Apakah Sistem Pengurusan Bateri?

Sistem Pengurusan Bateri

Sistem Pengurusan Bateri (BMS) ialah peranti yang digunakan untuk mengurus pek bateri dengan berkesan. Untuk kenderaan elektrik,-perkakasan dan perisian BMS yang direka dengan baik boleh meningkatkan jarak pemanduan, memanjangkan jangka hayat pek bateri, mengurangkan kos pengendalian dan memastikan keselamatan dan kebolehpercayaan pek bateri kuasa. Sistem pengurusan bateri kuasa telah menjadi komponen teras yang sangat diperlukan bagi kenderaan elektrik. Bab ini akan menumpukan pada memperkenalkan komposisi, fungsi dan prinsip kerja sistem pengurusan bateri kuasa.

Seni Bina Sistem

Perkakasan sistem pengurusan bateri (BMS) biasa terutamanya merangkumi Unit Pengurusan Bateri (BMU), Unit Pengurusan Sel (CMU), penderia, abah-abah pendawaian, dsb. Dalam reka bentuk sistem bateri kuasa-besar, pilihan seni bina BMS adalah penting, menentukan secara langsung kaedah sambungan antara unit perkakasan dan pendekatan pengaturcaraan perisian serta memberi kesan kepada kos sistem, kebolehpercayaan dan penyelenggaraan, memudahkan ketepatan pengukuran. Berdasarkan topologi antara pengawal dalam BMS, BMS boleh dikategorikan secara meluas kepada dua jenis: bersepadu dan teragih.

1. BM Bersepadu

BMS bersepadu, juga dikenali sebagai-unit BMS tunggal, merujuk kepada BMS yang menyepadukan pengawal teras (BMU) dan pengawal sel (CMU) ke dalam pengawal tunggal, dengan pengawal teras mengendalikan secara langsung pemerolehan data, pemprosesan dan fungsi kawalan. Topologi BMS bersepadu ditunjukkan dalam Rajah 8-1.

 

BMS bersepadu adalah padat, mempunyai keupayaan anti-gangguan yang kuat dan menawarkan komunikasi-pantas, memudahkan pemerolehan data segerak. Tambahan pula, mereka boleh melaksanakan semua fungsi BMS dalam satu pakej, mengurangkan kos. Walau bagaimanapun, BMS bersepadu mempunyai penyambung kompleks dan abah-abah pendawaian, menjadikannya sukar untuk melindungi sistem bateri apabila litar pintas berlaku di bahagian sistem yang berlainan. Ia hanya sesuai untuk modul bateri yang lebih kecil dan mempunyai kebolehskalaan dan kebolehselenggaraan yang lemah.

 

2. BMS yang diedarkan

 

Tidak seperti topologi bersepadu, seni bina yang diedarkan membahagikan kefungsian BMS kepada BMU papan utama dan berbilang CMU hamba. Struktur modular memudahkan pemasangan modul, mengoptimumkan susun atur abah-abah pensampelan dan mengurangkan ketidakkonsistenan penurunan voltan dengan jarak seragam. Kelemahan termasuk kos yang lebih tinggi dan reka bentuk komunikasi dan kawalan yang lebih kompleks. Berdasarkan kepelbagaian kaedah sambungan BMS teragih, ia boleh dibahagikan lagi kepada tiga jenis: sambungan bintang (lihat Rajah 8-2), sambungan bas dan sambungan rantai daisy.

 

(1) Sambungan BintangDalam sambungan bintang, BMU papan utama terletak di tengah, dan setiap modul CMU disambungkan terus ke papan utama BMS melalui abah-abah. Sambungan bintang memudahkan kawalan titik-ke-titik, dan kegagalan satu nod CMU tidak memberi kesan yang ketara kepada sistem. Walau bagaimanapun, apabila bilangan modul meningkat, kerumitan talian komunikasi dalam sambungan bintang meningkat secara eksponen, menjadikan penyelenggaraan sukar dan mengehadkan skalabiliti. Disebabkan oleh pengehadan port papan utama BMS, modul CMU tidak boleh ditambah sewenang-wenangnya, menjadikannya agak jarang berlaku dalam-aplikasi berskala besar.

 

(2) Sambungan BasSeni bina sistem-berasaskan bas memudahkan reka bentuk modular, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8-3. BMS biasanya dibahagikan kepada berbilang unit kawalan: BMU, CMU dan Battery Join Box (BJB). BMU, CMU dan BJB disambungkan melalui CAN atau rangkaian bas lain. BMU melaksanakan fungsi algoritma teras untuk pengurusan bateri; CMU melakukan pemerolehan voltan sel, penyamaan dan pengukuran suhu; BJB melakukan pemerolehan voltan tinggi, arus dan suhu, pemanduan dan diagnostik penyentuh, dan pengesanan penebat untuk pek bateri; pengasingan menyediakan pengasingan elektrik, menghalang aliran balik daripada membakar papan litar dan mengehadkan amplitud gangguan.

 

Seni bina berasaskan bas-menawarkan sambungan komunikasi yang lebih fleksibel dan kebolehskalaan yang kukuh, sangat memudahkan reka bentuk seni bina perkakasan, mencapai modulariti dan meningkatkan kebolehgunaan dan mudah alih sistem. Kelemahan utamanya ialah kosnya yang agak tinggi.

