این متغیرهای حالت می توانند از سیستم باتری در برابر آسیب هایی مانند شارژ یا تخلیه بیش از حد محافظت کنند و استفاده از سیستم باتری را بهینه کنند.

الزامات سنسور:الزامات معمولی برای حسگرها را بر اساس کاربردهای ذخیره سازی باتری، از جمله هزینه، پهنای باند، دقت، محدوده اندازه گیری و اندازه، همانطور که در بخش 2 توضیح داده شده است، تعیین کنید.

اندازه گیری جریان

طبقه بندی روش های اندازه گیری:تجهیزات جمع آوری فعلی به دو فناوری حسگر اصلی تقسیم می شوند: اتصال الکتریکی و ایزوله. سنسور جریان مقاومت شنت معمولی متعلق به نوع اتصال الکتریکی است و سنسور هال نمونه ای از نوع ایزوله است.

علاوه بر فناوری حسگر، موقعیت در بسته باتری نیز باید در نظر گرفته شود. برای سیستم های باتری حاوی چندین رشته قابل تعویض، هر رشته باید به یک دستگاه نظارت بر جریان برای ردیابی عدم تعادل نیرو مجهز باشد.

اندازه گیری مقاومت شانت

اصل و ویژگی های اندازه گیری:با ترکیب مقاومت کم، مقاومت با دقت بالا و سیستم اندازه گیری ولتاژ با دقت بالا، جریان اندازه گیری می شود. مقاومت در مسیر جریان قرار دارد و افت توان و افزایش دما هنگام عبور جریان رخ می دهد. هنگام انتخاب یک مقاومت، باید تلفات و نیاز به ایجاد افت ولتاژ مناسب را متعادل کرد. هنگام اندازه گیری با دقت بالا، ضریب دما و پایداری طولانی مدت مقاومت نیز باید در نظر گرفته شود.

از این روش می توان برای اندازه گیری جریان های DC و AC استفاده کرد و از مزایای سادگی، خطی بودن و پهنای باند بالا برخوردار است. با این حال، محدوده اندازه گیری با دقت اندازه گیری ولتاژ محدود می شود.

مقایسه اندازه‌گیری‌های ضلع پایین و ضلع بالا

اندازه گیری سمت پایین به مقاومتی اشاره دارد که بین پایانه مثبت باتری و بار قرار دارد. مزیت آن این است که ولتاژ ورودی حالت مشترک کم است و می توان از تعداد زیادی تقویت کننده حس جریان استفاده کرد. مدار ساده و مقرون به صرفه است، اما در مسیر زمین تداخل ایجاد می کند و نمی تواند عبور جریان بار بالا را تشخیص دهد.

اندازه گیری سمت بالا به مقاومتی اشاره دارد که بین بار و قطب منفی یا زمین باتری قرار دارد. مزیت آن این است که می تواند از تداخل مسیر زمین جلوگیری کند و اتصال کوتاه را تشخیص دهد، اما نیاز به تبدیل سطح خروجی تقویت کننده دارد و تقویت کننده باید در برابر ولتاژ حالت معمول بالا مقاومت کند.

تماس با سنسورهای جریان کمتر (سنسورهای هال و غیره)

اصل اندازه گیری و مزایا:استفاده از میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان برای اندازه‌گیری، مانند حسگرهای هال بر اساس اثر هال، بدون افزایش مقاومت مسیر جریان، بدون تلفات رسانایی اضافی، با مزایای جداسازی الکتریکی، و بدون نیاز به اپتوکوپلرهای اضافی یا عایق‌های دیجیتال برای تهویه سیگنال.

سنسورهای هال را می توان به صورت مدارهای مجتمع خریداری کرد و در مسیر فعلی قرار داد و خروجی آنها باید فیلتر شود. همچنین ماژول‌های کاملی برای استفاده در دسترس هستند که از حلقه‌های فریتی حاوی حسگرهای هال تشکیل شده‌اند و می‌توانند عایق الکتریکی را ایجاد کنند.

مشخصات و محدودیت های سنسور:نقطه ضعف اصلی پهنای باند محدود است که معمولاً از ده ها کیلوهرتز تجاوز نمی کند و تغییر دما در سیگنال خروجی است که باید جبران شود. اگر سیستم باتری به پهنای باند بالاتری نیاز دارد، باید از اندازه گیری مقاومت شنت استفاده کرد و سنسورهای هال گران و حجیم هستند.

اندازه گیری ولتاژ

تمایز اندازه گیری ولتاژ بسته باتری:در بسته های باتری لیتیوم یون، لازم است بین اندازه گیری ولتاژ هر باتری و ولتاژ کل بسته باتری تمایز قائل شد. محدوده ولتاژ این دو متفاوت است و مجموع تمام ولتاژهای باتری باید برابر با کل ولتاژ باشد که می تواند به عنوان معیاری برای قضاوت عقلانیت استفاده شود.

