Sistema de gestió de bateries (bms) per a vehicles elèctrics

El 7 ^º gener de 2013, un vol de Boeing 787 estava estacionat per al manteniment, durant el qual un mecànic flames es va adonar i el fum procedent de la unitat de potència auxiliar (bateria de liti Pack) de el vol, que s'utilitza per alimentar els sistemes electrònics de vol. Es van fer esforços per apagar el foc, però 10 dies més tard abans que aquesta qüestió podria resoldre, el 16 ^º gener un altre fallada de la bateria es va produir en un vol operat per 787 All Nippon Airways que va provocar un aterratge d'emergència a l'aeroport japonès. Aquestes dues fallades catastròfiques freqüents de la bateria van fer que el vol del Boeing 787 Dreamliners es pogués establir indefinidament, cosa que va embrutar la reputació del fabricant causant enormes pèrdues financeres.

Després d’una sèrie d’investigacions conjuntes dels Estats Units i el Japó, el paquet de bateries de liti de B-787 va realitzar una tomografia computada i va revelar que una de les vuit cèl·lules de ions de Li estava danyada provocant un curtcircuit que va provocar una fugida tèrmica amb foc. Aquest incident es podria haver evitat fàcilment si el sistema de gestió de la bateria del paquet de bateries de ions de Li es dissenyés per detectar / prevenir els curtcircuits. Després d'alguns canvis de disseny i normes de seguretat, el B-787 va començar a volar de nou, però tot i així l'incident continua sent una prova per demostrar el perill que les bateries de liti podrien obtenir si no es manipulaven correctament.

Avançant 15 anys, avui disposem de cotxes elèctrics que utilitzen les mateixes bateries d’ió Li que s’uneixen en centenars, si no en milers. Aquests paquets massius de bateries amb una tensió nominal d’uns 300V es troben al cotxe i subministren fins a 300A (xifres aproximades) durant el funcionament. Qualsevol contratemps acabaria en un gran desastre, motiu pel qual el sistema de gestió de bateries sempre està estressat en els vehicles elèctrics. Per tant, en aquest article aprendrem més sobre aquest sistema de gestió de bateries (BMS) i desglossarem per comprendre el seu disseny i les seves funcions per entendre-ho molt millor. Atès que les bateries i el BMS estan estretament relacionats, és molt recomanable que consulteu els nostres articles anteriors sobre vehicles elèctrics i bateries de vehicles elèctrics.

Per què necessitem un sistema de gestió de bateries (BMS)?

Les bateries de ions de liti han demostrat ser la bateria d’interès per als fabricants de vehicles elèctrics per la seva alta densitat de càrrega i el seu baix pes. Tot i que aquestes bateries s’envallen molt per la seva mida, tenen una naturalesa altament inestable. És molt important que aquestes bateries no estiguin mai sobrecarregades ni descarregades en cap cas que comporti la necessitat de controlar la seva tensió i corrent. Aquest procés es fa una mica més dur, ja que hi ha moltes cel·les reunides per formar un paquet de bateries a EV i totes les cel·les s’han de controlar individualment per garantir la seva seguretat i funcionament eficient, que requereix un sistema especial dedicat anomenat Sistema de gestió de bateries.. A més, per obtenir la màxima eficiència d’un paquet de bateries, hauríem de carregar i descarregar completament totes les cel·les al mateix temps amb la mateixa tensió que de nou requereix un BMS. A part d'això, BMS es fa responsable de moltes altres funcions que es parlaran a continuació.

Consideracions sobre el disseny del sistema de gestió de bateries (BMS)

Hi ha molts factors que s’han de tenir en compte a l’hora de dissenyar un BMS. Les consideracions completes depenen de l'aplicació final exacta en què s'utilitzarà el BMS. A banda dels EV, els BMS també s’utilitzen allà on es tracta d’un paquet de bateries de liti, com ara un panell solar, molins de vent, parets elèctriques, etc. Independentment de l’aplicació, el disseny de BMS hauria de tenir en compte tots o molts dels següents factors.

Control de descàrrega: la funció principal d’un BMS és mantenir les cèl·lules de liti dins de la regió de funcionament segura. Per exemple, una cèl·lula típica de liti 18650 tindrà una tensió nominal d’uns 3V. És responsabilitat del BMS assegurar-se que cap de les cèl·lules del paquet es descarregui per sota de 3V.

