Tóm tắt
Bài viết này tập trung vào các khía cạnh phần cứng của hệ thống quản lý pin (BMS) trên xe điện và các ứng dụng cố định. Mục đích là phác thảo các khái niệm trong các hệ thống tiên tiến hiện có, giúp người đọc hiểu được các yếu tố cần được xem xét khi thiết kế BMS cho các ứng dụng cụ thể. Sau khi phân tích ngắn gọn các yêu cầu chung, một số cấu trúc tôpô có thể có của bộ pin và tác động của chúng đến độ phức tạp của BMS đã được nghiên cứu. Lấy bốn bộ pin được chọn từ các loại xe điện bán sẵn trên thị trường làm ví dụ để giải thích. Sau đó, các khía cạnh thực hiện của việc đo các biến vật lý cần thiết (điện áp, dòng điện, nhiệt độ, v.v.), cũng như các vấn đề và chiến lược cân bằng đã được thảo luận. Cuối cùng, những cân nhắc về an toàn và độ tin cậy đã được thảo luận.
1. Giới thiệu
Độ phức tạp của hệ thống quản lý pin (BMS) phụ thuộc vào ứng dụng. Một cục pin, đơn giản như điện thoại di động hoặc máy đọc sách điện tử, có thể được đo bằng một IC "đồng hồ đo pin" đơn giản, có thể đo điện áp, nhiệt độ, dòng điện và ước tính trạng thái sạc (SOC). Phức tạp như xe điện, BMS cần hoàn thành những nhiệm vụ phức tạp hơn. Ngoài việc đo các thông số cơ bản như điện áp, nhiệt độ và dòng điện của pin, các thuật toán nâng cao cũng được yêu cầu để xác định năng lượng sẵn có để tính toán phạm vi hành trình.
Công việc này tập trung vào khía cạnh phần cứng của hệ thống quản lý pin lithium-ion. Phần 2 giới thiệu các yêu cầu phần cứng cho BMS, bao gồm các giá trị đo, nhiễu điện từ, cách ly điện, công tắc tơ và dự phòng. Phần 3 cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc liên kết BMS, làm rõ sự khác biệt giữa các ứng dụng đơn giản và phức tạp và cung cấp một ví dụ về bộ pin xe điện. Phần 4 giải thích cách đáp ứng các yêu cầu đo lường giá trị vật lý và những cạm bẫy thường gặp. Phần 5 thảo luận về cân bằng, giới thiệu và so sánh các phương pháp cân bằng phí. Phần 6 tập trung vào độ an toàn và độ tin cậy, bao gồm các rủi ro và biện pháp đối phó khi vận hành bộ pin điện áp cao, đồng thời giới thiệu ngắn gọn các phương pháp đo cách điện và các tiêu chuẩn liên quan.
2. Yêu cầu thiết kế Hệ thống quản lý pin (BMS)
Thiết kế BMS là một nhiệm vụ phức tạp đòi hỏi phải xem xét các yêu cầu ứng dụng cụ thể, môi trường hệ thống và đặc tính của pin được sử dụng, từ đó có thể rút ra một loạt yêu cầu hệ thống. Nói chung, các thành phần BMS và yêu cầu chức năng sau đây thường có liên quan:
Thu thập nhiệt độ
Lựa chọn và bố trí cảm biến:Việc thu thập nhiệt độ chính xác là điều khó khăn khi thiết kế BMS, đồng thời loại cảm biến (kỹ thuật số hoặc analog) cũng như vị trí đo nhiệt độ bộ pin cần phải được xem xét, yếu tố này quyết định số lượng cảm biến nhiệt độ pin. Đôi khi cần phải thu thập nhiệt độ của công tắc tơ, cầu chì hoặc thanh cái. Thông thường, có một tỷ lệ kênh nhất định giữa cảm biến nhiệt độ và cảm biến điện áp.
