Abstracto
Este artículo se centra en los aspectos de hardware de los sistemas de gestión de baterías (BMS) en vehículos eléctricos y aplicaciones fijas. El propósito es resumir los conceptos de los sistemas avanzados existentes, permitiendo a los lectores comprender los factores que deben considerarse al diseñar BMS para aplicaciones específicas. Después de un breve análisis de los requisitos generales, se estudiaron varias estructuras topológicas posibles de los paquetes de baterías y su impacto en la complejidad del BMS. Tomando como ejemplo de explicación cuatro paquetes de baterías seleccionados de vehículos eléctricos disponibles comercialmente. Posteriormente, se discutieron los aspectos de implementación de la medición de las variables físicas requeridas (voltaje, corriente, temperatura, etc.), así como cuestiones y estrategias de equilibrio. Finalmente, se discutieron consideraciones de seguridad y aspectos de confiabilidad.
1. Introducción
La complejidad de los sistemas de gestión de baterías (BMS) depende de la aplicación. Una sola batería, tan simple como un teléfono móvil o un lector de libros electrónicos, se puede medir con un simple "medidor de batería" IC, que puede medir voltaje, temperatura y corriente y estimar el estado de carga (SOC). Tan complejos como los vehículos eléctricos, los BMS necesitan realizar tareas más complejas. Además de medir parámetros básicos como el voltaje, la temperatura y la corriente de la batería, también se requieren algoritmos avanzados para determinar la energía disponible para calcular la autonomía de crucero.
Este trabajo se centra en el aspecto de hardware de los sistemas de gestión de baterías de iones de litio. La Parte 2 presenta los requisitos de hardware para BMS, incluidos los valores de medición, la interferencia electromagnética, el aislamiento eléctrico, los contactores y la redundancia. La Sección 3 proporciona una descripción general de la topología de BMS, aclara las diferencias entre aplicaciones simples y complejas y proporciona un ejemplo de un paquete de baterías de vehículo eléctrico. La sección 4 explica cómo cumplir con los requisitos de la medición del valor físico y los errores comunes. La sección 5 analiza el equilibrio, presenta y compara los métodos de equilibrio de cargos. La Sección 6 se centra en la seguridad y la confiabilidad, incluidos los riesgos y las contramedidas de operar paquetes de baterías de alto voltaje, e introduce brevemente los métodos de medición del aislamiento y las normas relacionadas.
2. Requisitos de diseño para el sistema de gestión de baterías (BMS)
Diseñar un BMS es una tarea compleja que requiere la consideración de requisitos de aplicación específicos, el entorno del sistema y las características de las baterías utilizadas, de los cuales se pueden derivar una serie de requisitos del sistema. En términos generales, los siguientes componentes BMS y requisitos funcionales suelen ser relevantes:
Recogida de temperatura
Selección y colocación de sensores:La recopilación precisa de la temperatura es difícil al diseñar BMS, y se debe considerar el tipo de sensor (digital o analógico) y la ubicación para medir la temperatura del paquete de baterías, lo que determina la cantidad de sensores de temperatura de la batería. A veces es necesario recoger la temperatura de contactores, fusibles o barras colectoras. Normalmente existe una cierta proporción de canales entre los sensores de temperatura y los sensores de tensión.
Requisitos de temperatura para diferentes escenarios de aplicación:Los requisitos de temperatura deben considerar tres situaciones: carga, descarga y almacenamiento, prestando también atención a la constante de tiempo térmica. Las baterías de iones de litio no pueden funcionar correctamente fuera de un rango de temperatura específico y el revestimiento de litio puede ocurrir a altas velocidades de corriente dentro del rango de temperatura normal. Por lo tanto, es necesario recopilar con precisión la temperatura, el voltaje y la corriente. La capacitancia térmica y la conductividad térmica de las baterías se ven afectadas por factores como la estructura de la batería, y la colocación inadecuada de los sensores de temperatura puede provocar lecturas erróneas y puntos ciegos térmicos.
