- Neden bir Pil Yönetim Sistemine (BMS) ihtiyacımız var?
- Batarya Yönetim sistemi (BMS) Tasarım Esasları
- Bir BMS'nin Yapı Taşları
- BMS Veri Toplama
- Hücre Gerilimi ve Sıcaklık Ölçümü için Çoklanmış Analog Ön Uç (AFE)
- Pil durumu Tahmini
7 günü inci Ocak 2013, bir Boeing 787 uçuş bir tamirci fark alevler sırasında, bakım için park edilmişti ve iktidara elektronik uçuş sistemleri kullanılmaktadır Yardımcı güç ünitesinin uçuşun (Lityum batarya paketi), gelen duman. Çabalar yangını söndürmek için alınmıştır, ancak 10 gün sonra bu konuda daha önce 16, çözülebileceğini inci başka pil arızası Japon havaalanına acil iniş neden All Nippon Airways tarafından işletilen bir 787 uçuş gerçekleşti Ocak. Bu iki sık yıkıcı batarya arızası, Boeing 787 Dreamliners uçuşunun süresiz olarak karaya oturmasına neden oldu ve bu da üreticinin itibarını zedeledi ve büyük mali kayıplara neden oldu.
ABD ve Japonlar tarafından yapılan bir dizi ortak araştırmadan sonra, B-787'nin Lityum pil Paketi bir CT taramasından geçti ve sekiz Li-iyon hücresinden birinin hasar görerek kısa devreye neden olarak yangınla termal bir kaçağı tetiklediğini ortaya çıkardı. Li-ion pil paketinin Pil yönetim sistemi, kısa devreleri algılamak / önlemek için tasarlanmış olsaydı, bu olay kolayca önlenebilirdi. Bazı tasarım değişiklikleri ve güvenlik düzenlemelerinden sonra B-787 tekrar uçmaya başladı, ancak olay yine de lityum pillerin düzgün kullanılmazsa ne kadar tehlikeli olabileceğini kanıtlamak için bir kanıt olarak kaldı.
15 yıl ileri saralım, bugün aynı Li-ion pilleri kullanan ve binlerce olmasa da yüz tane bir arada paketlenmiş Elektrikli arabalara sahibiz. Yaklaşık 300V voltaj değerine sahip bu devasa akü paketleri arabada bulunur ve çalışma sırasında 300A (kaba rakamlar) kadar yüksek akım sağlar. Buradaki herhangi bir aksilik büyük bir felaketle sonuçlanacaktır, bu nedenle EV'lerde Pil Yönetimi sistemi her zaman vurgulanmaktadır. Bu nedenle bu makalede, bu Pil Yönetim Sistemi (BMS) hakkında daha fazla bilgi edinecek ve daha iyi anlamak için tasarımını ve işlevlerini anlamak için parçalara ayıracağız. Piller ve BMS yakından ilişkili olduğundan, Elektrikli Araçlar ve EV pilleri ile ilgili önceki makalelerimizi incelemenizi şiddetle tavsiye ederiz.
Neden bir Pil Yönetim Sistemine (BMS) ihtiyacımız var?
Lityum iyon piller, yüksek şarj yoğunluğu ve düşük ağırlığı nedeniyle Elektrikli Araç üreticileri için ilgi çekici pil olduğunu kanıtlamıştır. Bu piller, boyutlarına göre çok fazla etkiye sahip olsalar da, doğaları gereği oldukça kararsızdırlar. Bu pillerin, voltajını ve akımını izleme ihtiyacını doğuran hiçbir koşulda asla aşırı şarj edilmemesi veya yetersiz deşarj olmaması çok önemlidir. EV'de bir pil paketi oluşturmak için bir araya getirilen çok sayıda hücre olduğundan ve her hücrenin, Pil Yönetim Sistemi adı verilen özel bir sistem gerektiren, güvenli ve verimli çalışması için ayrı ayrı izlenmesi gerektiğinden, bu süreç biraz daha zorlaşmaktadır.. Ayrıca bir pil paketinden maksimum verim elde etmek için, tüm hücreleri aynı anda tamamen şarj etmeli ve deşarj etmeliyiz ki bu da yine bir BMS gerektiriyor. Bunun dışında BMS, aşağıda tartışılacak olan diğer birçok işlevden sorumlu tutulmaktadır.