 

Daisy-chaining ialah kaedah sambungan yang agak baharu yang telah muncul dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Antara muka boleh menukar-isyarat SPI dupleks penuh sehingga 1Mb/s kepada isyarat pembezaan dan menghantarnya melalui kabel-pasangan berpintal dan pengubah kos-yang mudah dan rendah. Sebagai contoh, peranti AFE Teknologi Linear (LTC6811) boleh disambungkan untuk membentuk BMS. Pengubah kos-yang kecil dan rendah menggantikan pengasing data. Pada bahagian mikropemproses kawalan utama, IC penyesuai kecil (LTC6820) menyediakan antara muka pengawal utama. Walaupun rangkaian rangkaian daisy satu arah-adalah mudah, kegagalan mana-mana nod boleh menjejaskan komunikasi keseluruhan sistem. Oleh itu, rantai cincin daisy-yang dipertingkatkan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8-4, telah dibangunkan dan digunakan dalam produk BMS pengeluar kenderaan tenaga baharu utama seperti Tesla. Berbanding dengan sambungan bas CAN, daisy{19}}chaining lebih rendah dari segi kos dan lebih kecil saiznya, tetapi ia mempunyai kebolehskalaan yang lemah, bilangan maksimum nod yang terhad dan kesukaran dalam mengendalikan isu pengurusan bateri dalam senario yang lebih kompleks seperti sistem storan tenaga berskala besar.

Fungsi Asas

Secara amnya, fungsi asas Sistem Pengurusan Bateri (BMS) termasuk: pemerolehan data, anggaran keadaan bateri, pengurusan tenaga, pengurusan keselamatan, pengurusan haba, kawalan penyamaan, fungsi komunikasi dan antara muka mesin-manusia. Rajah 8-5 menunjukkan gambar rajah blok berfungsi bagi sistem pengurusan bateri.

1. Pemerolehan Data

Pemerolehan data ialah asas kepada semua algoritma dan kawalan dalam Sistem Pengurusan Bateri (BMS). Oleh itu, ciri kadar pensampelan, ketepatan dan pra{1}}penapis ialah penunjuk penting yang mempengaruhi prestasi sistem bateri. Kadar pemerolehan data ditentukan oleh senario dan fungsi. Contohnya, dengan bekalan kuasa sandaran, kadar pemerolehan data boleh serendah satu bingkai setiap 10 saat atau bahkan seminit; manakala untuk objek dengan arus yang cepat berubah (seperti kenderaan), data mesti diperoleh sekurang-kurangnya sekali setiap 1 saat, dengan beberapa data berkaitan-keselamatan memerlukan frekuensi pensampelan serendah 100ms atau 10ms.

2. Anggaran Keadaan Bateri

Anggaran keadaan bateri terutamanya merangkumi dua aspek:Negeri Bertanggungjawab (SOC)danKeadaan Kesihatan (SOH). SOC mencirikan baki cas semasa pek bateri dan merupakan asas untuk menganggarkan jarak pemanduan kenderaan elektrik. SOH ialah parameter yang digunakan untuk mewakili baki jangka hayat bateri dan keadaan kesihatan yang lain.

3. Pengurusan Tenaga

Pengurusan tenaga memastikan bahawa-masa sebenar tenaga keluaran dan input bateri tidak melebihi kapasiti bawaan bateri dan sistem. Pada hakikatnya, kapasiti cas/nyahcas bateri dipengaruhi oleh suhu, SOC dan SOH, antara faktor lain. Pada masa yang sama, pada peringkat sistem, risiko seperti kepanasan melampau dan keruntuhan litar mesti dielakkan. Oleh itu, pengurusan tenaga ialah proses kawalan global terutamanya menggunakan arus, voltan, suhu, SOC dan SOH sebagai input.

4. Pengurusan Keselamatan

Memantau voltan, arus dan suhu bateri untuk memastikan ia tidak melebihi julat biasa. BMS Moden (Sistem Pengurusan Bateri) bukan sahaja memantau keseluruhan pek bateri tetapi juga menyediakan kawalan yang diperhalusi ke atas keadaan sel individu yang melampau seperti pengecasan berlebihan,-penyahcasan berlebihan dan suhu berlebihan-.

5. Pengurusan Terma

Menyejukkan bateri apabila suhu operasinya terlalu tinggi dan memanaskannya apabila ia jatuh di bawah had bawah suhu operasi yang sesuai untuk memastikan bateri dalam julat operasi optimumnya dan mengekalkan keseimbangan suhu antara sel individu semasa operasi. Pengurusan terma amat diperlukan untuk bateri yang digunakan di bawah-nyahcas kuasa tinggi dan-keadaan suhu tinggi.

6. Kawalan Pengimbangan

Ketidakkonsistenan dalam prestasi bateri boleh menyebabkan penurunan dalam prestasi keseluruhan pek bateri dan juga risiko keselamatan. Litar pengimbangan dipasang di antara sel individu dalam pek bateri untuk memastikan keadaan pengecasan dan nyahcas bagi setiap sel individu adalah sekonsisten yang mungkin, dengan itu meningkatkan prestasi keseluruhan pek bateri.

7. Fungsi Komunikasi

Fungsi penting sistem pengurusan bateri (BMS) adalah untuk membolehkan komunikasi parameter dan maklumat bateri dengan peranti onboard atau offboard, menyediakan data untuk kawalan cas/discharge dan kawalan kenderaan. Bergantung pada aplikasi, pertukaran data boleh menggunakan antara muka komunikasi yang berbeza, seperti isyarat analog, isyarat PWM, bas CAN atau antara muka bersiri I2C.

8. Antara Muka Mesin-Manusia (HMI)

HMI ialah antara muka perantara untuk interaksi mesin-manusia. Ia menggunakan peranti input dan output yang sesuai untuk membolehkan dialog dan interaksi dengan berkesan antara manusia dan mesin yang mereka kendalikan. Dalam BMS, HMI termasuk maklumat paparan dan butang kawalan serta tombol, dikonfigurasikan mengikut keperluan reka bentuk.