Adquisición de voltaje
Canal de adquisición y precisión:Los BMS clásicos basados en baterías de iones de litio requieren al menos un canal de adquisición de voltaje para cada batería conectada en serie, y algunas aplicaciones automotrices también tienen protección secundaria (lograda a través de un comparador de ventana programable). La tasa de conversión de los datos de adquisición de voltaje varía según la aplicación, y los chips frontales BMS de uso común tienen cierta precisión y resolución de voltaje.
El impacto en la estimación del SOC:Tomando como ejemplos las baterías NMC y LFP, se muestra que la precisión de la adquisición de voltaje tiene un impacto significativo en la estimación del SOC. Cuanto mayor sea la precisión, más precisa será la estimación del SOC y utilizar únicamente datos de voltaje para determinar el SOC puede no ser suficiente.
Figura 1. La comparación de la incertidumbre del SOC depende de la precisión del voltaje de ± 1 mV.
Colección actual
Método de recolección y características del sensor:El SOC se puede determinar no solo midiendo el voltaje de circuito abierto (OCV), sino también utilizando el método de conteo de Coulomb (midiendo corriente e integrando). Sin embargo, los sensores de corriente tienen características no ideales, como deriva, compensación y errores de temperatura, y es posible que deban cumplir simultáneamente diferentes requisitos de rango de medición y tener un cierto ancho de banda.
En aplicaciones prácticas, confiar únicamente en el recuento de Coulomb para determinar el SOC es inexacto, especialmente en condiciones de baja corriente. Para resolver este problema, es posible combinar algoritmos y modelos parametrizados para procesar datos actuales, pero esto está fuera del alcance de este artículo.
Requisitos de comunicación
Comunicación dentro del sistema:BMS necesita comunicarse con todo el sistema (como la electrónica de potencia, la gestión de energía o las unidades de control del vehículo), teniendo en cuenta factores como el modo de comunicación, la velocidad, la robustez y la confiabilidad. Por ejemplo, es posible que sea necesario proporcionar interfaces CAN en vehículos para la comunicación del sistema, y es posible que diferentes aplicaciones ya hayan determinado los requisitos de comunicación a nivel del sistema, a los que BMS debe adaptarse.
Comunicación entre módulos:Para sistemas modulares, es necesario definir el método de comunicación entre los módulos maestro y esclavo, que es similar a los requisitos básicos para la comunicación entre sistemas. En los capítulos siguientes se pueden encontrar ejemplos específicos.
Protección contra interferencias electromagnéticas (EMI)
El impacto de EMI en los sensores:La EMI puede afectar la recopilación de datos de los sensores y todos los sensores son susceptibles a su influencia, lo que puede provocar una ligera distorsión o una total inutilidad de los datos.
Medidas para reducir el impacto de la EMI:Para minimizar el impacto, los motores, los componentes electrónicos de potencia y otras cargas deben tener un buen diseño EMI, y se pueden usar dispositivos de filtrado EMI apropiados, como bobinas de modo común y condensadores de bloqueo, e instalarlos cerca de la ruta de medición del sensor.
Requisitos relacionados con contactores
La función y los requisitos de los contactores:La mayoría de los paquetes de baterías requieren la capacidad de desconectar eléctricamente al menos un electrodo, lo que requiere un contactor adecuado. Debido a la naturaleza especial de la interrupción de la corriente CC y la extinción del arco, los contactores deben tener dispositivos de extinción de arco magnético y deben evitar la soldadura por contacto.
Medidas de seguridad en la operación:Para garantizar la seguridad, se requiere un circuito especial (como una unidad de precarga que consta de un contactor y una resistencia conectados en serie) durante el funcionamiento del interruptor de contactor para garantizar que no haya diferencia de potencial entre los dos extremos y evitar situaciones peligrosas.
Requisitos de redundancia
El papel de la redundancia en la confiabilidad del sistema:Según la norma ISO 26262, la redundancia puede mejorar la confiabilidad del sistema. El voltaje de la batería suele observarse de forma redundante hasta cierto punto, con dos métodos: medición precisa mediante el chip principal e información binaria proporcionada por el chip auxiliar.