Yêu cầu về nhiệt độ cho các tình huống ứng dụng khác nhau:Yêu cầu về nhiệt độ cần phải xem xét ba tình huống: sạc, xả và bảo quản, đồng thời chú ý đến hằng số thời gian nhiệt. Pin lithium ion không thể hoạt động bình thường ngoài phạm vi nhiệt độ cụ thể và quá trình mạ lithium có thể xảy ra ở tốc độ dòng điện cao trong phạm vi nhiệt độ bình thường. Vì vậy, cần phải thu thập chính xác nhiệt độ, điện áp và dòng điện. Điện dung nhiệt và độ dẫn nhiệt của pin bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cấu trúc pin và việc đặt cảm biến nhiệt độ không đúng cách có thể dẫn đến đọc sai và có điểm mù nhiệt.
Thu thập điện áp
Kênh mua lại và độ chính xác:BMS cổ điển dựa trên pin lithium-ion yêu cầu ít nhất một kênh thu điện áp cho mỗi pin được kết nối nối tiếp và một số ứng dụng ô tô cũng có bảo vệ thứ cấp (đạt được thông qua bộ so sánh cửa sổ có thể lập trình). Tốc độ chuyển đổi của dữ liệu thu thập điện áp khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và các chip giao diện người dùng BMS thường được sử dụng có độ chính xác và độ phân giải điện áp nhất định.
Tác động đến ước tính SOC:Lấy pin NMC và LFP làm ví dụ, cho thấy độ chính xác thu được điện áp có tác động đáng kể đến ước tính SOC. Độ chính xác càng cao thì ước tính SOC càng chính xác và chỉ sử dụng dữ liệu điện áp để xác định SOC có thể là không đủ.
Hình 1. Việc so sánh độ không đảm bảo SOC phụ thuộc vào độ chính xác điện áp ± 1 mV.
Bộ sưu tập hiện tại
Phương pháp thu thập và đặc điểm cảm biến:SOC có thể được xác định không chỉ bằng cách đo điện áp mạch hở (OCV) mà còn bằng cách sử dụng phương pháp đếm Coulomb (đo dòng điện và tích phân). Tuy nhiên, các cảm biến hiện tại có các đặc tính không lý tưởng như độ lệch, độ lệch và lỗi nhiệt độ, đồng thời có thể cần phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu về phạm vi đo khác nhau và có băng thông nhất định.
Trong các ứng dụng thực tế, việc chỉ dựa vào việc đếm Coulomb để xác định SOC là không chính xác, đặc biệt là trong điều kiện dòng điện thấp. Để giải quyết vấn đề này, có thể kết hợp các thuật toán và mô hình tham số hóa để xử lý dữ liệu hiện tại, nhưng điều này nằm ngoài phạm vi của bài viết này.
Yêu cầu giao tiếp
Truyền thông trong hệ thống:BMS cần giao tiếp với toàn bộ hệ thống (như điện tử công suất, quản lý năng lượng hoặc bộ điều khiển phương tiện), có tính đến các yếu tố như chế độ liên lạc, tốc độ, độ bền và độ tin cậy. Ví dụ: giao diện CAN có thể cần được cung cấp trên các phương tiện để liên lạc với hệ thống và các ứng dụng khác nhau có thể đã xác định các yêu cầu liên lạc ở cấp hệ thống mà BMS cần phải thích ứng.
Giao tiếp giữa các mô-đun:Đối với các hệ thống mô-đun, cần xác định phương thức giao tiếp giữa các mô-đun chính và phụ, tương tự như các yêu cầu cơ bản về giao tiếp giữa các hệ thống. Ví dụ cụ thể có thể được tìm thấy trong các chương tiếp theo.
Bảo vệ chống nhiễu điện từ (EMI)
Tác động của EMI đến cảm biến:EMI có thể ảnh hưởng đến việc thu thập dữ liệu của cảm biến và tất cả các cảm biến đều dễ bị ảnh hưởng bởi nó, điều này có thể dẫn đến biến dạng nhẹ hoặc dữ liệu hoàn toàn vô dụng.
Các biện pháp giảm thiểu tác động của EMI:Để giảm thiểu tác động, động cơ, linh kiện điện tử công suất và các tải khác phải có thiết kế EMI tốt và có thể sử dụng các thiết bị lọc EMI thích hợp như cuộn cảm chế độ chung và tụ điện chặn và lắp đặt gần đường đo cảm biến.