Batarya Yönetim sistemi (BMS) Tasarım Esasları
Bir BMS tasarlarken dikkate alınması gereken pek çok faktör vardır. Tüm hususlar, BMS'nin kullanılacağı kesin son uygulamaya bağlıdır. EV'nin BMS'sinin yanı sıra, bir güneş paneli dizisi, yel değirmenleri, elektrik duvarları vb. Gibi bir lityum pil paketinin bulunduğu her yerde de kullanılır. Uygulamadan bağımsız olarak, bir BMS tasarımı aşağıdaki faktörlerin tümünü veya çoğunu dikkate almalıdır.
Deşarj Kontrolü: Bir BMS'nin birincil işlevi, lityum hücreleri güvenli çalışma bölgesi içinde tutmaktır. Örneğin, tipik bir Lityum 18650 hücresinin düşük voltaj derecesi 3V civarında olacaktır. Paketteki hücrelerin hiçbirinin 3V'un altında boşaltılmamasını sağlamak BMS'nin sorumluluğundadır.
Şarj Kontrolü: Boşaltmanın yanı sıra şarj işlemi de BMS tarafından izlenmelidir. Çoğu pil, uygun olmayan bir şekilde şarj edildiğinde hasar görme veya kullanım ömrü kısalma eğilimindedir. Lityum pil şarj cihazı için 2 aşamalı bir şarj cihazı kullanılır. Birinci aşama Sabit Akım (CC) olarak adlandırılır şarj pili şarj etmek için sabit bir akım verir sırasında. Pil neredeyse dolduğunda , Sabit Voltaj (CV) olarak adlandırılan ikinci aşamabataryaya çok düşük bir akımda sabit bir voltajın verildiği aşama kullanılır. BMS, pilleri aşırı şarj etmemek veya hızlı şarj etmemek için şarj sırasında hem voltajın hem de akımın geçirgen sınırları aşmadığından emin olmalıdır. İzin verilen maksimum şarj voltajı ve şarj akımı, pilin veri sayfasında bulunabilir.
Şarj Durumu (SOC) Belirleme: SOC'yi EV'nin yakıt göstergesi olarak düşünebilirsiniz. Aslında bize paketin pil kapasitesini yüzde olarak söyler. Tıpkı cep telefonumuzdaki gibi. Ama göründüğü kadar kolay değil. Pilin kapasitesini tahmin etmek için paketin voltajı ve şarj / deşarj akımı her zaman izlenmelidir. Gerilim ve akım ölçüldüğünde, Pil takımının SOC'sini hesaplamak için kullanılabilecek birçok algoritma vardır. En yaygın kullanılan yöntem, coulomb sayma yöntemidir; Bu konuyu daha sonra makalede tartışacağız. Değerlerin ölçülmesi ve SOC'nin hesaplanması da bir BMS'nin sorumluluğundadır.
Sağlık Durumu (SOC) Tespiti: Pilin kapasitesi yalnızca voltaj ve akım profiline değil, aynı zamanda yaşına ve çalışma sıcaklığına da bağlıdır. SOH ölçümü, kullanım geçmişine dayalı olarak pilin yaşını ve beklenen yaşam döngüsünü bize söyler. Bu şekilde, pil eskidikçe EV'nin kilometresinin (tam şarjdan sonra kat edilen mesafe) ne kadar azaldığını ve ayrıca pil takımının ne zaman değiştirilmesi gerektiğini bilebiliriz. SOH ayrıca BMS tarafından hesaplanmalı ve takip edilmelidir.
