Hệ thống quản lý pin (bms) cho xe điện

Vào ngày 7 ^tháng Tháng 1 năm 2013, một chuyến bay Boeing 787 đã được đậu để bảo trì, trong đó một ngọn lửa chú ý cơ khí và khói bốc ra từ các đơn vị năng lượng phụ trợ (Lithium pin Pack) của chuyến bay, được sử dụng quyền lực các hệ thống máy bay điện tử. Nỗ lực đã được thực hiện để dập lửa tắt, nhưng 10 ngày sau đó trước khi vấn đề này có thể được giải quyết, ngày 16 ^tháng Tháng một khác thất bại pin xảy ra trong một chuyến bay 787 được điều hành bởi All Nippon Airways khiến hạ cánh khẩn cấp tại sân bay Nhật Bản. Hai lần hỏng pin thảm khốc này đã khiến chuyến bay Boeing 787 Dreamliners phải dừng vô thời hạn, điều này làm hoen ố danh tiếng của nhà sản xuất, gây thiệt hại lớn về tài chính.

Sau một loạt cuộc điều tra chung của Mỹ và Nhật Bản, bộ pin Lithium của B-787 đã được chụp CT và phát hiện ra rằng một trong tám tế bào Li-ion đã bị hỏng gây ra đoản mạch gây cháy nổ nhiệt. Sự cố này có thể dễ dàng tránh được nếu hệ thống quản lý Pin của bộ pin Li-ion được thiết kế để phát hiện / ngăn ngừa đoản mạch. Sau một số thay đổi thiết kế và các quy định an toàn, B-787 bắt đầu bay trở lại, nhưng sự cố vẫn là một bằng chứng để chứng minh pin lithium nguy hiểm như thế nào nếu không được xử lý đúng cách.

15 năm trôi qua, ngày nay chúng ta có những chiếc ô tô điện sử dụng cùng loại pin Li-ion được đóng gói với nhau hàng trăm nếu không muốn nói là hàng nghìn chiếc. Những bộ pin khổng lồ với định mức điện áp khoảng 300V này nằm trong xe và cung cấp dòng điện cao tới 300A (số liệu thô) trong quá trình hoạt động. Bất kỳ sai sót nào ở đây đều sẽ dẫn đến một thảm họa lớn, đó là lý do tại sao hệ thống Quản lý pin luôn bị căng thẳng trong EVs. Vì vậy, trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về Hệ thống quản lý pin (BMS) này và phân tích để hiểu thiết kế và chức năng của nó để hiểu rõ hơn nhiều. Vì pin và BMS có liên quan chặt chẽ với nhau nên chúng tôi đặc biệt khuyên bạn nên xem qua các bài viết trước của chúng tôi về Xe điện và pin của EV.

Tại sao chúng ta cần Hệ thống Quản lý Pin (BMS)?

Pin Lithium-ion đã được chứng minh là loại pin được các nhà sản xuất Xe điện quan tâm vì mật độ điện tích cao và trọng lượng thấp. Mặc dù những viên pin này có rất nhiều lỗ hổng vì kích thước của nó nhưng bản chất chúng rất không ổn định. Điều rất quan trọng là các pin này không bao giờ được sạc quá mức hoặc phóng điện trong bất kỳ trường hợp nào đòi hỏi phải theo dõi điện áp và dòng điện của nó. Quá trình này trở nên khó khăn hơn một chút vì có rất nhiều tế bào ghép lại với nhau để tạo thành một bộ pin trong EV và mỗi tế bào phải được giám sát riêng để đảm bảo an toàn và hoạt động hiệu quả, đòi hỏi một hệ thống chuyên dụng đặc biệt gọi là Hệ thống quản lý pin. Ngoài ra, để có được hiệu suất tối đa từ bộ pin, chúng ta nên sạc và xả hoàn toàn tất cả các tế bào cùng lúc ở cùng một điện áp mà một BMS lại gọi vào. Ngoài ra, BMS chịu trách nhiệm về nhiều chức năng khác sẽ được thảo luận dưới đây.

Cân nhắc thiết kế hệ thống quản lý pin (BMS)

Có rất nhiều yếu tố được xem xét khi thiết kế một BMS. Việc xem xét đầy đủ phụ thuộc vào ứng dụng cuối chính xác mà BMS sẽ được sử dụng. Ngoài EV's BMS cũng được sử dụng ở bất cứ nơi nào có liên quan đến bộ pin lithium như mảng bảng điều khiển năng lượng mặt trời, cối xay gió, tường điện, v.v. Bất kể ứng dụng, thiết kế BMS nên xem xét tất cả hoặc nhiều yếu tố sau.