Yêu cầu liên quan đến contactor
Chức năng và yêu cầu của contactor:Hầu hết các bộ pin đều yêu cầu khả năng ngắt điện ít nhất một điện cực, đòi hỏi phải có công tắc tơ phù hợp. Do tính chất đặc biệt của việc ngắt dòng điện một chiều và dập tắt hồ quang, công tắc tơ cần phải có thiết bị dập hồ quang từ và tránh hàn tiếp xúc.
Các biện pháp vận hành an toàn:Để đảm bảo an toàn, cần có một mạch đặc biệt (chẳng hạn như bộ sạc trước bao gồm công tắc tơ và điện trở nối tiếp) trong quá trình vận hành công tắc công tắc tơ để đảm bảo không có chênh lệch điện thế giữa hai đầu và tránh các tình huống nguy hiểm.
Yêu cầu dự phòng
Vai trò của dự phòng đối với độ tin cậy của hệ thống:Theo tiêu chuẩn ISO 26262, dự phòng có thể cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Điện áp của pin thường được quan sát dự phòng ở một mức độ nhất định, bằng hai phương pháp: đo chính xác bằng chip chính và thông tin nhị phân do chip phụ cung cấp.
Khái niệm dự phòng cấp cao hơn:Khái niệm dự phòng cũng tồn tại trong xử lý cấp cao hơn, chẳng hạn như bước khóa, sửa lỗi bộ nhớ và cơ chế tự kiểm tra trong các CPU đặc biệt.
Yêu cầu cách ly điện
Cách ly bộ pin:Bộ pin thường được chia thành các phần điện áp cao và điện áp thấp, yêu cầu cách ly điện và có thể đạt được thông qua các phương pháp quang học, cảm ứng hoặc điện dung.
Cách ly cảm biến nhiệt:Tất cả các cảm biến nhiệt cũng cần được cách ly về điện để tránh sự cố điện áp cao ảnh hưởng đến các bộ phận có điện áp thấp, tương tự như khái niệm bố trí mạng CNTT phân phối điện.
Yêu cầu về số dư
Tác động của mất cân bằng điện tích:Có thể có sự mất cân bằng điện tích giữa các pin được kết nối nối tiếp, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống và thường phải giữ pin ở mức thấp.
Cân nhắc ứng dụng đặc biệt:Các ứng dụng khác nhau có thể có những cân nhắc đặc biệt, chẳng hạn như hạn chế về trọng lượng hoặc yêu cầu về dòng điện sạc, điều này có thể dẫn đến việc tạo ra dòng điện cân bằng. Phần 5 sẽ giới thiệu thêm về sự cần thiết và phương pháp thực hiện cân bằng.
Các yêu cầu khác
Yêu cầu liên quan đến ứng dụng:Ứng dụng cũng có thể có một số yêu cầu khác, chẳng hạn như không gian, chi phí, độ bền cơ học của phần cứng, trọng lượng và mức tiêu thụ điện năng, những yêu cầu này không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng cần được xem xét.
3. Cấu trúc topology của BMS
Tổng quan về cấu trúc hệ thống pin:Để đáp ứng các thông số kỹ thuật về điện của hệ thống, pin thường cần được kết hợp thành các bộ pin có nhiều cấu trúc liên kết kết nối. Kết nối nối tiếp có thể đạt được dải điện áp cụ thể và giảm dòng điện; Kết nối song song có thể tăng dung lượng. Có nhiều biến thể khác nhau trong các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như kết nối song song pin dung lượng nhỏ thành mô-đun và kết nối nối tiếp hoặc sử dụng trực tiếp pin dung lượng lớn trong kết nối nối tiếp. Các cấu trúc liên kết khác nhau có tác động khác nhau đến độ phức tạp của BMS, chẳng hạn như chi phí giám sát và cân bằng tăng lên khi nhiều dòng pin được kết nối song song.
Hình 2. Sơ đồ các cấu trúc liên kết bộ pin khác nhau: (a) một ô; (b) Đấu song song hai pin; (c) Nối nối tiếp ba pin; (d) Đấu nối song song hai pin nối tiếp và ba pin nối tiếp; (e) Kết nối nối tiếp ba mô-đun gồm hai pin song song.