Concepto de redundancia de nivel superior:También existen conceptos de redundancia en el procesamiento de nivel superior, como bloqueo gradual, corrección de errores de memoria y mecanismos de autoprueba en CPU especiales.
Requisitos de aislamiento eléctrico
Aislamiento del paquete de baterías:El paquete de baterías generalmente se divide en partes de alto y bajo voltaje, que requieren aislamiento eléctrico y se pueden lograr mediante métodos ópticos, inductivos o capacitivos.
Aislamiento térmico del sensor:Todos los sensores térmicos también deben estar aislados eléctricamente para evitar fallas de alto voltaje que afecten a las partes de bajo voltaje, similar al concepto de diseño de la red TI de distribución de energía.
Requisitos de saldo
El impacto del desequilibrio de carga:Puede haber un desequilibrio de carga entre las baterías conectadas en serie, lo que puede afectar el rendimiento y la confiabilidad del sistema, y generalmente es necesario mantenerlo en un nivel bajo.
Consideraciones de aplicación especiales:Diferentes aplicaciones pueden tener consideraciones especiales, como restricciones de peso o requisitos de corriente de carga, que pueden conducir a la generación de corriente de equilibrio. La sección 5 introducirá más a fondo la necesidad y los métodos de implementación del equilibrio.
Otros requisitos
Requisitos relacionados con la aplicación:La aplicación también puede tener otros requisitos, como espacio, costo, resistencia mecánica del hardware, peso y consumo de energía, que no son el tema central de este artículo pero deben considerarse.
3. Estructura topológica de BMS
Descripción general de la estructura del sistema de batería:Para cumplir con las especificaciones eléctricas del sistema, a menudo es necesario combinar las baterías en paquetes de baterías con múltiples topologías de conexión. La conexión en serie puede alcanzar un rango de voltaje específico y reducir la corriente; La conexión en paralelo puede aumentar la capacidad. Existen diferentes variantes en aplicaciones prácticas, como la conexión en paralelo de baterías de pequeña capacidad en módulos y conexión en serie, o el uso directo de baterías de gran capacidad en conexión en serie. Las diferentes topologías tienen diferentes impactos en la complejidad de BMS, como el mayor costo de monitoreo y equilibrio cuando se conectan varias baterías en serie en paralelo.
Figura 2. Diagrama esquemático de diferentes topologías de paquetes de baterías: (a) celda única; (b) Conexión en paralelo de dos baterías; (c) Conexión en serie de tres baterías; (d) Conexión en paralelo de dos baterías en serie y tres en serie; (e) Una conexión en serie de tres módulos que constan de dos baterías en paralelo.
Tabla 1. Las características de las variantes topológicas se muestran en la Figura 2.
Proporcione un ejemplo para ilustrar el método de conexión de la batería y los requisitos del canal de medición de voltaje: por ejemplo, la combinación de baterías conectadas en serie m y n baterías conectadas en paralelo requiere diferentes números de canales de medición de voltaje para diferentes métodos de conexión.
Discusión de casos especiales:En algunas aplicaciones especiales (como la sonda a Marte y la sonda Rosetta de la Agencia Espacial Europea), es posible que no se realice el monitoreo y el equilibrio de una sola celda debido a factores como el tamaño, el peso y el consumo de energía. Aunque algunas opiniones sugieren que seleccionar cuidadosamente baterías del mismo lote puede omitir el monitoreo, las investigaciones han demostrado que incluso las baterías del mismo lote pueden tener diferentes comportamientos de envejecimiento, y omitir el monitoreo puede presentar riesgos. Sin embargo, para sistemas pequeños y voltajes de batería dentro de un cierto rango, el impacto de omitir el monitoreo puede ser relativamente pequeño.