Kiểm soát xả: Chức năng chính của BMS là duy trì các tế bào lithium trong vùng hoạt động an toàn. Ví dụ, một tế bào Lithium 18650 điển hình sẽ có định mức điện áp dưới khoảng 3V. BMS có trách nhiệm đảm bảo rằng không có ô nào trong gói được phóng điện dưới 3V.

Kiểm soát sạc: Ngoài việc xả, quá trình sạc cũng phải được BMS giám sát. Hầu hết các loại pin đều có xu hướng bị hỏng hoặc giảm tuổi thọ khi sạc không đúng cách. Đối với bộ sạc pin lithium, bộ sạc 2 giai đoạn được sử dụng. Các giai đoạn đầu tiên được gọi là hiện tại Constant (CC) trong đó bộ sạc kết quả đầu ra một hằng số hiện tại để sạc pin. Khi pin gần đầy, giai đoạn thứ hai được gọi là Điện áp không đổi (CV)giai đoạn được sử dụng trong đó điện áp không đổi được cung cấp cho pin ở dòng điện rất thấp. BMS phải đảm bảo cả điện áp và dòng điện trong quá trình sạc không vượt quá giới hạn cho phép để không sạc quá mức hoặc sạc nhanh cho pin. Điện áp sạc tối đa cho phép và dòng sạc có thể được tìm thấy trong biểu dữ liệu của pin.

Xác định trạng thái sạc (SOC): Bạn có thể coi SOC là chỉ số nhiên liệu của EV. Nó thực sự cho chúng ta biết dung lượng pin của gói theo phần trăm. Giống như cái trong điện thoại di động của chúng tôi. Nhưng nó không phải là dễ dàng như nó âm thanh. Điện áp và dòng điện sạc / xả của gói phải luôn được theo dõi để dự đoán dung lượng của pin. Sau khi đo điện áp và dòng điện, có rất nhiều thuật toán có thể được sử dụng để tính SOC của bộ pin. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp đếm coulomb; chúng ta sẽ thảo luận thêm về điều này sau trong bài viết. Đo lường các giá trị và tính toán SOC cũng là trách nhiệm của BMS.

Xác định trạng thái sức khỏe (SOC): Dung lượng của pin không chỉ phụ thuộc vào cấu hình điện áp và dòng điện mà còn phụ thuộc vào tuổi và nhiệt độ hoạt động của pin. Phép đo SOH cho chúng ta biết về tuổi và vòng đời dự kiến ​​của pin dựa trên lịch sử sử dụng của nó. Bằng cách này, chúng tôi có thể biết quãng đường (quãng đường đi được sau khi sạc đầy) của EV giảm bao nhiêu khi pin già đi và chúng tôi cũng có thể biết khi nào nên thay bộ pin. SOH cũng nên được BMS tính toán và theo dõi.

Cân bằng tế bào: Một chức năng quan trọng khác của BMS là duy trì sự cân bằng tế bào. Ví dụ, trong một gói gồm 4 ô mắc nối tiếp, điện áp của cả bốn ô phải luôn bằng nhau. Nếu một ô có điện áp thấp hơn hoặc cao hơn ô kia, nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ gói, giả sử nếu một ô ở 3,5V trong khi ba ô còn lại ở 4V. Trong quá trình sạc, ba tế bào này sẽ đạt được 4,2V trong khi tế bào còn lại chỉ đạt đến 3,7V, tương tự như vậy tế bào này sẽ là đầu tiên xả xuống 3V trước ba tế bào kia. Bằng cách này, bởi vì ô đơn này, tất cả các ô khác trong gói không thể được sử dụng hết tiềm năng của nó, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả.

Để giải quyết vấn đề này, BMS phải thực hiện một thứ gọi là cân bằng tế bào. Có nhiều loại kỹ thuật cân bằng tế bào, nhưng những kỹ thuật thường được sử dụng là kỹ thuật cân bằng tế bào loại chủ động và thụ động. Trong cân bằng thụ động, ý tưởng là các tế bào có điện áp dư thừa sẽ bị phóng điện cưỡng bức qua một tải như điện trở để đạt đến giá trị điện áp của các tế bào khác. Trong khi cân bằng tích cực, các tế bào mạnh hơn sẽ được sử dụng để sạc các tế bào yếu hơn để cân bằng điện thế của chúng. Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về cân bằng tế bào sau trong một bài viết khác.

Kiểm soát nhiệt: Tuổi thọ và hiệu quả của bộ pin Lithium phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ hoạt động. Các pin có xu hướng xả nhanh hơn ở vùng khí hậu nóng so với nhiệt độ phòng bình thường. Thêm vào đó, việc tiêu thụ dòng điện cao sẽ làm tăng nhiệt độ hơn nữa. Điều này đòi hỏi một hệ thống Nhiệt (chủ yếu là dầu) trong một bộ pin. Hệ thống nhiệt này chỉ có thể giảm nhiệt độ nhưng cũng có thể tăng nhiệt độ ở những vùng có khí hậu lạnh nếu cần. BMS chịu trách nhiệm đo nhiệt độ từng cell và điều khiển hệ thống nhiệt phù hợp để duy trì nhiệt độ chung của bộ pin.