Hücre Dengeleme: Bir BMS'nin diğer bir hayati işlevi, hücre dengesini sağlamaktır. Örneğin, seri bağlanmış 4 hücreli bir pakette, dört hücrenin hepsinin voltajı her zaman eşit olmalıdır. Bir hücre diğerinden daha düşük veya yüksek voltajlıysa, tüm paketi etkileyecektir, örneğin bir hücre 3,5V'de, diğer üçü 4V'de ise. Şarj sırasında bu üç hücre 4.2V'a ulaşırken, diğeri 3.7V'ye ulaşmış olacaktı, benzer şekilde bu hücre, diğer üçünden önce 3V'a deşarj olan ilk hücre olacak. Bu şekilde, bu tek hücre nedeniyle paketteki diğer tüm hücreler maksimum potansiyelinde kullanılamaz ve bu nedenle verimlilikten ödün verilir.
Bu sorunu çözmek için BMS'nin hücre dengeleme adı verilen bir şey uygulaması gerekir. Birçok hücre dengeleme tekniği vardır, ancak yaygın olarak kullanılanlar aktif ve pasif tip hücre dengelemedir. Pasif dengelemede fikir, aşırı gerilime sahip hücrelerin, diğer hücrelerin gerilim değerine ulaşmak için bir yük benzeri dirençten geçmeye zorlanacağıdır. Aktif dengeleme sırasında, daha güçlü hücreler, potansiyellerini eşitlemek için daha zayıf hücreleri şarj etmek için kullanılacaktır. Hücre dengeleme hakkında daha sonra farklı bir makalede daha fazla bilgi edineceğiz.
Termal Kontrol: Bir Lityum pil paketinin ömrü ve verimliliği büyük ölçüde çalışma sıcaklığına bağlıdır. Pil daha hızlı sıcak iklimlerde normal oda sıcaklıklarının kıyasla deşarj olma eğilimindedir. Buna ek olarak yüksek akım tüketimi sıcaklığı daha da artıracaktır. Bu, pil paketinde bir Termal sistem (çoğunlukla yağ) gerektirir. Bu termal sistem sadece sıcaklığı düşürebilmeli, aynı zamanda soğuk iklimlerde gerektiğinde sıcaklığı artırabilmelidir. BMS, bireysel hücre sıcaklığının ölçülmesinden ve pil paketinin genel sıcaklığını korumak için termal sistemi buna göre kontrol etmekten sorumludur.
Pilin kendisinden güç alır : EV'de bulunan tek güç kaynağı pilin kendisidir. Dolayısıyla, bir BMS, koruması ve bakımını yapması gereken aynı pilden güç alacak şekilde tasarlanmalıdır. Bu basit gelebilir, ancak BMS tasarımının zorluğunu arttırır.
Daha Az İdeal Güç: Araç çalışırken veya şarj olurken veya ideal modda olsa bile bir BMS aktif ve çalışır durumda olmalıdır. Bu, BMS devresinin sürekli olarak çalıştırılmasını sağlar ve bu nedenle, BMS'nin pili fazla tüketmemesi için çok daha az güç tüketmesi zorunludur. Bir EV haftalar veya aylar boyunca şarj edilmemiş bırakıldığında, BMS ve diğer devreler pili kendi kendilerine boşaltma eğilimindedir ve sonunda bir sonraki kullanımdan önce kranklanması veya şarj edilmesi gerekir. Bu sorun Tesla gibi popüler arabalarda bile hala yaygın.
Galvanik İzolasyon: BMS , Pil takımı ile EV'nin ECU'su arasında bir köprü görevi görür. BMS tarafından toplanan tüm bilgiler, gösterge panelinde veya gösterge tablosunda görüntülenmek üzere ECU'ya gönderilmelidir. Bu nedenle, BMS ve ECU, CAN iletişimi veya LIN veriyolu gibi standart protokol aracılığıyla sürekli olarak iletişim kurmalıdır. BMS tasarımı, pil takımı ve ECU arasında galvanik bir izolasyon sağlayabilmelidir.