Bảng 1. Đặc điểm của các biến thể tôpô được thể hiện trong Hình 2.
Cung cấp một ví dụ để minh họa các yêu cầu về phương pháp kết nối pin và kênh đo điện áp: ví dụ: sự kết hợp giữa pin được nối nối tiếp m và n pin được kết nối song song yêu cầu số lượng kênh đo điện áp khác nhau cho các phương pháp kết nối khác nhau.
Thảo luận trường hợp đặc biệt:Trong một số ứng dụng đặc biệt (chẳng hạn như tàu thăm dò sao Hỏa và tàu thăm dò Rosetta của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu), việc giám sát và cân bằng tế bào đơn có thể không được thực hiện do các yếu tố như kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ điện năng. Mặc dù một số ý kiến cho rằng việc lựa chọn cẩn thận pin từ cùng một lô có thể bỏ qua việc giám sát, nhưng nghiên cứu đã chỉ ra rằng ngay cả pin từ cùng một lô cũng có thể có hành vi lão hóa khác nhau và việc bỏ qua việc giám sát có thể gây ra rủi ro. Tuy nhiên, đối với các hệ thống nhỏ và điện áp pin trong một phạm vi nhất định, tác động của việc bỏ qua việc giám sát có thể tương đối nhỏ.
Liên quan đến mạch tích hợp (IC)
IC có chức năng giám sát cơ bản:Để đạt được chức năng giám sát cơ bản về hoạt động an toàn của pin, các nhà sản xuất chất bán dẫn cung cấp nhiều mạch tích hợp (ASIC) dành riêng cho ứng dụng khác nhau. Đối với các thiết bị điện tử nhỏ có tế bào đơn, có IC "đồng hồ đo nhiên liệu" có thể theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ, ước tính SOC và cũng có thể bao gồm các chức năng như bộ điều chỉnh sạc. Ví dụ: "bq27220" của TI và IC liên quan của Maxim.
IC cho các hệ thống có nhu cầu năng lượng và năng lượng cao
Mô-đun hóa và phân bổ chức năng:Đối với các ứng dụng có yêu cầu về năng lượng và/hoặc năng lượng cao, một bộ pin bao gồm nhiều pin và IC liên quan có thể giám sát đồng thời nhiều pin và cung cấp chức năng cân bằng. Có một mô-đun trung tâm (BMS Master) trong hệ thống chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng phức tạp như ước tính SOC và thuật toán dự đoán công suất; Mô-đun IC mặt trước (BMS Slaves) chịu trách nhiệm về các chức năng cơ bản như thu và lọc tín hiệu.
Hình 3. Cấu trúc BMS điển hình cho các ứng dụng xe điện.
Các ví dụ về IC khác nhau và phương pháp cân bằng:Ví dụ: bq76PL536A, MAX11068 và LT6802G-2 của TI cung cấp khả năng cân bằng thụ động, trong khi AS8506C của AMS có thể được sử dụng cho cấu trúc liên kết cân bằng thụ động và cũng cung cấp khả năng cân bằng chủ động. Một số IC có các sản phẩm kế thừa và để cải thiện độ tin cậy giám sát điện áp, có thể sử dụng IC bảo vệ thứ cấp. Mặc dù BMS dự phòng hoàn toàn có thể cải thiện độ tin cậy nhưng chi phí vẫn cao.
Truyền thông và truyền dữ liệu
Phương thức kết nối IC mặt trước:IC mặt trước thường có thể được kết nối thông qua chuỗi nối tiếp và các IC khác nhau có các phương thức giao diện khác nhau. MAX11068 được kết nối qua cổng I2C, bq76PL536A của TI cung cấp nhiều giao diện và LT6802G-2 được kết nối qua bus SPI (yêu cầu bộ cách ly kỹ thuật số bổ sung).
Phương thức giao tiếp hệ thống:Trong hệ thống, các bộ vi điều khiển giá rẻ thường được sử dụng để kết nối các IC trên cùng một PCB và các mô-đun trên các mô-đun chính PCB và BMS khác được kết nối thông qua fieldbus (chẳng hạn như CAN).