Được cấp nguồn từ chính Pin: Nguồn điện duy nhất có sẵn trong EV là chính pin. Vì vậy, BMS nên được thiết kế để được cung cấp năng lượng bởi cùng một loại pin mà nó được cho là để bảo vệ và duy trì. Điều này nghe có vẻ đơn giản nhưng nó làm tăng độ khó của thiết kế BMS.

Công suất lý tưởng ít hơn: BMS phải hoạt động và chạy ngay cả khi xe đang chạy hoặc đang sạc hoặc ở chế độ lý tưởng. Điều này làm cho mạch BMS được cấp nguồn liên tục và do đó bắt buộc BMS phải tiêu thụ điện năng rất ít để không làm hao pin nhiều. Khi EV không được sạc trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng, BMS và các mạch điện khác có xu hướng tự tiêu hao pin và cuối cùng yêu cầu phải được sạc lại hoặc sạc trước khi sử dụng tiếp theo. Vấn đề này vẫn còn phổ biến với những chiếc xe phổ biến như Tesla.

Galvanic Isolation: BMS hoạt động như một cầu nối giữa bộ Pin và ECU của EV. Tất cả thông tin được BMS thu thập phải được gửi đến ECU để hiển thị trên cụm đồng hồ hoặc trên bảng điều khiển. Vì vậy, BMS và ECU nên liên tục giao tiếp thông qua giao thức chuẩn như giao tiếp CAN hoặc bus LIN. Thiết kế BMS phải có khả năng cung cấp cách ly điện giữa bộ pin và ECU.

Ghi dữ liệu: Điều quan trọng đối với BMS là phải có một ngân hàng bộ nhớ lớn vì nó phải lưu trữ rất nhiều dữ liệu. Chỉ có thể tính toán các giá trị như Sate-of-health SOH nếu lịch sử sạc của pin được biết. Vì vậy BMS phải theo dõi các chu kỳ sạc và thời gian sạc của bộ pin kể từ ngày lắp đặt và ngắt các dữ liệu này khi được yêu cầu. Điều này cũng hỗ trợ trong việc cung cấp dịch vụ sau bán hàng hoặc phân tích vấn đề với EV cho các kỹ sư.

Độ chính xác: Khi một tế bào đang được sạc hoặc phóng điện, điện áp trên nó tăng hoặc giảm dần. Thật không may, đường cong phóng điện (Điện áp so với thời gian) của pin lithium có các vùng phẳng do đó sự thay đổi điện áp là rất ít. Sự thay đổi này phải được đo chính xác để tính giá trị của SOC hoặc sử dụng nó để cân bằng tế bào. Một BMS được thiết kế tốt có thể có độ chính xác cao đến ± 0,2mV nhưng nó phải có độ chính xác tối thiểu là 1mV-2mV. Thông thường ADC 16 bit được sử dụng trong quá trình này.

Tốc độ xử lý: BMS của EV phải thực hiện rất nhiều thao tác xử lý số để tính giá trị của SOC, SOH, v.v. Có nhiều thuật toán để thực hiện điều này và một số thậm chí sử dụng máy học để hoàn thành nhiệm vụ. Điều này làm cho BMS trở thành một thiết bị đói xử lý. Ngoài ra, nó còn phải đo điện áp tế bào trên hàng trăm tế bào và nhận thấy những thay đổi tinh vi gần như ngay lập tức.

Xây dựng khối của một BMS

Có rất nhiều loại BMS khác nhau trên thị trường, bạn có thể tự thiết kế một chiếc hoặc thậm chí mua IC tích hợp có sẵn. Từ quan điểm cấu trúc phần cứng, chỉ có ba loại BMS dựa trên cấu trúc liên kết của nó, chúng là BMS tập trung, BMS phân tán và BMS mô-đun. Tuy nhiên, chức năng của các BMS này đều tương tự nhau. Hệ thống quản lý pin chung được minh họa bên dưới.

Thu thập dữ liệu BMS

Hãy phân tích khối chức năng trên từ cốt lõi của nó. Chức năng chính của BMS là theo dõi Pin mà nó cần để đo ba thông số quan trọng như điện áp, dòng điện và nhiệt độ từ mọi ô trong bộ pin. Chúng ta biết rằng các gói Pin được hình thành bằng cách kết nối nhiều ô trong cấu hình nối tiếp hoặc song song, giống như Tesla có 8.256 ô trong đó 96 ô được nối nối tiếp và 86 ô được kết nối song song để tạo thành một gói. Nếu một tập hợp các ô được nối tiếp thì chúng ta phải đo điện áp trên mỗi ô nhưng dòng điện cho toàn bộ sẽ giống nhau vì dòng điện trong mạch nối tiếp sẽ giống nhau. Tương tự như vậy khi một tập hợp các ô được kết nối song song, chúng ta chỉ phải đo toàn bộ điện áp vì điện áp trên mỗi ô sẽ giống nhau khi được kết nối song song. Hình ảnh dưới đây cho thấy một tập hợp các ô được kết nối theo chuỗi, bạn có thể nhận thấy điện áp và nhiệt độ được đo cho các ô riêng lẻ và dòng điện của gói được đo tổng thể.

