Что такое система управления батареями?

Система управления батареями

Система управления батареями (BMS) — это устройство, используемое для эффективного управления аккумуляторными блоками. Для электромобилей хорошо-разработанное аппаратное и программное обеспечение BMS может эффективно увеличить запас хода, продлить срок службы аккумуляторной батареи, снизить эксплуатационные расходы и обеспечить безопасность и надежность силовой аккумуляторной батареи. Система управления аккумуляторной батареей стала незаменимым ключевым компонентом электромобилей. В этой главе основное внимание будет уделено представлению о составе, функциях и принципах работы системы управления аккумуляторной батареей.

Системная архитектура

Типичное аппаратное обеспечение системы управления батареями (BMS) в основном включает в себя блок управления батареями (BMU), блок управления ячейками (CMU), датчики, жгуты проводов и т. д. При проектировании крупномасштабных-систем силовых батарей выбор архитектуры BMS имеет решающее значение, напрямую определяя методы соединения между аппаратными блоками и подход к программированию программного обеспечения, а также влияя на стоимость системы, надежность, простоту установки и обслуживания, а также точность измерений. В зависимости от топологии между контроллерами в BMS BMS можно разделить на два типа: интегрированные и распределенные.

1. Интегрированный БМ

Интегрированная BMS, также известная как единая-BMS, относится к BMS, которая объединяет базовый контроллер (BMU) и контроллер ячейки (CMU) в единый контроллер, причем основной контроллер напрямую выполняет функции сбора, обработки и управления данными. Топология интегрированной BMS показана на рисунке 8-1.

 

Интегрированные системы BMS компактны, обладают мощными возможностями защиты от-помех и обеспечивают быструю-связь на борту, что облегчает синхронный сбор данных. Более того, они могут выполнять все функции BMS в одном пакете, что снижает затраты. Однако интегрированные BMS имеют сложные разъемы и жгуты проводов, что затрудняет защиту аккумуляторной системы при возникновении коротких замыканий в различных частях системы. Они подходят только для аккумуляторных модулей меньшего размера и имеют плохую масштабируемость и ремонтопригодность.

 

2. Распределенная BMS

 

В отличие от интегрированных топологий, в распределенных архитектурах функциональные возможности BMS разделены на BMU основной платы и несколько подчиненных CMU. Модульная структура упрощает сборку модуля, оптимизирует компоновку жгутов отбора проб и устраняет неравномерность падения напряжения за счет равномерного расстояния. К недостаткам относятся более высокая стоимость и более сложная конструкция связи и управления. В зависимости от разнообразия методов распределенного подключения BMS их можно разделить на три типа: соединение звездой (см. рис. 8-2), соединение по шине и шлейфовое соединение.

 

(1) Соединение звездойПри соединении звездой материнская плата BMU расположена в центре, и каждый модуль CMU напрямую подключается к материнской плате BMS через жгут. Звездообразные соединения облегчают управление точками-точками-, а отказ одного узла CMU не оказывает существенного влияния на систему. Однако по мере увеличения количества модулей сложность линий связи в звездообразном соединении возрастает в геометрической прогрессии, что затрудняет обслуживание и ограничивает масштабируемость. Из-за ограничений портов материнской платы BMS модули CMU не могут быть добавлены произвольно, что делает их относительно редкими в крупномасштабных-приложениях.

 

(2) Соединение с шинойАрхитектура системы на основе шины- упрощает модульную конструкцию, как показано на рис. 8-3. BMS обычно делится на несколько блоков управления: BMU, CMU и аккумуляторный блок (BJB). BMU, CMU и BJB подключаются через CAN или другие сети шин. BMU выполняет основные функции алгоритма управления батареями; CMU выполняет сбор, выравнивание и измерение напряжения ячейки; BJB выполняет сбор данных о высоком напряжении, токе и температуре, управление контактором и диагностику, а также обнаружение изоляции аккумуляторной батареи; изоляция обеспечивает электрическую изоляцию, предотвращая выгорание печатной платы обратным потоком и ограничивая амплитуду помех.

 

Архитектура на основе шины- обеспечивает более гибкие коммуникационные соединения и высокую масштабируемость, что значительно упрощает проектирование аппаратной архитектуры, обеспечивает модульность и улучшает применимость и портативность системы. Основным его недостатком является относительно высокая стоимость.