Relacionado con el circuito integrado (IC)
IC con función de monitoreo básica:Para lograr la función de monitoreo básica del funcionamiento seguro de la batería, los fabricantes de semiconductores proporcionan varios circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC). Para dispositivos electrónicos pequeños con celdas individuales, existe un CI de "indicador de combustible" que puede monitorear el voltaje, la corriente y la temperatura, estimar el SOC y también puede incluir funciones como reguladores de carga. Por ejemplo, "bq27220" de TI y los circuitos integrados relacionados de Maxim.
IC para sistemas de alta potencia y demanda de energía
Modularización y asignación de funciones:Para aplicaciones con altos requisitos de potencia y/o energía, un paquete de baterías consta de varias baterías, y el IC correspondiente puede monitorear simultáneamente varias baterías y proporcionar funcionalidad de equilibrio. Hay un módulo central (BMS Master) en el sistema responsable de funciones complejas como la estimación de SOC y algoritmos de predicción de potencia; El módulo IC frontal (esclavos BMS) es responsable de funciones básicas como la adquisición y el filtrado de señales.
Figura 3. Estructura BMS típica para aplicaciones de vehículos eléctricos.
Diferentes ejemplos de IC y métodos de equilibrio:Por ejemplo, bq76PL536A, MAX11068 y LT6802G-2 de TI proporcionan equilibrio pasivo, mientras que AS8506C de AMS se puede utilizar para topología de equilibrio pasivo y también proporciona capacidad de equilibrio activo. Algunos circuitos integrados tienen productos sucesores y, para mejorar la confiabilidad del monitoreo de voltaje, se pueden usar circuitos integrados de protección secundaria. Aunque un BMS totalmente redundante puede mejorar la confiabilidad, el costo es alto.
Comunicación y transmisión de datos.
Método de conexión IC frontal:Los circuitos integrados frontales generalmente se pueden conectar a través de una cadena tipo margarita, y diferentes circuitos integrados tienen diferentes métodos de interfaz. MAX11068 se conecta a través del puerto I2C, bq76PL536A de TI proporciona múltiples interfaces y LT6802G-2 se conecta a través del bus SPI (requiere un aislador digital adicional).
Método de comunicación del sistema:En el sistema, generalmente se utilizan microcontroladores de bajo costo para conectar circuitos integrados en la misma PCB, y los módulos de otras PCB y módulos principales BMS se conectan a través de un bus de campo (como CAN).
Caso real
Mitsubishi i-MiEV:La batería consta de múltiples módulos conectados mediante tornillos, con 88 baterías prismáticas. La PCB del módulo contiene circuitos integrados de monitoreo y sensores de temperatura, y la carcasa del paquete de baterías contiene múltiples componentes. El módulo principal BMS está ubicado debajo de los asientos traseros del vehículo y se comunica a través de un bus CAN interno. En comparación con otras baterías, su espacio interno es más espacioso, lo que puede ser un efecto secundario de la refrigeración por aire.
Figura 4. (a) Paquete de baterías Mitsubishi i-MiEV; (b) paquete de baterías Volkswagen e-Up; (c) Paquete de baterías de propulsión eléctrica del Smart fortwo. Nota: Los métodos de escalado son diferentes.
Figura 5. (a) Vista superior del módulo de batería del Tesla Model S; (b) Módulo de batería Volkswagen e-Up, módulo 6s2p, vista superior.
Smart Fortwo Edición Eléctrica:La batería consta de baterías de bolsa conectadas de la serie 90, con un sistema de enfriamiento, y las tareas básicas de monitoreo las realiza un IC de TI, similar al bq76PL536A. Cada PCB contiene múltiples circuitos integrados de monitoreo y microcontroladores, y el módulo principal BMS está ubicado dentro de la caja de la batería, con alta integración y pocos cables.
Volkswagen e-Up:La batería contiene múltiples módulos en serie, sin sistema de refrigeración ni dispositivo de desconexión de servicio, módulo BMS centralizado, conectado a la batería y al IC de medición (MAX11068) a través de una gran cantidad de líneas de medición de voltaje, con una gran cantidad de resistencias balanceadas y un microcontrolador sin conversión. señales.