Control de càrrega: a part de la descàrrega, el procés de càrrega també ha de ser supervisat per BMS. La majoria de les bateries tendeixen a danyar-se o a disminuir la seva vida útil si es carreguen de forma inadequada. Per al carregador de bateries de liti s’utilitza un carregador de dues etapes. La primera etapa s’anomena corrent constant (CC) durant el qual el carregador genera un corrent constant per carregar la bateria. Quan la bateria gairebé s’omple, la segona etapa s’anomena tensió constant (CV)s'utilitza una etapa durant la qual es subministra una tensió constant a la bateria a un corrent molt baix. El BMS s'ha d'assegurar que tant el voltatge com el corrent durant la càrrega no superin els límits permeables per no carregar ni carregar ràpidament les bateries. El voltatge i el corrent de càrrega màxims admissibles es poden trobar a la fitxa tècnica de la bateria.

Determinació de l'estat de càrrega (SOC): podeu pensar en el SOC com l'indicador de combustible del EV. En realitat, ens indica la capacitat de la bateria del paquet en percentatge. Igual que el del nostre telèfon mòbil. Però no és tan fàcil com sembla. El voltatge i el corrent de càrrega / descàrrega del paquet sempre s’han de controlar per predir la capacitat de la bateria. Un cop es mesura el voltatge i el corrent, hi ha molts algorismes que es poden utilitzar per calcular el SOC del paquet de bateries. El mètode més utilitzat és el mètode de recompte de coulombs; en parlarem més sobre això més endavant a l'article. Mesurar els valors i calcular el SOC també és responsabilitat d’un BMS.

Determinació de l' estat de salut (SOC): la capacitat de la bateria no només depèn del seu perfil de corrent i tensió, sinó també de la seva edat i temperatura de funcionament. El mesurament SOH ens explica l’ edat i el cicle de vida previst de la bateria en funció del seu historial d’ús. D’aquesta manera podem saber quant es redueix el quilometratge (distància coberta després de la càrrega completa) de l’EV a mesura que la bateria envelleix i també podem saber quan s’ha de substituir el paquet de bateries. El SOH també ha de ser calculat i mantingut en la pista pel BMS.

Equilibri cel·lular: una altra funció vital d’un BMS és mantenir l’equilibri cel·lular. Per exemple, en un paquet de 4 cel·les connectades en sèrie, el voltatge de les quatre cel·les sempre hauria de ser igual. Si una cel·la té una tensió inferior o alta que l’altra, afectarà tot el paquet, digueu si una cel·la està a 3,5 V mentre que les altres tres estan a 4 V. Durant la càrrega, aquestes tres cèl·lules assoliran 4,2 V mentre que l’altra acabaria d’arribar a 3,7 V de manera similar, aquesta cèl·lula serà la primera a descarregar-se a 3 V abans que les altres tres. D'aquesta manera, a causa d'aquesta cèl·lula única, totes les altres cèl·lules del paquet no es poden utilitzar al màxim potencial, comprometent l'eficiència.

Per fer front a aquest problema, el BMS ha d'implementar una cosa que s'anomena equilibri cel·lular. Hi ha molts tipus de tècniques d’equilibri cel·lular, però les més utilitzades són les de tipus actiu i passiu. En l'equilibri passiu, la idea és que les cèl·lules amb excés de voltatge seran descarregades forçadament a través d'una resistència de càrrega com per aconseguir el valor de la tensió de les altres cèl·lules. Mentre estigui en equilibri actiu, les cèl·lules més fortes s’utilitzaran per carregar les cèl·lules més febles per igualar el seu potencial. Més endavant aprendrem més sobre l’equilibri cel·lular en un article diferent.

Control tèrmic: la vida i l’eficiència d’un paquet de bateries de liti depenen en gran mesura de la temperatura de funcionament. La bateria tendeix a descarregar-se més ràpidament en climes càlids en comparació amb les temperatures normals de l’habitació. Si s’afegeix a això el consum de corrent elevat, s’incrementarà encara més la temperatura. Això requereix un sistema tèrmic (principalment oli) en una bateria. Aquest sistema tèrmic només hauria de ser capaç de disminuir la temperatura, però també hauria de poder augmentar la temperatura en climes freds si cal. El BMS s’encarrega de mesurar la temperatura de la cèl·lula individual i controlar el sistema tèrmic en conseqüència per mantenir la temperatura general de la bateria.