اندازه گیری ولتاژ باتری:معمولاً توسط یک تراشه جلویی یکپارچه BMS تکمیل می شود. تعداد باتری‌هایی که می‌توانند به تراشه‌های موجود در بازار متصل شوند، متفاوت است و افزونگی و قابلیت اطمینان سیستم نیز می‌تواند از طریق آی‌سی‌های نظارت ثانویه بهبود یابد.

اندازه گیری ولتاژ بسته باتری:توسط یک واحد اندازه گیری جداگانه، شامل تقسیم کننده ولتاژ، مبدل امپدانس، فیلتر و مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) تکمیل می شود. تقسیم کننده ولتاژ برای کاهش ولتاژ بسته باتری به یک محدوده مناسب استفاده می شود که ممکن است برای اطمینان از ایمنی به چندین مقاومت و همچنین یک دیود زنر برای محافظت از مدار بعدی نیاز داشته باشد. در عین حال، مبدل های امپدانس، فیلترها و ADC ها برای به دست آوردن ولتاژ اندازه گیری شده استفاده می شوند.

اندازه گیری دما

انواع و اصول رایج سنسورهای دما:سنسورهای معمول دما شامل انواع ضریب دمای منفی (NTC) و ضریب دمای مثبت (PTC) هستند که با اندازه گیری افت ولتاژ تحت جریان ثابت دما را اندازه گیری می کنند. مقاومت آنها با دما متفاوت است و می توان در یک محدوده دمایی خاص استفاده کرد، اما مسائل غیر خطی وجود دارد.

مشکلات و راه حل ها در استفاده از سنسورها:به دلیل غیر خطی بودن، یک جدول جستجو در زنجیره پردازش دیجیتال برای کالیبره کردن محاسبات دما مورد نیاز است. برخی از سنسورها نیز وجود دارند که از رابط های دیجیتال استفاده می کنند که برای استفاده راحت تر هستند، اما هنگام قرار دادن آنها در نزدیکی مسیرهای پرقدرت در بسته های باتری باید به مشکلات EMI توجه کرد. سایر روش‌های اندازه‌گیری مانند PTC فلزی و ترموکوپل می‌توانند دقت بالاتر و محدوده دمایی وسیع‌تری را ارائه دهند، اما با پیچیدگی الکترونیکی بالاتر.

انتقال داده

ویژگی ها و سناریوهای کاربردی اتوبوس های ارتباطی مختلف:ارتباط بین ماژول های BMS و بین BMS و کل سیستم مورد نیاز است. باس CAN معمولاً در محیط های وسیله نقلیه با انعطاف پذیری و مقاومت در برابر نویز استفاده می شود. باس LIN نسبتاً ساده است اما سرعت آن کند است، انعطاف پذیری ضعیفی دارد و غیر دیفرانسیل است و برای سناریوهایی با هزینه های بالا مناسب است. سایر رابط های ارتباطی کوتاه برد مانند SPI، I2C، و گذرگاه OneWire برای ارتباط ماژول های مستعد تداخل در مسافت های طولانی مناسب نیستند. اگر سرعت گذرگاه CAN کافی نیست یا به قابلیت قطعی بلادرنگ نیاز است، می توان از گذرگاه FlexRay یا اترنت استفاده کرد.

5. تعادل باتری

دلیل تفاوت SOC باتری:در باتری‌های متصل به سری، تفاوت‌های تولید و شرایط مختلف عملکرد و محیطی (مانند دما) می‌تواند منجر به ناهمواری بین باتری‌ها شود. این عوامل می توانند شرایط اولیه متفاوت، پیری و نرخ تخلیه خود را ایجاد کنند که منجر به انحراف در مقادیر SOC، ظرفیت و مقاومت می شود. این بخش عمدتاً بر تفاوت‌های SOC و ظرفیت تمرکز دارد و تفاوت در مقاومت داخلی را شامل نمی‌شود - تحقیقات نشان داده است که حتی باتری‌هایی با ظرفیت اولیه و بار یکسان پس از استفاده تفاوت‌هایی را در ظرفیت تجربه می‌کنند. به عنوان مثال، 18650 باتری با همان ظرفیت اولیه، با ظرفیت باقیمانده 80٪ به عنوان استاندارد پایان عمر، عمر چرخه ای بین 1000-1500 بار دارند. در عین حال، تفاوت هایی در میزان خود تخلیه باتری های مختلف وجود دارد، مانند باتری های بسته نرم تجاری ذخیره شده در دمای 40 درجه سانتیگراد، که در آن مقاومت تخلیه خود بین 10k Ω و 14k Ω متغیر است.

