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电动汽车电池管理系统(BMS)

   日期:2019-11-30     浏览:0    
核心提示:电动汽车电池管理系统(BMS)
 

电动汽车电池管理系统(BMS)

2013年1月,一架波音787飞机停靠进行护卫,在此时代,机修工留心到该飞机募捐动力摆设(锂电池组)发出的火焰与烟雾,该能源摆设用于为电子遨游细碎供应能源。起劲扑灭了大火,但在此标题问题得以解决的10天后,1月16 ,整日空航空公司经营的787航班又产生了一次电池劝阻,招致日本机场告急下降。这两次多次的磨折性电池劝止使波音787梦幻客机无刻日停飞,这损害了出产商的可耻,造成远大的财务流失。

在经过美国和日本的一系列联合查询拜访以后,B-787锂电池组进行了CT扫描,发明八个锂离子电池中的一个遭到败不好,引起短路,诱发烧失控并着火。假定将锂离子电池组的电池操持系统设计为检测/防止短路,则可以轻松预防此变乱。通过一些设计更改与安然划定规矩后,B-787再一次起源遨游,但事务依旧具有,以证明若是处置惩罚不妥,锂电池会变得这样殛毙。

 

快进15年,旧日,我们有使用不异锂离子电池的电动汽车,它们以数百乃至数千的数量包装在一同。这些特别电压约为300V的大型电池组可安设在汽车中,并在运转期间提供高达300A(切确的数字)的电流。此处的任何可怜都市导致宏壮的魔难,这等于为何电动汽车始终强调电池管理细碎的原由。是以,在本文中,我们将了然有关此电池筹划体系(BMS)的更多消息,并深化分明其设计与功能以更好地了解它。由于电池与BMS亲近相关,因此暴烈提倡浏览我们以前无关电动汽车EV电池的文章

 

为什么咱们需要电池筹算琐细(BMS)?

锂离子电池由于其高电荷密度与低份量而被证实是电动汽车制作商关注的电池。即便这些电池因其尺寸而包装许多,但它们在本质上是高度不稳定的。尤为重要的是,退休何需要看管其电压与电流的状况下,这些电池均不得太甚充电或放电缺失。这个进程变得有点艰巨,由于在电动汽车中有良多电池组在共同造成一个电池组,每一个电池的安全性和高效运转都应受到独自监控,这需要一个称为电池希图零碎的特殊专用零碎同样,为了从电池组中失掉最大的听从,我们理当在同暂年华以相反的电压对所有电池进行彻底充电与放电,这再一次需要BMS。除此以外,BMS还仔细许多其他功能,这些功能将在下面接头。

电池办理琐细(BMS)设计当心事项

设计BMS时需要思虑得多成份。残破的思索取决于要使用BMS的确切最终使用顺序。除了电动汽车的BMS之外,还可以在波及锂电池组的任何地方使用太阳能电池板,风车,电源墙等。无论运用是甚么,BMS设计都应思量以下所有或许多成份。

 

放电牵制: BMS的首要功能是将锂电池坚持在安全的哄骗区域内。比如,典范的18650锂电池的额外欠电压约为3V。BMS有义务确保电池组中的所有电池均不会在3V以下放电。

 

充电控制:除放电外,BMS还应监控充电过程。假如充电不妥,大少数电池容易废弛或寿命收缩。对于锂电池充电器,使用2级充电器所述第一级被称为恒流(CC) 在此时期充电器输入恒定电流对电池进行充电。当电池快满时,第二阶段称为恒定电压(CV)使用阶段,在此阶段以很是低的电流向电池提供恒定电压。BMS应确保充电过程当中的电压与电流均不逾越可渗入极限,免得对电池过分充电或快捷充电。会在电池的数据表中找到最大准予的充电电压和充电电流。

 

充电状态(SOC)肯定:您可以将SOC视为EV的燃油批示器。它理论上以百分比秘要咱们电池组的电池容量就像咱们电话中的谁人一样。但这并不像听起来那么容易。应一直监测电池组的电压和充电/放电电流,以料想电池的容量。一旦测量了电压和电流,即可使用许多算法来共计电池组的SOC。最经常使用的方法是库仑计数法 ; 咱们将在文章的负面临此进行更多计议。测量值和共计SOC也是BMS的职责。

 

健康形态(SOC)的肯定:电池的容量不仅取决于其电压与电流曲线,还取决于其寿命与任务温度。SOH丈量根据使用汗青机密咱们无关电池寿命和预期寿命这样,我们就可以晓得随着电池寿命的延长,电动汽车的行驶里程(布满电后的行驶距离)会削减几何,我们还可以晓得甚么时候该当更换电池组。SOH还该当由BMS总计并维持在跟踪形态。

 

电池平衡: BMS的另一个重要功能是维持电池平衡。好比,在串连毗连的4个电池组中,所有四个电池的电压应始终相等。如果一个电池的电压低于另外一个电池的电压或电压高于另外一个电池的电压,则将影响整个电池,好比,一个电池电压为3.5V,而其他三个电池电压为4V。在充电时期,这三个电池将抵达4.2V,而另一个电池将刚抵达3.7V,类似地,该电池将是第一个在其他三个电池以前放电至3V的电池。这样,由于该单电池,不克不及将电池组中的所有其他电池用于其最大电势,从而低落了遵从。