Alimentat des de la pròpia bateria: l'única font d'alimentació disponible a l'EV és la pròpia bateria. Per tant, un BMS s’hauria de dissenyar per alimentar-se amb la mateixa bateria que se suposa que ha de protegir i mantenir. Pot semblar senzill, però augmenta la dificultat del disseny del BMS.

Menys potència ideal: un BMS hauria d’estar actiu i en funcionament fins i tot si el cotxe està en marxa o carregant o en mode ideal. Això fa que el circuit BMS s'alimenti contínuament i, per tant, és obligatori que el BMS consumeixi molt menys energia per no esgotar molt la bateria. Quan un EV es deixa sense carregar durant setmanes o mesos, el BMS i altres circuits tendeixen a drenar la bateria per si mateixos i, finalment, necessiten carregar-los o carregar-los abans del següent ús. Aquest problema continua sent comú fins i tot amb cotxes populars com Tesla.

Aïllament galvànic: el BMS actua com a pont entre el paquet de bateries i l'ECU del EV. Tota la informació recollida pel BMS s’ha d’enviar a l’ECU per mostrar-la al quadre d’instruments o al tauler. Per tant, el BMS i l'ECU haurien de comunicar-se contínuament a través del protocol estàndard com ara la comunicació CAN o el bus LIN. El disseny de BMS hauria de ser capaç de proporcionar un aïllament galvànic entre la bateria i l'ECU.

Registre de dades: és important que el BMS tingui un gran banc de memòria, ja que ha d’emmagatzemar moltes dades. Valors com el SOH de salut només es poden calcular si es coneix l'historial de càrrega de la bateria. Per tant, el BMS ha de fer un seguiment dels cicles de càrrega i del temps de càrrega de la bateria a partir de la data d’instal·lació i interrompre aquestes dades quan sigui necessari. Això també ajuda a proporcionar servei postvenda o a analitzar un problema amb el vehicle elèctric per als enginyers.

Precisió: quan una cèl·lula s'està carregant o descarregant, el voltatge creix o disminueix gradualment. Malauradament, la corba de descàrrega (tensió vs temps) d'una bateria de liti té regions planes, per tant el canvi de tensió és molt menor. Aquest canvi s'ha de mesurar amb precisió per calcular el valor del SOC o utilitzar-lo per a l'equilibri cel·lular. Un BMS ben dissenyat pot tenir una precisió de fins a ± 0,2 mV, però hauria de tenir una precisió mínima d’1mV-2mV. Normalment, s’utilitza un ADC de 16 bits en el procés.

Velocitat de processament: el BMS d'un EV ha de fer molts trets per calcular el valor de SOC, SOH, etc. Hi ha molts algorismes per fer-ho, i alguns fins i tot utilitzen l'aprenentatge automàtic per fer la tasca. Això fa que el BMS sigui un dispositiu amb gana de processament. A part d'això, també ha de mesurar el voltatge de la cèl·lula a través de centenars de cèl·lules i notar els canvis subtils gairebé immediatament.

Blocs de construcció d’un BMS

Hi ha molts tipus diferents de BMS disponibles al mercat, podeu dissenyar-ne un sol o fins i tot adquirir l’IC integrat que estigui disponible. Des de la perspectiva de l'estructura de maquinari, només hi ha tres tipus de BMS basats en la seva topologia: BMS centralitzat, BMS distribuït i BMS modular. Tanmateix, la funció d'aquest BMS és similar. A continuació es mostra un sistema genèric de gestió de bateries.