Trường hợp thực tế
Mitsubishi i-MiEV:Pin bao gồm nhiều mô-đun được kết nối bằng vít, với 88 pin hình lăng trụ. PCB trên mô-đun chứa các IC giám sát và cảm biến nhiệt độ, đồng thời vỏ hộp pin chứa nhiều thành phần. Mô-đun chính BMS được đặt dưới hàng ghế sau của xe và giao tiếp thông qua bus CAN bên trong. So với các loại pin khác, không gian bên trong của nó rộng rãi hơn, đây có thể là tác dụng phụ của việc làm mát không khí.
Hình 4. (a) Bộ pin Mitsubishi i-MiEV; (b) Bộ pin Volkswagen e-Up; (c) Bộ pin truyền động điện Smart fortwo. Lưu ý: Các phương pháp chia tỷ lệ là khác nhau.
Hình 5. (a) Nhìn từ trên xuống của mô-đun pin Tesla Model S; (b) Mô-đun pin Volkswagen e-Up, mô-đun 6s2p, nhìn từ trên xuống.
Phiên bản điện Smart Fortwo:Pin bao gồm các pin dạng túi được kết nối dòng 90, có hệ thống làm mát và các nhiệm vụ giám sát cơ bản được thực hiện bởi IC của TI, tương tự như bq76PL536A. Mỗi PCB chứa nhiều IC giám sát và bộ vi điều khiển, đồng thời mô-đun chính BMS được đặt bên trong hộp pin, có khả năng tích hợp cao và ít dây cáp.
Volkswagen e-Up:Pin chứa nhiều mô-đun nối tiếp, không có hệ thống làm mát hoặc thiết bị ngắt kết nối dịch vụ, mô-đun BMS tập trung, được kết nối với pin và IC đo (MAX11068) thông qua số lượng lớn các đường đo điện áp, với số lượng lớn điện trở cân bằng và vi điều khiển không cần chuyển đổi tín hiệu.
Mẫu Tesla S:Pin bao gồm một số lượng lớn pin 18650, được chia thành nhiều mô-đun, được kết nối thông qua dây liên kết. BMS được giám sát bằng bq76PL536A-Q1 của TI và điện áp được đo thông qua dây hàn. So với các loại pin khác, mức độ tích hợp của nó khác nhau, chẳng hạn như mức độ tích hợp thấp của Volkswagen e-Up và mức độ tích hợp cao của Smart Fortwo.
4. Tổng quan về công nghệ đo lường hệ thống ắc quy HV
Tầm quan trọng của công nghệ đo lường:Công nghệ đo lường là thành phần chính của hệ thống quản lý pin, có thể xác định các biến trạng thái như SOC, SOH, SOF, v.v. Nó thường đo các biến như điện áp pin, tổng điện áp, tổng dòng điện và nhiệt độ của hệ thống pin. Các biến trạng thái này có thể bảo vệ hệ thống pin khỏi bị hư hỏng như sạc quá mức hoặc xả quá mức và tối ưu hóa việc sử dụng hệ thống pin.
Yêu cầu về cảm biến:Xác định các yêu cầu điển hình cho cảm biến dựa trên ứng dụng lưu trữ pin, bao gồm chi phí, băng thông, độ chính xác, phạm vi đo và kích thước, như chi tiết trong Phần 2.
Đo lường hiện tại
Phân loại phương pháp đo:Thiết bị thu thập hiện tại được chia thành hai công nghệ cảm biến cơ bản: kết nối điện và cách ly. Cảm biến dòng điện trở shunt thường được sử dụng thuộc loại kết nối điện và cảm biến Hall là một ví dụ về loại cách ly.
Ngoài công nghệ cảm biến, vị trí trong bộ pin cũng cần được quan tâm. Đối với hệ thống pin có nhiều chuỗi có thể chuyển đổi, mỗi chuỗi phải được trang bị thiết bị giám sát dòng điện để theo dõi sự mất cân bằng nguồn điện.