 

为明白决这个题目,BMS必须完成一种称为“电池平衡”的功能。电池单元平衡技术手段的类型很多,但常用的是主动和踊跃类型的电池单位平衡在无源平衡中,设法是具有太高电压的电池将被强迫通过类似电阻的负载放电,以到达其他电池的电压值。在主动平衡时,较强的电池将用于为较弱的电池充电,以平衡其电势。咱们稍后将在另一篇文章中熟谙无关电池单元平衡的更多消息。

 

热控制:锂电池组的寿命与死守在很大程度上取决于任务温度。所述电池偏袒于放电与正常室温下对照在燥热天色更快除此以外,大电流的淹灭将进一步进步温度。这要求电池组中有一个热琐细(首要是油)。该热体系应仅能够低落温度,但若需要,还应能够在严寒天气中升高温度。BMS经受测量单个电池的温度并相应地管束热琐屑,以维持电池组的小我温度。

 

由电池本身供电 EV中独一可用的电源是电池本身。因而,BMS理当设计为由应该关心与维护的电池供电这听起来很容易,但是确实增加了BMS设计的难度。

 

志向功率低落:即使汽车在行驶,充电或处于志向形式,BMS也应处于活动形态并正在运转。这使得BMS电路可以陆续供电,因而BMS损耗的功率颇为少,以免靡费电池。当电动汽车几周或多个月不充电时,BMS与其他电路会自行耗尽电池的电量,并终极需要进行不变或充电后才能使用。即使是像特斯拉这样的受欢迎的汽车,这个题目如故很遍布。

 

电流隔绝: BMS充任电池组和EV的ECU之间的桥梁BMS征集的所有新闻都必需发送到ECU,以显示在组合仪表或仪表板上。因此,BMS与ECU应当通过诸如CAN通信或LIN总线之类的尺度协议持续进行大多半通讯。BMS设计应能够在电池组与ECU之间供给电流隔离。

 

数据记载:对于BMS来讲,领有大容量的存储库十分须要,因为它必需存储大量数据。仅在知道电池的充电汗青记载后才能合计康健形态SOH之类的值。是以,BMS必需跟踪从安装之日起电池组的充电周期与充电时间,并在需要时终了这些数据。这有了助于为工程师供应售后效能或分析电动汽车的问题。

 

准确性:对电池进行充电或放电时,电池两头的电压会逐渐增进或高涨。倒楣的是,锂电池的放电曲线(电压与时日)具有平整的区域,因而电压的变化十分小。必需准确丈量此更改,以合计SOC值或将其用于电池平衡。设计良好的BMS可以具有高达±0.2mV的精度,但最低应具有1mV-2mV的精度。一样平常在此过程当中使用16位ADC。

 

处置惩罚速度:电动汽车的BMS必须进行少量的数字运算来计较SOC,SOH等的值。有许多算法可以做到这一点,以致有一些算法是使用机器进修来完成任务的。这使BMS成为处理饥饿的装备。除此以外,它还必需测量数百个电池上的电池电压,并几乎当即属意到纤细的更换。

 

BMS的建设块

市场上有许多一致类型的BMS,您可以自己设计一个,甚至采办现成的集成IC。从硬件布局的角度来看,基于其拓扑的BMS只需三种:斥逐式BMS,分布式BMS与模块化BMS。然而,这些BMS的功能但凡相似的。通用电池贪图琐细下列所示。

BMS数据采集

让我们从其核心来剖析上述功能块。BMS的首要功能是监视电池,该电池需要测量三个必要参数,譬如电池组中每个电池的电压,电流和温度咱们晓得,电池组是通过勾结或并联配置许多电池来形成的,就像特斯拉有8256个电池,个中96个电池勾串联接,而86个并联则形成电池组。若是一组电池勾通连接,则咱们必须测量每个电池上的电压,然则整个组的电流将相似,由于串联电路中的电流将不异。类似地,当一组电池并联毗连时,咱们仅需丈量整个电压,因为并联联接时每一个电池中间的电压将类似。下图展现了一组串连连贯的电池,您会寄望到单个电池正在测量的电压和温度,况且电池组电流小我私家进行了丈量。

“如安在BMS中丈量电池电压?”

由于典范的EV具有少量毗邻在一块儿的电池,因而测量电池组的单个电池电压有些挑战。但是只要知道单个电池的电压,我们才能实行电池平衡并供应电池保护。为了读取电池的电压值,使用了一个ADC。可是由于电池是勾通毗连的,于是触及的烦复度很高。意味着每次都必须窜改测量电压的端子。有良多门径可以做到这一点,涵概继电器,多路复用器等。除此之外,另有一些电池方案IC,譬如MAX14920,可用于丈量勾搭毗邻的多个电池(12-16)的单个电池电压。

 

“如作甚BMS测量电池温度?”