Modelo Tesla S:La batería está compuesta por una gran cantidad de baterías 18650, divididas en múltiples módulos, conectados mediante cables de conexión. El BMS se monitorea utilizando bq76PL536A-Q1 de TI y el voltaje se mide a través de cables de soldadura. En comparación con otras baterías, su nivel de integración es diferente, como el bajo nivel de integración del Volkswagen e-Up y el alto nivel de integración del Smart Fortwo.
4. Descripción general de la tecnología de medición del sistema de baterías HV
La importancia de la tecnología de medición:La tecnología de medición es un componente clave de los sistemas de gestión de baterías, que puede determinar variables de estado como SOC, SOH, SOF, etc. Por lo general, mide variables como el voltaje de la batería, el voltaje total, la corriente total y la temperatura de los sistemas de baterías. Estas variables de estado pueden proteger el sistema de batería de daños como sobrecarga o descarga excesiva y optimizar la utilización del sistema de batería.
Requisitos de los sensores:Determine los requisitos típicos para sensores basados en aplicaciones de almacenamiento de baterías, incluido el costo, el ancho de banda, la precisión, el rango de medición y el tamaño, como se detalla en la Sección 2.
Medición actual
Clasificación del método de medición:Los equipos de captación actual se dividen en dos tecnologías de sensores básicas: conexión eléctrica y aislamiento. La detección de corriente con resistencia en derivación comúnmente utilizada pertenece al tipo de conexión eléctrica, y el sensor Hall es un ejemplo de tipo de aislamiento.
Además de la tecnología de sensores, también hay que tener en cuenta la posición en la batería. Para sistemas de baterías que contienen múltiples cadenas conmutables, cada cadena debe estar equipada con un dispositivo de monitoreo de corriente para rastrear el desequilibrio de energía.
Medición de la resistencia en derivación.
Principio de medición y características:Al combinar baja resistencia, resistencia de alta precisión y un sistema de medición de voltaje de alta precisión, se mide la corriente. La resistencia está ubicada en el camino de la corriente y se produce una pérdida de energía y un aumento de temperatura cuando la corriente pasa. Al seleccionar una resistencia, es necesario equilibrar la pérdida y la necesidad de generar una caída de voltaje adecuada. Al medir con alta precisión, también se debe considerar el coeficiente de temperatura y la estabilidad a largo plazo de la resistencia.
Este método se puede utilizar para medir corrientes CC y CA y tiene las ventajas de simplicidad, linealidad y gran ancho de banda. Sin embargo, el rango de medición está limitado por la precisión de la medición de voltaje.
Comparación de medidas del lado bajo y del lado alto
La medición del lado bajo se refiere a la resistencia ubicada entre el terminal positivo de la batería y la carga. Su ventaja es que el voltaje de modo común de entrada es bajo y se puede utilizar una gran cantidad de amplificadores de detección de corriente. El circuito es simple y rentable, pero interferirá con la ruta a tierra y no puede detectar una derivación de corriente de carga alta.
La medición del lado alto se refiere a la resistencia ubicada entre la carga y el polo negativo o tierra de la batería. Su ventaja es que puede evitar interferencias en la ruta de tierra y detectar cortocircuitos, pero requiere conversión de nivel de la salida del amplificador y requiere que el amplificador soporte un alto voltaje de modo común.
Contacto con sensores menos actuales (sensores Hall, etc.)
Principio de medición y ventajas:Utilizar el campo magnético generado por la corriente para la medición, como sensores Hall basados en efecto Hall, sin aumentar la resistencia del camino de la corriente, sin pérdidas conductivas adicionales, con ventajas de aislamiento eléctrico y sin necesidad de optoacopladores o aisladores digitales adicionales para el acondicionamiento de la señal.
Los sensores Hall se pueden comprar como circuitos integrados, colocarse en la ruta actual y es necesario filtrar su salida. También hay módulos completos disponibles para su uso, que se componen de anillos de ferrita que contienen sensores Hall y pueden proporcionar aislamiento eléctrico.