شکل 6. (الف) دلایل سلول های باتری نامتعادل، اعداد بر اساس [57]; (ب) طبقه بندی روش های مختلف تعادلی به جهت انتقال انرژی به عنوان نام روش غیر اتلاف کننده نشان داده شده اشاره دارد.

ضرورت تعادل:تفاوت در SOC، ظرفیت و مقاومت داخلی می تواند منجر به کاهش انرژی در دسترس بسته باتری شود که از طریق مدار تعادل قابل حل است.

مروری بر روش های تعادل

پیاده سازی سخت افزار:ادبیات روش‌های مختلف پیاده‌سازی سخت‌افزار برای مدارهای متعادل را توصیف می‌کند که می‌توانند به ساختارهای توپولوژی مختلف، روش‌های کنترل (مانند فعال/غیرفعال)، یا در دسترس بودن تجاری طبقه‌بندی شوند.

روشهای تعادل در کاربردهای تجاری:اکثر بسته‌های باتری تجاری از سیستم‌های متعادل کننده غیرفعال کنترل‌شده استفاده می‌کنند که توسط مقاومت‌های متعادل کننده موازی در هر دو انتهای باتری به دست می‌آیند. این روش تنها می تواند مشکل تغییرات SOC را با جریان تعادل کوچک (حدود 100 میلی آمپر) و بدون تغییر در ظرفیت باتری حل کند، که ممکن است توسط اتلاف انرژی BMS یا قطر کابل بین باتری و مدار نظارت محدود شود. هر باتری یا ترکیب موازی باتری دارای یک مقاومت متعادل کننده قابل تعویض با مقدار مقاومت بین 30 Ω -40 Ω (با فرض ولتاژ باتری 4.2 ولت) است و هر باتری بین 387 مگاوات -430 مگاوات انرژی مصرف می کند.

روش‌های حل مسائل ظرفیت مختلف:برای حل مشکلات ظرفیت های مختلف، روش های پیچیده تری برای توزیع مجدد انرژی بین باتری ها با استفاده از الکترونیک قدرت مورد نیاز است. با این حال، این روش ها به الگوریتم های کنترل پیچیده و سلف های گران قیمت نیاز دارند. اگرچه محصولات BMS IC مرتبط وجود دارد، اما به طور گسترده در بسته های باتری خودروهای تجاری استفاده نشده است.

6. ایمنید قابلیت اطمینان

هدف کلی کاهش ریسک:یکی از اهداف اصلی BMS کاهش خطرات مرتبط با عملکرد باتری های لیتیوم یون در بسته های باتری است.

شکل 7. مدل مدار معادل از قسمت جلویی اکتساب ولتاژ باتری، که قابلیت تشخیص خطاهای خط سنجش را نشان می دهد.

اقدامات ایمنی خاص

ایمنی ولتاژ بالا:ایمنی ولتاژ بالا بسته باتری از طریق مانیتورینگ عایق و مدارهای قفل کننده تضمین می شود که می تواند خطر ایجاد قوس الکتریکی ناشی از آلودگی یا تراکم را کاهش دهد. در عین حال، طراحی سخت افزار BMS باید از استانداردهای مربوطه پیروی کند تا از فاصله خزش و فاصله الکتریکی PCB و کانکتورها اطمینان حاصل شود.

عایق الکتریکی:برای اطمینان از جداسازی الکتریکی از ولتاژ بالای باتری در رابط با سایر واحدهای کنترل یا منابع برق کمکی، می توان از تجهیزات جداسازی که مطابق با استاندارد "ایزوله پیشرفته" هستند استفاده کرد. از اپتوکوپلرهای سنتی استفاده می شود، اما اکنون "ایزولاتورهای دیجیتال" عملکرد آی سی بهتری دارند.

اقدامات پیشگیری از آتش سوزی:سنسورهای دما را داخل بسته باتری قرار دهید و به دماهای بحرانی پاسخ دهید. روش‌های تشخیص دمای کمتر با سنسور (مانند طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی) و روش‌های جدید اندازه‌گیری دما نیز می‌توانند برای کاهش خطر آتش‌سوزی استفاده شوند.

کنتاکتور و فیوز:از یک کنتاکتور برای جدا کردن بسته باتری از سیستم و در عین حال هماهنگ با فیوز استفاده کنید. ویژگی‌های عملیاتی هر دو و تأثیر ظرفیت و اندوکتانس انگلی درون بسته باتری بر انتخاب فیوزها را در نظر بگیرید.