Đo điện trở shunt
Nguyên tắc và đặc điểm đo lường:Bằng cách kết hợp hệ thống đo điện trở thấp, điện trở có độ chính xác cao và điện áp có độ chính xác cao, dòng điện được đo. Điện trở nằm trên đường dẫn của dòng điện, xảy ra hiện tượng mất điện và tăng nhiệt độ khi dòng điện đi qua. Khi lựa chọn điện trở cần cân đối giữa tổn thất và nhu cầu tạo ra độ sụt áp phù hợp. Khi đo với độ chính xác cao, hệ số nhiệt độ và độ ổn định lâu dài của điện trở cũng cần được xem xét.
Phương pháp này có thể được sử dụng để đo dòng điện một chiều và xoay chiều và có ưu điểm là đơn giản, tuyến tính và băng thông cao. Tuy nhiên, phạm vi đo bị giới hạn bởi độ chính xác của phép đo điện áp.
So sánh các phép đo bên thấp và bên cao
Đo phía thấp đề cập đến điện trở nằm giữa cực dương của pin và tải. Ưu điểm của nó là điện áp chế độ chung đầu vào thấp và có thể sử dụng một số lượng lớn bộ khuếch đại cảm nhận dòng điện. Mạch này đơn giản và tiết kiệm chi phí, nhưng nó sẽ cản trở đường đi trên mặt đất và không thể phát hiện ra dòng điện tải cao.
Phép đo phía cao đề cập đến điện trở được đặt giữa tải và cực âm hoặc mặt đất của pin. Ưu điểm của nó là có thể tránh nhiễu đường dẫn đất và phát hiện đoản mạch, nhưng nó yêu cầu chuyển đổi mức đầu ra bộ khuếch đại và yêu cầu bộ khuếch đại chịu được điện áp chế độ chung cao.
Liên hệ với các cảm biến dòng điện ít hơn (Cảm biến Hall, v.v.)
Nguyên tắc đo lường và ưu điểm:Sử dụng từ trường do dòng điện tạo ra để đo, chẳng hạn như cảm biến Hall dựa trên hiệu ứng Hall, mà không làm tăng điện trở đường dẫn dòng điện, không gây tổn thất dẫn điện bổ sung, có ưu điểm cách ly điện và không cần thêm bộ ghép quang hoặc bộ cách điện kỹ thuật số để điều hòa tín hiệu.
Cảm biến Hall có thể được mua dưới dạng mạch tích hợp, được đặt trên đường dẫn hiện tại và đầu ra của chúng cần được lọc. Ngoài ra còn có các mô-đun hoàn chỉnh có sẵn để sử dụng, bao gồm các vòng ferit chứa cảm biến Hall và có thể cách ly điện.
Đặc điểm và hạn chế của cảm biến:Nhược điểm chính là băng thông hạn chế, thường không vượt quá hàng chục kHz và độ lệch nhiệt độ ở tín hiệu đầu ra cần được bù. Nếu hệ thống pin yêu cầu băng thông cao hơn thì nên sử dụng phép đo điện trở shunt và cảm biến Hall đắt tiền và cồng kềnh.
Đo điện áp
Phân biệt đo điện áp bộ pin:Trong các bộ pin lithium-ion cần phân biệt giữa đo điện áp của từng viên pin và điện áp tổng của cả bộ pin. Phạm vi điện áp của cả hai là khác nhau và tổng của tất cả các điện áp của pin phải bằng tổng điện áp, có thể được sử dụng làm tiêu chí để đánh giá tính hợp lý.
Đo điện áp pin:thường được hoàn thiện bằng chip mặt trước BMS tích hợp. Số lượng pin có thể kết nối với chip trên thị trường rất khác nhau, độ dự phòng và độ tin cậy của hệ thống cũng có thể được cải thiện thông qua IC giám sát thứ cấp.
Đo điện áp bộ pin:được hoàn thành bởi một đơn vị đo lường riêng biệt, bao gồm bộ chia điện áp, bộ chuyển đổi trở kháng, bộ lọc và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Bộ chia điện áp được sử dụng để giảm điện áp của bộ pin xuống một phạm vi thích hợp, có thể cần nhiều điện trở để đảm bảo an toàn, cũng như một diode Zener để bảo vệ mạch tiếp theo. Đồng thời, bộ chuyển đổi trở kháng, bộ lọc và ADC được sử dụng để thu được điện áp đo được.