Características y limitaciones del sensor:La principal desventaja es el ancho de banda limitado, que normalmente no supera las decenas de kHz, y la deriva de temperatura en la señal de salida que debe compensarse. Si el sistema de batería requiere un mayor ancho de banda, se debe utilizar la medición de la resistencia en derivación, y los sensores Hall son costosos y voluminosos.
Medición de voltaje
Diferenciación de la medición del voltaje del paquete de baterías:En los paquetes de baterías de iones de litio, es necesario distinguir entre medir el voltaje de cada batería y el voltaje total del paquete de baterías. Los rangos de voltaje de los dos son diferentes y la suma de todos los voltajes de la batería debe ser igual al voltaje total, lo que puede usarse como criterio para el juicio de racionalidad.
Medición del voltaje de la batería:Generalmente se completa con un chip frontal BMS integrado. La cantidad de baterías que se pueden conectar a los chips en el mercado varía, y la redundancia y la confiabilidad del sistema también se pueden mejorar mediante circuitos integrados de supervisión secundaria.
Medición del voltaje del paquete de baterías:completado por una unidad de medición separada, que incluye un divisor de voltaje, un convertidor de impedancia, un filtro y un convertidor analógico a digital (ADC). El divisor de voltaje se utiliza para reducir el voltaje del paquete de baterías a un rango apropiado, lo que puede requerir múltiples resistencias para garantizar la seguridad, así como un diodo Zener para proteger el circuito posterior. Al mismo tiempo, se utilizan convertidores de impedancia, filtros y ADC para obtener el voltaje medido.
Medición de temperatura
Tipos y principios comunes de sensores de temperatura:Los sensores de temperatura comunes incluyen los tipos de coeficiente de temperatura negativo (NTC) y coeficiente de temperatura positivo (PTC), que miden la temperatura midiendo la caída de voltaje bajo una corriente constante. Su resistencia varía con la temperatura y se puede utilizar dentro de un cierto rango de temperatura, pero existen problemas no lineales.
Problemas y soluciones en el uso de sensores:Debido a la no linealidad, se requiere una tabla de búsqueda en la cadena de procesamiento digital para calibrar los cálculos de temperatura. También hay algunos sensores que utilizan interfaces digitales que son más cómodos de usar, pero se deben tener en cuenta los problemas de EMI al colocarlos cerca de rutas de alta potencia en paquetes de baterías. Otros métodos de medición, como el PTC metálico y el termopar, pueden proporcionar una mayor precisión y un rango de temperatura más amplio, pero con una mayor complejidad electrónica.
Transmisión de datos
Las características y escenarios de aplicación de diferentes buses de comunicación:Se requiere comunicación entre los módulos BMS y entre BMS y todo el sistema. El bus CAN se usa comúnmente en entornos de vehículos, con flexibilidad y resistencia al ruido; El bus LIN es relativamente simple pero de velocidad lenta, tiene poca flexibilidad y no es diferencial, lo que lo hace adecuado para escenarios con requisitos de alto costo; Otras interfaces de comunicación de corto alcance, como SPI, I2C y el bus OneWire, no son adecuadas para comunicaciones de módulo a módulo propensas a interferencias a larga distancia; Si la velocidad del bus CAN es insuficiente o se requiere capacidad determinista en tiempo real, se puede utilizar el bus FlexRay o Ethernet.
5. Equilibrio de la batería
El motivo de la diferencia en el SOC de la batería:En las baterías conectadas en serie, las diferencias de producción y las diferentes condiciones ambientales y de funcionamiento (como la temperatura) pueden provocar desigualdades entre las baterías. Estos factores pueden causar diferentes condiciones iniciales, envejecimiento y tasas de autodescarga, lo que lleva a desviaciones en los valores de SOC, capacidad y resistencia. Esta sección se centra principalmente en las diferencias en SOC y capacidad, y no incluye diferencias en la resistencia interna. Las investigaciones han demostrado que incluso las baterías con la misma capacidad y carga inicial experimentarán diferencias en la capacidad después de su uso. Por ejemplo, las baterías 18650 con la misma capacidad inicial, con una capacidad restante del 80 % como estándar de fin de vida útil, tienen un ciclo de vida de entre 1000-1500 veces. Al mismo tiempo, existen diferencias en la tasa de autodescarga de diferentes baterías, como las baterías comerciales blandas almacenadas a 40 grados C, donde la resistencia de autodescarga varía entre 10 k Ω y 14 k Ω.