ایمنی داخلی باتری ها:BMS باید اطمینان حاصل کند که باتری در محدوده دمایی مشخص شده شارژ می شود و از آبکاری لیتیومی در دمای پایین و تخلیه عمیق قبل از کار جلوگیری می کند. در عین حال می توان از الگوریتم های تشخیصی برای تشخیص اتصال کوتاه داخلی استفاده کرد.

شکل 8. اندازه گیری عایق: (الف) عایق در اتصالات فناوری اطلاعات. (ب) نمودار شماتیک اندازه گیری عایق.

مسائل مربوط به طراحی سخت افزار BMS

تشخیص عیب سنسور:با افزایش پیچیدگی اجرای سخت افزار و نرم افزار BMS، احتمال خطاهای نرم افزاری و خرابی سنسور افزایش می یابد. به عنوان مثال، خطاهای کابل در تشخیص ولتاژ باتری به راحتی از طریق اندازه گیری ولتاژ تشخیص داده نمی شود، اما می توان آن را از طریق سیستم های متعادل کننده باتری یا مدارهای منبع جریان تشخیص داد.

بررسی اعتبار سنسور:سایر خطاها مانند نقص سنسور را می توان از طریق الگوریتم های تشخیصی تشخیص داد و اعتبار سیگنال های سنسور را می توان با استفاده از رفتار الکتریکی باتری بررسی کرد.

اندازه گیری عایق

اهمیت و ساختار سیستم اندازه گیری عایق:سیستم ولتاژ بالا وسایل نقلیه الکتریکی یا نیمه الکتریکی معمولاً به عنوان یک شبکه فناوری اطلاعات ساخته می شود و نیاز به تشخیص اولین عیب دارد. هنگام اندازه گیری مقاومت عایق، لازم است ویژگی های ظرفیت و مقاومت سیستم را در نظر بگیرید، زیرا ظرفیت خازن می تواند در اندازه گیری اختلال ایجاد کند.

روش های رایج اندازه گیری:روش های رایج شامل اندازه گیری جریان حالت مشترک با استفاده از سیم پیچ حلقه و محاسبه مقاومت عایق با تغییر پتانسیل بین سیستم و شاسی از طریق کلیدها و مقاومت ها می باشد. سایر روش های ساده تر یا پیچیده تر نیز معرفی شده اند.

استانداردهای اندازه گیری عایق:اندازه گیری عایق دارای مشخصات استاندارد مربوطه برای روش های اندازه گیری و حداقل الزامات مقاومت عایق است. استانداردهای مختلف در روش های اندازه گیری، مقادیر مقاومت و زمان اندازه گیری تفاوت هایی دارند.

7. خلاصه

الزامات عمومی و ملاحظات طراحی:این مقاله مفاهیم رایج سخت افزار BMS را با شروع از الزامات عمومی و ارائه ملاحظات پیاده سازی معرفی می کند. فرآیند طراحی باید تا حد امکان شامل پارامترهای زیادی باشد، اما الزامات باید با توجه به نیاز دستگاه مورد نظر تنظیم شود. الزامات برنامه های مختلف بسیار متفاوت است و این الزامات نقطه شروع خوبی برای ملاحظات طراحی بسته باتری هستند.

توپولوژی BMS:ساختار سیستم باتری بر توپولوژی BMS تأثیر می‌گذارد و برخی از برنامه‌ها از روش‌های نظارتی ویژه برای کاهش وزن یا پیچیدگی استفاده می‌کنند، مانند چهار باتری خودروهای الکتریکی تجاری که در بخش 3.3 مقایسه شده‌اند، که به دلیل کاربردهای مشابه (مانند استفاده از ارتباطات CAN) دارای برخی از مشترکات هستند. ، اما در یکپارچگی و ارتباطات داخلی متفاوت هستند.

اندازه گیری ارزش فیزیکی:بخش 4 مقدمه مفصلی درباره روش های جمع آوری و انتقال مقادیر فیزیکی مورد نیاز ارائه می دهد. الزامات اندازه گیری مختلف مستلزم انتخاب روش های مختلف بر اساس محدودیت ها و نیازهای کاربردی است.

مشکل تعادل:بخش 5 دلایل و روش‌های جبران عدم تعادل شارژ در باتری‌های سری را توضیح می‌دهد که در حال حاضر متداول‌ترین روش استفاده از تعادل غیرفعال است.

ایمنی و قابلیت اطمینان:بخش 6 یک نمای کلی از جنبه های ایمنی، از جمله رعایت محدوده عملکرد باتری برای اطمینان از طول عمر و محافظت از کاربران در برابر خطرات ولتاژ بالا ارائه می دهد. روش های استاندارد برای نظارت بر عایق را معرفی می کند و نیاز به در نظر گرفتن خطرات سطح سیستم هنگام محافظت از باتری ها را ذکر می کند.