"Làm thế nào để đo điện áp tế bào trong BMS?"

Vì một EV điển hình có một số lượng lớn các tế bào được kết nối với nhau, nên việc đo điện áp từng tế bào của một bộ pin sẽ gặp một chút khó khăn. Nhưng chỉ khi chúng ta biết điện áp của từng tế bào, chúng ta có thể thực hiện cân bằng tế bào và bảo vệ tế bào. Để đọc giá trị điện áp của ô, ADC được sử dụng. Tuy nhiên, độ phức tạp liên quan là cao vì pin được kết nối theo chuỗi. Có nghĩa là các đầu nối mà điện áp được đo phải được thay đổi mỗi lần. Có nhiều cách để thực hiện việc này liên quan đến rơ le, muxes, v.v… Ngoài ra, còn có một số IC quản lý pin như MAX14920 có thể được sử dụng để đo điện áp từng cell của nhiều cell (12-16) mắc nối tiếp.

"Làm thế nào để đo Nhiệt độ tế bào cho BMS?"

Ngoài nhiệt độ tế bào, đôi khi BMS cũng phải đo nhiệt độ bus và nhiệt độ động cơ vì mọi thứ hoạt động trên dòng điện cao. Phần tử phổ biến nhất được sử dụng để đo nhiệt độ được gọi là NTC, viết tắt của Âm nhiệt độ đồng hiệu quả (NTC). Nó tương tự như một điện trở nhưng nó thay đổi (giảm) điện trở của nó dựa trên nhiệt độ xung quanh nó. Bằng cách đo điện áp trên thiết bị này và bằng cách sử dụng định luật ohms đơn giản, chúng ta có thể tính toán điện trở và do đó là nhiệt độ.

Giao diện trước tương tự đa kênh (AFE) để đo điện áp và nhiệt độ tế bào

Việc đo điện áp tế bào có thể trở nên phức tạp vì nó đòi hỏi độ chính xác cao và cũng có thể tạo ra tiếng ồn chuyển mạch từ mux ngoài điều này, mỗi tế bào được kết nối với điện trở thông qua một công tắc để cân bằng tế bào. Để khắc phục những vấn đề này, sử dụng IC AFE - Analog Front end. AFE tích hợp sẵn Mux, bộ đệm và mô-đun ADC với độ chính xác cao. Nó có thể dễ dàng đo điện áp và nhiệt độ với chế độ chung và chuyển thông tin đến bộ vi điều khiển chính.

"Làm thế nào để đo dòng điện đóng gói cho BMS?"

Bộ pin EV có thể tạo ra một giá trị lớn của dòng điện lên đến 250A hoặc thậm chí cao, ngoài điều này, chúng tôi cũng phải đo dòng điện của mọi mô-đun trong bộ để đảm bảo tải được phân phối đồng đều. Trong khi thiết kế phần tử cảm biến hiện tại, chúng tôi cũng phải cung cấp cách ly giữa thiết bị đo và cảm biến. Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để cảm nhận dòng điện là phương pháp Shunt và phương pháp dựa trên cảm biến Hall. Cả hai phương pháp đều có ưu và nhược điểm của chúng. Các phương pháp shunt trước đây được coi là kém chính xác hơn, nhưng với sự sẵn có gần đây của các thiết kế shunt có độ chính xác cao với bộ khuếch đại và bộ điều biến cách ly, chúng được ưa chuộng hơn phương pháp dựa trên cảm biến hội trường.

Ước tính trạng thái pin

Sức mạnh tính toán chính của BMS được dành riêng để ước tính trạng thái Pin. Điều này bao gồm phép đo SOC và SOH. SOC có thể được tính toán bằng cách sử dụng điện áp cell, dòng điện, cấu hình sạc và cấu hình phóng điện. SOH có thể được tính bằng cách sử dụng số chu kỳ sạc và hiệu suất của pin.

"Làm thế nào để đo SOC của pin?"

Có nhiều thuật toán để đo SOC của pin, mỗi thuật toán có giá trị đầu vào riêng. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất cho SOC được gọi là Phương pháp đếm Coulomb hay còn gọi là phương pháp lưu giữ sổ sách. Chúng ta sẽ thảo luận