Veri Kaydı: BMS'nin çok fazla veri depolaması gerektiğinden büyük bir hafıza bankasına sahip olması önemlidir. Sağlık durumu SOH gibi değerler, yalnızca pilin şarj geçmişi biliniyorsa hesaplanabilir. Bu nedenle BMS, kurulum tarihinden itibaren pil paketinin şarj döngülerini ve şarj süresini takip etmeli ve gerektiğinde bu verileri kesmelidir. Bu aynı zamanda satış sonrası servis sağlamaya veya mühendisler için EV ile ilgili bir sorunu analiz etmeye yardımcı olur.
Doğruluk: Bir hücre şarj edildiğinde veya boşaltıldığında, üzerindeki voltaj kademeli olarak artar veya azalır. Ne yazık ki, bir lityum pilin deşarj eğrisi (Voltaj - zaman) düz bölgelere sahiptir, bu nedenle voltajdaki değişiklik çok azdır. SOC değerini hesaplamak veya hücre dengelemesinde kullanmak için bu değişikliğin doğru bir şekilde ölçülmesi gerekir. İyi tasarlanmış bir BMS, ± 0.2mV kadar yüksek doğruluğa sahip olabilir, ancak minimum 1mV-2mV doğruluğa sahip olmalıdır. İşlemde normalde 16 bitlik bir ADC kullanılır.
İşlem Hızı: Bir EV'nin BMS'si, SOC, SOH vb. Değerini hesaplamak için çok sayıda hesaplama yapmak zorundadır. Bunu yapmak için birçok algoritma vardır ve hatta bazıları görevi tamamlamak için makine öğrenimini kullanır. Bu, BMS'yi işlemeye aç bir cihaz yapar. Bunun dışında, yüzlerce hücre boyunca hücre voltajını ölçmesi ve ince değişiklikleri neredeyse anında fark etmesi gerekir.
Bir BMS'nin Yapı Taşları
Piyasada pek çok farklı BMS türü mevcuttur, kendi başınıza bir tane tasarlayabilir veya hatta hazır bulunan Entegre IC'yi satın alabilirsiniz. Bir donanım yapısı perspektifinden, topolojisine dayalı olarak yalnızca üç tür BMS vardır, bunlar Merkezi BMS, dağıtılmış BMS ve Modüler BMS'dir. Ancak bu BMS'nin işlevi tamamen benzerdir. Aşağıda genel bir Batarya Yönetim sistemi gösterilmektedir.
BMS Veri Toplama
Yukarıdaki fonksiyon bloğunu özünden inceleyelim. BMS'nin birincil işlevi , pil paketindeki her hücreden voltaj, akım ve sıcaklık gibi üç hayati parametreyi ölçmesi gereken Pili izlemektir.. Pil paketlerinin, birçok hücrenin seri veya paralel konfigürasyonda bağlanmasıyla oluşturulduğunu biliyoruz, tıpkı Tesla'nın 96 hücrenin seri olarak bağlandığı ve 86 hücrenin bir paket oluşturmak için paralel olarak bağlandığı 8,256 hücreye sahip olması gibi. Bir dizi hücre seri olarak bağlanırsa, her hücrede voltajı ölçmemiz gerekir, ancak tüm set için akım aynı olacaktır, çünkü akım bir seri devrede aynı olacaktır. Benzer şekilde, bir dizi hücre paralel bağlandığında, yalnızca tüm voltajı ölçmemiz gerekir, çünkü her bir hücredeki voltaj paralel olarak bağlandığında aynı olacaktır. Aşağıdaki resim, seri olarak bağlanmış bir dizi hücreyi gösterir, tek tek hücreler için ölçülen voltajı ve sıcaklığı görebilirsiniz ve paket akımı bir bütün olarak ölçülür.
"BMS'de hücre voltajı nasıl ölçülür?"