Đo nhiệt độ
Các loại và nguyên lý phổ biến của cảm biến nhiệt độ:Các cảm biến nhiệt độ phổ biến bao gồm các loại hệ số nhiệt độ âm (NTC) và hệ số nhiệt độ dương (PTC), đo nhiệt độ bằng cách đo độ sụt điện áp dưới dòng điện không đổi. Điện trở của chúng thay đổi theo nhiệt độ và có thể được sử dụng trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, nhưng có những vấn đề phi tuyến tính.
Các vấn đề và giải pháp trong việc sử dụng cảm biến:Do tính phi tuyến tính nên cần có bảng tra cứu trong chuỗi xử lý kỹ thuật số để hiệu chỉnh các phép tính nhiệt độ. Ngoài ra còn có một số cảm biến sử dụng giao diện kỹ thuật số thuận tiện hơn khi sử dụng, nhưng vấn đề EMI cần lưu ý khi đặt chúng gần các đường dẫn năng lượng cao trong bộ pin. Các phương pháp đo khác như PTC kim loại và cặp nhiệt điện có thể mang lại độ chính xác cao hơn và phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhưng có độ phức tạp điện tử cao hơn.
Truyền dữ liệu
Các đặc điểm và kịch bản ứng dụng của các bus truyền thông khác nhau:cần có giao tiếp giữa các mô-đun BMS và giữa BMS và toàn bộ hệ thống. CAN bus được sử dụng phổ biến trong môi trường xe cộ, có tính linh hoạt và khả năng chống ồn; Bus LIN tương đối đơn giản nhưng tốc độ chậm, tính linh hoạt kém và không có sự khác biệt nên phù hợp với các tình huống có yêu cầu chi phí cao; Các giao diện giao tiếp tầm ngắn khác như SPI, I2C và bus OneWire không phù hợp với giao tiếp mô-đun ở khoảng cách xa, dễ bị nhiễu; Nếu tốc độ bus CAN không đủ hoặc cần có khả năng xác định thời gian thực, có thể sử dụng bus FlexRay hoặc Ethernet.
5. Cân bằng pin
Lý do có sự khác biệt về pin SOC:Trong các pin được mắc nối tiếp, sự khác biệt về sản xuất cũng như các điều kiện môi trường và hoạt động khác nhau (chẳng hạn như nhiệt độ) có thể dẫn đến sự không đồng đều giữa các pin. Những yếu tố này có thể gây ra các điều kiện ban đầu, lão hóa và tốc độ tự phóng điện khác nhau, dẫn đến sai lệch về giá trị SOC, công suất và điện trở. Phần này chủ yếu tập trung vào sự khác biệt về SOC và công suất, đồng thời không liên quan đến sự khác biệt về điện trở trong - Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ngay cả những loại pin có cùng công suất và tải ban đầu cũng sẽ có sự khác biệt về công suất sau khi sử dụng. Ví dụ: pin 18650 có cùng dung lượng ban đầu, với dung lượng còn lại là 80% theo tiêu chuẩn hết tuổi thọ, có vòng đời trong khoảng 1000-1500 lần. Đồng thời, có sự khác biệt về tốc độ tự xả của các loại pin khác nhau, chẳng hạn như pin gói mềm thương mại được bảo quản ở nhiệt độ 40 độ C, trong đó điện trở tự xả thay đổi trong khoảng từ 10k Ω đến 14k Ω.
Hình 6. (a) Nguyên nhân khiến pin không cân bằng, các con số dựa trên [57]; (b) Việc phân loại các phương pháp cân bằng khác nhau đề cập đến hướng truyền năng lượng như tên của phương pháp không tiêu tán được trình bày.
Sự cần thiết của sự cân bằng:Sự khác biệt về SOC, công suất và điện trở trong có thể dẫn đến giảm năng lượng sẵn có của bộ pin, vấn đề này có thể được giải quyết thông qua mạch cân bằng.