Figura 6. (a) Razones del desequilibrio de las celdas de la batería, números basados en [57]; (b) La clasificación de los diferentes métodos de equilibrio se refiere a la dirección de la transferencia de energía como el nombre del método no disipativo mostrado.
La necesidad del equilibrio:Las diferencias en SOC, capacidad y resistencia interna pueden provocar una disminución de la energía disponible del paquete de baterías, lo que puede resolverse mediante un circuito de equilibrio.
Descripción general de los métodos de equilibrio
Implementación de hardware:La literatura describe varios métodos de implementación de hardware para equilibrar circuitos, que se pueden clasificar en diferentes estructuras de topología, métodos de control (como activo/pasivo) o disponibilidad comercial.
Métodos de equilibrio en aplicaciones comerciales:La mayoría de los paquetes de baterías comerciales utilizan sistemas de equilibrio pasivo controlado, logrados mediante resistencias de equilibrio paralelas en ambos extremos de la batería. Este método sólo puede resolver el problema de la variación del SOC, con una corriente de equilibrio pequeña (aproximadamente 100 mA) y sin cambios en la capacidad de la batería, que puede estar limitada por la disipación de energía del BMS o el diámetro del cable entre la batería y el circuito de monitoreo. Cada batería o combinación de batería en paralelo tiene una resistencia de equilibrio conmutable con un valor de resistencia entre 30 Ω -40 Ω (suponiendo un voltaje de batería de 4,2 V), y cada batería consume energía entre 387 mW -430 mW.
Métodos para resolver diferentes problemas de capacidad:Para resolver diferentes problemas de capacidad, se necesitan métodos más complejos para redistribuir la energía entre baterías utilizando electrónica de potencia. Sin embargo, estos métodos requieren algoritmos de control complejos e inductores costosos. Aunque existen productos BMS IC relacionados, no se han utilizado ampliamente en paquetes de baterías de automóviles comerciales.
6. Seguridad yconfiabilidad
El objetivo general de la reducción del riesgo:Uno de los principales objetivos de BMS es reducir los riesgos asociados con el funcionamiento de baterías de iones de litio en paquetes de baterías.
Figura 7. Modelo de circuito equivalente del front-end de adquisición de voltaje de la batería, que demuestra la detectabilidad de fallas en la línea de detección.
Medidas de seguridad específicas
Seguridad de alto voltaje:La seguridad de alto voltaje del paquete de baterías se garantiza mediante circuitos de enclavamiento y monitoreo de aislamiento, que pueden reducir el riesgo de formación de arcos causados por contaminación o condensación. Al mismo tiempo, el diseño del hardware BMS debe seguir los estándares relevantes para garantizar la distancia de fuga y la separación eléctrica de la PCB y los conectores.
Aislamiento eléctrico:Para garantizar el aislamiento eléctrico del alto voltaje de la batería en las interfaces con otras unidades de control o fuentes de energía auxiliar, se puede utilizar equipo de aislamiento que cumpla con el estándar de "aislamiento mejorado". Se utilizan optoacopladores tradicionales, pero ahora los "aisladores digitales" tienen un mejor rendimiento de CI.
Medidas de prevención de incendios:Coloque sensores de temperatura dentro del paquete de baterías y responda a temperaturas críticas. También se pueden utilizar métodos de detección de temperatura sin sensores (como la espectroscopia de impedancia electroquímica) y nuevos métodos de medición de temperatura para reducir el riesgo de incendio.