除了电池温度,偶尔BMS还必需测量总线温度与电动机温度,由于全体都在大电流下任务。用于测量温度的最多见元素称为NTC,它代表负温度系数(NTC)。它类似于电阻器,但会遵照其周围的温度来旋转(减小)其电阻。通过测量该设施中间的电压并使用简单的欧姆定律,我们可以总计电阻,从而合计温度。

 

用于电池电压和温度测量的多路复用摹拟前端(AFE)

丈量电池电压可能会变得很冗杂,因为它需要很高的精度,并且可能还会从多路复用器注入开关噪声,因此每个电池都通过开关系接到电阻,以完成电池平衡。为了压榨这些问题,使用了AFE –摹拟前端IC。AFE具有高精度的内置Mux,缓冲器与ADC模块。它可以轻松地在共模下测量电压和温度,并将动态传输到主微管教器。

 

“如何为BMS丈量电池组电流?”

EV电池组可以提供高达250A以致更高的大电流值,除此之外,我们还必须测量电池组中每个模块的电流以确保负载平匀散播。在设计电流传感元件时,咱们还必须在丈量与传感配备之间供应阻隔。感应电流最经常使用的法子是分流方法和基于霍尔传感器的门径。两种办法各有利弊。较早的分流方法被认为不太准确,但是随着具有拒却放大器与调制器的高精度分流设计的最新应用,它们比基于霍尔传感器的办法更为可取。

 

电池状态约莫

BMS的主要计较手段专门使用于估计电池形态。这采集SOC与SOH的丈量SOC可以使用电池电压,电流,充电曲线与放电曲线来共计。可以通过使用充电次数与电池性能来较量争论SOH。

 

“若何丈量电池的SOC?”

有不少算法可以丈量电池的SOC,每种算法都有本身的输入值。SOC最经常使用的门径称为库仑计数又喻为簿记门径我们稍后将接头更多。除此以外,下面列出了许多其他初级和更繁冗的算法。

基础底细办法

  • 库仑计数法
  • 安时(Ah)方式
  • 开路电压(OCV)方法
  • 阻抗/红内线丈量方法 

基于机械深造的算法

  • 神经网络含糊逻辑
  • 支持向量机

进阶办法

  • 使用卡尔曼滤波器的状态空间模型预计

 

库仑计数技能

到目前为止,库仑计数技艺是最常用且最易理解的算法。基于这样的究竟,即总输入电量与电池的最大容量之比将得出SOC值雷同的公式以下。

SOC =总充电输入/最大容量

 

只管电池的最大容量将在电池的数据表中提及,但计较总电荷输入需要一些数学方式。输入的总电荷不外是电流和年光的乘积,然则电流的值会按照工夫而更动,因此我们必须使用电流积分办法来肯定总电荷输入。涣散电流值取自旧例内部,而且这些值的积分将为我们供给总电荷输入的值。

为了便于理解,如果咱们以为电流值恒定为2A(4小时),则输入的总电荷值为8Ah,假设电池的最大容量为25Ah,则SOC值为((2 * 4) / 25)32%。然而这类方法不是很靠得住,由于跟着电池的老化,电池的最大容量会减少。因此,开拓了许多其他算法。

 

电池建模

要使用下面根究的任何算法或考证BMS能否按预期工作,咱们需要为电池组斥地数学模子。

 

“为甚么咱们需要电池建模?”

榜样的电池组笼统需要6个小时才能充电,而别的6个小时才能放电。电池的电压和电流曲线在充电与放电期间会依照负载,寿命,温度与许多此类前提而有所分歧。在电池组的整个生命周期中,理论上弗成能在所有要求的前提下对电池进行充电和放电,以查看BMS能否按预期工作。这即是斥地电池模型的缘故原由。在BMS的垦荒阶段,此模型可以充任假造电池(轮回中的硬件)。

SOC与SOH的准确性还取决于电池模子的准确性;是以,它应不停供给高保真度与鲁棒性。电池型号的榜样用法如下图所示

 

无理想的电池模子中,输入电压应等于输入电压,瑕玷值应为零。但是在现实中这种状况很难完成,因为有不少参数会影响琐细,比喻温度,使用年限等。可用的电池模型很多,可以将其约略分为集总参数模子,等效电路模型与电化学模子,而电化学模型是最难,最准确的模子。

 

BMS –热意图

除了测量电压,电流与温度并算计SOC,SOH等外,BMS还具有调节电池温度的另外一个紧要任务如果在更高或更低的温度下行使,电池组的放电速率会更快。为防止这类状况,电池中使用了冷却细碎。比方,特斯拉使用液体冷却,此中将一根管子穿过电池组,使其与所有电池单位交战。日后使冷却剂(如水或乙二醇)通过管道。冷却液的温度由BMS根据电池温度控制。除此之外,电池还使用空气或化学药品来维持所需的温度。

 

这样,咱们就能在这里竣事本文了,对付BMS及其工作事理尚有得多常识要晓得。现今,瑞萨(Renesas),德州仪器(Texas Instruments)等许多硅公司都有自己的BMS IC与工具套件系列,可以为您完成硬件拉拔任务,而您无需花太多精神就可以使用它。跟着市场上每款新电动汽车的进行,BMS都变得愈加智能和易于使用。

 
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