Tipik bir EV, birbirine bağlı çok sayıda hücreye sahip olduğundan, bir pil paketinin bireysel hücre voltajını ölçmek biraz zordur. Ancak, yalnızca hücre voltajını bilirsek hücre dengelemesi yapabilir ve hücre koruması sağlayabiliriz. Bir hücrenin voltaj değerini okumak için bir ADC kullanılır. Ancak, piller seri olarak bağlandığından, karmaşıklık yüksektir. Yani gerilimin ölçüldüğü terminaller her seferinde değiştirilmelidir. Bunu yapmanın röleler, çoklayıcılar vb. Dahil birçok yolu vardır. Bunun dışında, seri olarak bağlanmış çok sayıda hücrenin (12-16) ayrı hücre voltajlarını ölçmek için kullanılabilen MAX14920 gibi bazı pil yönetimi IC'leri de vardır.
"BMS için hücre Sıcaklığı nasıl ölçülür?"
Hücre sıcaklığının yanı sıra, her şey yüksek bir akımda çalıştığı için bazen BMS'nin veri yolu sıcaklığını ve motor sıcaklığını da ölçmesi gerekir. Sıcaklığı ölçmek için kullanılan en yaygın element, Negatif sıcaklık Co-verimli (NTC) anlamına gelen NTC olarak adlandırılır. Bir dirence benzer ancak çevresindeki sıcaklığa bağlı olarak direncini değiştirir (azaltır). Bu cihazdaki voltajı ölçerek ve basit bir ohm yasası kullanarak direnci ve dolayısıyla sıcaklığı hesaplayabiliriz.
Hücre Gerilimi ve Sıcaklık Ölçümü için Çoklanmış Analog Ön Uç (AFE)
Hücre voltajının ölçülmesi, yüksek doğruluk gerektirdiğinden karmaşıklaşabilir ve bunun dışında, mux'ten anahtarlama sesleri de enjekte edebilir, bunun dışında her hücre, hücre dengelemesi için bir anahtar aracılığıyla bir dirence bağlıdır. Bu sorunların üstesinden gelmek için bir AFE - Analog Ön uç IC kullanılır. Bir AFE, yüksek doğrulukta dahili Mux, tampon ve ADC modülüne sahiptir. Ortak mod ile voltajı ve sıcaklığı kolayca ölçebilir ve bilgileri ana mikro denetleyiciye aktarabilir.
"BMS için paket akımı nasıl ölçülür?"
EV Pil Paketi, 250A'ya kadar veya daha yüksek bir akım değeri sağlayabilir, bunun dışında, yükün eşit olarak dağıtıldığından emin olmak için paketteki her modülün akımını da ölçmemiz gerekir. Akım algılama elemanını tasarlarken, ölçüm ve algılama cihazı arasında da izolasyon sağlamalıyız. Akımı algılamak için en yaygın olarak kullanılan yöntem, Şönt yöntemi ve Hall sensörü tabanlı yöntemdir. Her iki yöntemin de artıları ve eksileri vardır. Daha önceki şönt yöntemleri daha az doğru olarak kabul edildi, ancak yakın zamanda izole edilmiş yükselticiler ve modülatörlerle yüksek hassasiyetli şönt tasarımlarının mevcut olması nedeniyle bunlar, salon sensörü tabanlı yönteme göre daha çok tercih edilmektedir.
Pil durumu Tahmini
Bir BMS'nin temel hesaplama gücü, Pil durumunu tahmin etmeye adanmıştır. Bu, SOC ve SOH ölçümlerini içerir. SOC, hücre voltajı, akımı, şarj profili ve deşarj profili kullanılarak hesaplanabilir. SOH, pilin şarj döngüsü sayısı ve performansı kullanılarak hesaplanabilir.
"Bir Pilin SOC'si nasıl ölçülür?"
Bir pilin SOC'sini ölçmek için her biri kendi giriş değerlerine sahip birçok algoritma vardır. SOC için en yaygın kullanılan yöntem , Coulomb Sayımı, diğer bir deyişle defter tutma yöntemi olarak adlandırılır. Tartışacağız