 

Гирляндное-подключение – относительно новый метод подключения, появившийся в последние годы. Интерфейс может преобразовывать полнодуплексные сигналы SPI со скоростью до 1 Мбит/с в дифференциальные сигналы и передавать их по витой-паре и простому недорогому-трансформатору. Например, устройства AFE компании Linear Technology (LTC6811) можно соединить между собой, образуя BMS. Небольшой недорогой-трансформатор заменяет изолятор данных. На стороне основного микропроцессора управления небольшая микросхема адаптера (LTC6820) обеспечивает интерфейс основного контроллера. Хотя однонаправленная шлейфовая-сеть проста, отказ любого узла может повлиять на связь всей системы. Поэтому улучшенная кольцевая цепочка-, как показано на рисунке 8-4, была разработана и применена в продуктах BMS крупных производителей транспортных средств на новых источниках энергии, таких как Tesla. По сравнению с соединениями по шине CAN последовательное-подключение дешевле и меньше по размеру, но оно имеет плохую масштабируемость, ограниченное максимальное количество узлов и трудности с решением проблем управления батареями в более сложных сценариях, таких как крупномасштабные системы хранения энергии.

Основные функции

Как правило, основные функции системы управления батареями (BMS) включают в себя: сбор данных, оценку состояния батареи, управление энергопотреблением, управление безопасностью, управление температурным режимом, управление выравниванием, функции связи и человеко-машинный интерфейс. На рис. 8-5 показана функциональная блок-схема системы управления батареями.

1. Сбор данных

Сбор данных является основой всех алгоритмов и элементов управления в системе управления батареями (BMS). Таким образом, частота дискретизации, точность и характеристики предварительного фильтра являются важнейшими показателями, влияющими на производительность аккумуляторной системы. Скорость сбора данных определяется сценарием и функцией. Например, при наличии резервного источника питания скорость сбора данных может составлять всего один кадр за 10 секунд или даже за минуту; в то время как для объектов с быстро меняющимся током (например, транспортных средств) данные должны собираться не реже одного раза в 1 секунду, а для некоторых данных,- связанных с безопасностью, требуется частота выборки всего 100 или 10 мс.

2. Оценка состояния батареи

Оценка состояния батареи в основном включает в себя два аспекта:Состояние заряда (SOC)иСостояние здоровья (SOH). SOC характеризует текущий оставшийся заряд аккумуляторной батареи и является основой для оценки запаса хода электромобиля. SOH — это параметр, используемый для представления оставшегося срока службы батареи и других состояний здоровья.

3. Энергетический менеджмент

Управление энергопотреблением гарантирует, что выходная и потребляемая батарея-энергия в реальном времени не превысит пропускную способность батареи и системы. В действительности, на зарядно-разрядную емкость аккумулятора, помимо других факторов, влияют температура, SOC и SOH. Одновременно на уровне системы необходимо избегать таких рисков, как перегрев и выход из строя цепи. Таким образом, управление энергопотреблением — это глобальный процесс управления, в основном использующий в качестве входных данных ток, напряжение, температуру, SOC и SOH.

4. Управление безопасностью

Мониторинг напряжения, тока и температуры батареи, чтобы убедиться, что они не превышают нормальные диапазоны. Современная BMS (система управления аккумулятором) не только контролирует весь аккумуляторный блок, но и обеспечивает точный контроль за экстремальными состояниями отдельных элементов, такими как перезарядка, чрезмерная-разрядка и перегрев-температуры.

5. Управление температурным режимом

Охлаждение батареи, когда ее рабочая температура слишком высока, и ее нагрев, когда она падает ниже нижнего предела подходящей рабочей температуры, чтобы поддерживать батарею в оптимальном рабочем диапазоне и поддерживать температурный баланс между отдельными элементами во время работы. Управление температурным режимом особенно необходимо для батарей, используемых в условиях разряда большой-мощности и высоких-температур.

6. Балансирующий контроль

Несоответствие характеристик батареи может привести к снижению общей производительности аккумуляторной батареи и даже к угрозе безопасности. Между отдельными элементами аккумуляторной батареи установлены балансировочные схемы, обеспечивающие максимально согласованные условия зарядки и разрядки каждой отдельной ячейки, тем самым улучшая общую производительность аккумуляторной батареи.

7. Функции связи

Важнейшей функцией системы управления аккумулятором (BMS) является обеспечение передачи параметров и информации аккумулятора на бортовые или внешние устройства, предоставляя данные для контроля заряда/разряда и управления транспортным средством. В зависимости от приложения для обмена данными могут использоваться различные интерфейсы связи, такие как аналоговые сигналы, сигналы ШИМ, шина CAN или последовательные интерфейсы I2C.

8. Человеко--машинный интерфейс (ЧМИ)

HMI – это промежуточный интерфейс для взаимодействия человека-машины. Он использует соответствующие устройства ввода и вывода для эффективного диалога и взаимодействия между людьми и машинами, которыми они управляют. В BMS HMI включает в себя отображаемую информацию, а также кнопки и ручки управления, настроенные в соответствии с требованиями проекта.