Contactor y fusible:Utilice un contactor para desconectar el paquete de baterías del sistema, mientras se coordina con un fusible. Considere las características operativas de ambos y el impacto de la capacitancia e inductancia parásitas dentro del paquete de baterías en la selección de fusibles.
Seguridad interna de las baterías:BMS debe garantizar que la batería se cargue dentro del rango de temperatura especificado, evitando el revestimiento de litio a baja temperatura y la descarga profunda antes de la operación. Al mismo tiempo, se pueden utilizar algoritmos de diagnóstico para detectar cortocircuitos internos.
Figura 8. Medición de aislamiento: (a) Aislamiento en conexiones TI; (b) Diagrama esquemático de medición de aislamiento.
Problemas relacionados con el diseño de hardware BMS
Detección de fallo del sensor:Con la creciente complejidad de la implementación de hardware y software de BMS, aumenta la probabilidad de errores de software y fallas de sensores. Por ejemplo, las fallas de cables en la detección de voltaje de la batería no se detectan fácilmente mediante la medición de voltaje únicamente, pero pueden detectarse a través de sistemas de equilibrio de batería o circuitos de fuente de corriente.
Comprobación de validez del sensor:Otras fallas, como defectos en los sensores, se pueden detectar mediante algoritmos de diagnóstico y la validez de las señales del sensor se puede verificar utilizando el comportamiento eléctrico de la batería.
Medición de aislamiento
La importancia y la estructura del sistema de medición del aislamiento:El sistema de alto voltaje de los vehículos eléctricos o parcialmente eléctricos suele estar construido como una red informática y debe detectar el primer fallo. Al medir la resistencia de aislamiento, es necesario considerar las características de capacitancia y resistencia del sistema, ya que la capacitancia puede interferir con la medición.
Métodos de medición comunes:Los métodos comunes incluyen medir la corriente de modo común usando una bobina de bucle y calcular la resistencia de aislamiento cambiando el potencial entre el sistema y el chasis a través de interruptores y resistencias. También se introducen otros métodos más simples o más complejos.
Normas de medición de aislamiento:La medición del aislamiento tiene especificaciones estándar relevantes para los métodos de medición y requisitos mínimos de resistencia de aislamiento. Los diferentes estándares tienen diferencias en los métodos de medición, valores de resistencia y tiempo de medición.
7. Resumen
Requisitos generales y consideraciones de diseño:Este artículo presenta conceptos comunes de hardware BMS, comenzando con los requisitos generales y brindando consideraciones de implementación. El proceso de diseño debe incluir tantos parámetros como sea posible, pero los requisitos deben establecerse de acuerdo con las necesidades del dispositivo de destino. Los requisitos de las diferentes aplicaciones varían mucho y estos requisitos son un buen punto de partida para las consideraciones de diseño del paquete de baterías.
Topología BMS:La estructura del sistema de batería afecta la topología BMS y algunas aplicaciones utilizan métodos de monitoreo especiales para reducir el peso o la complejidad, como las cuatro baterías de vehículos eléctricos comerciales comparadas en la Sección 3.3, que tienen algunos puntos en común debido a sus aplicaciones similares (como el uso de comunicación CAN ), pero difieren en la integración y comunicación interna.
Medición del valor físico:La Sección 4 proporciona una introducción detallada a los métodos de recopilación y transmisión de los valores físicos requeridos. Los diferentes requisitos de medición requieren la selección de diferentes métodos según las limitaciones y necesidades de la aplicación.
Problema de equilibrio:La Sección 5 describe las razones y los métodos de compensación del desequilibrio de carga en baterías en serie, siendo el equilibrio pasivo el método más utilizado actualmente.
Seguridad y confiabilidad:La Sección 6 proporciona una descripción general de los aspectos de seguridad, incluido el cumplimiento de los rangos de funcionamiento de la batería para garantizar la vida útil y proteger a los usuarios de los peligros del alto voltaje. Introduce métodos estándar para el monitoreo del aislamiento y menciona la necesidad de considerar los riesgos a nivel del sistema al proteger las baterías.