Adquisició de dades BMS

Analitzem el bloc de funcions anterior des del seu nucli. La funció principal del BMS és controlar la bateria per a la qual necessita mesurar tres paràmetres vitals, com ara el voltatge, el corrent i la temperatura de totes les cel·les del paquet de bateries.. Sabem que els paquets de bateries es formen connectant moltes cel·les en configuració en sèrie o en paral·lel, com el Tesla té 8.256 cel·les en què 96 cel·les es connecten en sèrie i 86 es connecten en paral·lel per formar un paquet. Si un conjunt de cel·les està connectat en sèrie, hem de mesurar la tensió a través de cada cel·la, però el corrent de tot el conjunt serà el mateix, ja que el corrent serà el mateix en un circuit en sèrie. De la mateixa manera, quan un conjunt de cel·les estan connectades en paral·lel, hem de mesurar només tota la tensió, ja que la tensió de cada cel·la serà la mateixa quan estigui connectada en paral·lel. La imatge següent mostra un conjunt de cel·les connectades en sèrie, es pot notar el voltatge i la temperatura mesurats per a cèl·lules individuals i el corrent del paquet es mesura en conjunt.

"Com es mesura el voltatge de la cèl·lula a BMS?"

Com que un EV típic té un gran nombre de cel·les connectades entre si, és una mica difícil mesurar el voltatge individual de les cel·les d’un paquet de bateries. Però només si coneixem el voltatge de la cèl·lula individual, podem realitzar un equilibri de cèl·lules i proporcionar protecció de la cèl·lula. Per llegir el valor de tensió d’una cel·la s’utilitza un ADC. Però la complexitat és elevada, ja que les bateries estan connectades en sèrie. És a dir, els terminals a través dels quals es mesura la tensió s’ha de canviar cada vegada. Hi ha moltes maneres de fer-ho mitjançant relés, muxes, etc. A part, també hi ha alguns IC de gestió de bateries, com MAX14920, que es poden utilitzar per mesurar tensions de cèl·lules individuals de diverses cèl·lules (12-16) connectades en sèrie.

"Com es mesura la temperatura cel·lular per a BMS?"

A part de la temperatura cel·lular, de vegades el BMS també ha de mesurar la temperatura del bus i la temperatura del motor, ja que tot funciona amb un corrent elevat. L'element més comú utilitzat per mesurar la temperatura s'anomena NTC, que significa Coeficient de temperatura negativa (NTC). És similar a una resistència però canvia (disminueix) la seva resistència en funció de la temperatura que l’envolta. Mesurant la tensió a través d’aquest dispositiu i mitjançant una simple llei d’ohms podem calcular la resistència i, per tant, la temperatura.

Interfície analògica multiplexada (AFE) per mesurar el voltatge i la temperatura de les cèl·lules

Mesurar el voltatge de la cèl·lula pot ser complex ja que requereix una alta precisió i també pot injectar sorolls de commutació de mux, a part d'això, cada cèl·lula està connectada a una resistència a través d'un commutador per a l'equilibri de la cèl·lula. Per superar aquests problemes s’utilitza un circuit frontal AF analògic. Un AFE té mòduls Mux, buffer i ADC incorporats amb alta precisió. Podria mesurar fàcilment el voltatge i la temperatura amb el mode comú i transferir la informació al microcontrolador principal.

"Com es mesura el corrent del paquet per a BMS?"

El paquet de bateries EV pot obtenir un gran valor de corrent fins a 250A o fins i tot elevat, a part d’això també hem de mesurar el corrent de tots els mòduls del paquet per assegurar-nos que la càrrega es distribueix de manera uniforme. Mentre dissenyem l’element de detecció actual, també hem de proporcionar aïllament entre el dispositiu de mesura i el de detecció. El mètode més utilitzat per detectar el corrent és el mètode Shunt i el mètode basat en el sensor Hall. Tots dos mètodes tenen els seus pros i els seus contres. Els mètodes de derivació anteriors es consideraven menys precisos, però amb la disponibilitat recent de dissenys de derivació d'alta precisió amb amplificadors i moduladors aïllats, són més preferits que el mètode basat en el sensor de sala.

Estimació de l'estat de la bateria

La major potència computacional d'un BMS es dedica a estimar l'estat de la bateria. Això inclou la mesura de SOC i SOH. El SOC es pot calcular mitjançant la tensió de la cel·la, el corrent, el perfil de càrrega i el perfil de descàrrega. El SOH es pot calcular utilitzant el nombre de cicles de càrrega i el rendiment de la bateria.

"Com es mesura el SOC d'una bateria?"

Hi ha molts algorismes per mesurar el SOC d’una bateria, cadascun amb els seus propis valors d’entrada. El mètode més utilitzat per a SOC es diu mètode de comptabilització de Coulomb, també conegut com a llibre. En parlarem