Tổng quan về các phương pháp cân bằng
Triển khai phần cứng:Tài liệu mô tả các phương pháp triển khai phần cứng khác nhau để cân bằng mạch, có thể được phân loại thành các cấu trúc cấu trúc liên kết, phương pháp điều khiển khác nhau (chẳng hạn như chủ động/thụ động) hoặc tính khả dụng thương mại.
Phương pháp cân bằng trong ứng dụng thương mại:Hầu hết các bộ pin thương mại đều sử dụng hệ thống cân bằng thụ động được điều khiển, đạt được nhờ các điện trở cân bằng song song ở cả hai đầu của pin. Phương pháp này chỉ có thể giải quyết vấn đề biến đổi SOC, với dòng điện cân bằng nhỏ (khoảng 100 mA) và không thay đổi dung lượng pin, có thể bị hạn chế bởi sự tiêu tán năng lượng của BMS hoặc đường kính cáp giữa pin và mạch giám sát. Mỗi tổ hợp pin hoặc pin song song có một điện trở cân bằng có thể chuyển đổi với giá trị điện trở trong khoảng 30 Ω -40 Ω (giả sử điện áp pin là 4,2V) và mỗi pin tiêu thụ điện trong khoảng 387 mW -430 mW.
Các phương pháp giải các bài toán năng lực khác nhau:Để giải quyết các vấn đề về dung lượng khác nhau, cần có các phương pháp phức tạp hơn để phân phối lại năng lượng giữa các pin sử dụng điện tử công suất. Tuy nhiên, những phương pháp này đòi hỏi các thuật toán điều khiển phức tạp và cuộn cảm đắt tiền. Mặc dù có các sản phẩm IC BMS liên quan nhưng chúng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các bộ pin ô tô thương mại.
6. An toàn vàd độ tin cậy
Mục tiêu chung của việc giảm thiểu rủi ro:Một trong những mục tiêu chính của BMS là giảm thiểu rủi ro liên quan đến hoạt động của pin lithium-ion trong bộ pin.
Hình 7. Mô hình mạch tương đương của giao diện thu thập điện áp pin, thể hiện khả năng phát hiện các lỗi đường dây cảm biến.
Các biện pháp an toàn cụ thể
An toàn điện áp cao:Sự an toàn điện áp cao của bộ pin được đảm bảo thông qua việc giám sát cách điện và các mạch khóa liên động, có thể làm giảm nguy cơ phóng điện do ô nhiễm hoặc ngưng tụ. Đồng thời, thiết kế phần cứng BMS phải tuân theo các tiêu chuẩn liên quan để đảm bảo khoảng cách đường rò và độ hở điện của PCB và các đầu nối.
Cách ly điện:Để đảm bảo cách ly điện khỏi điện áp pin cao tại các giao diện với các bộ điều khiển hoặc nguồn điện phụ trợ khác, có thể sử dụng thiết bị cách ly đáp ứng tiêu chuẩn "cách ly nâng cao". Bộ ghép quang truyền thống được sử dụng, nhưng hiện nay "bộ cách ly kỹ thuật số" có hiệu suất IC tốt hơn.
Biện pháp phòng cháy:Đặt cảm biến nhiệt độ bên trong bộ pin và phản ứng với nhiệt độ tới hạn. Các phương pháp phát hiện nhiệt độ ít cảm biến (chẳng hạn như quang phổ trở kháng điện hóa) và các phương pháp đo nhiệt độ mới cũng có thể được sử dụng để giảm nguy cơ hỏa hoạn.
Công tắc tơ và cầu chì:Sử dụng contactor để ngắt kết nối bộ pin khỏi hệ thống, đồng thời phối hợp với cầu chì. Xem xét các đặc tính hoạt động của cả hai và tác động của điện dung và điện cảm ký sinh trong bộ pin đối với việc lựa chọn cầu chì.
An toàn bên trong của pin:BMS phải đảm bảo pin được sạc trong phạm vi nhiệt độ quy định, tránh mạ lithium ở nhiệt độ thấp và xả sâu trước khi vận hành. Đồng thời, các thuật toán chẩn đoán có thể được sử dụng để phát hiện đoản mạch bên trong.
Hình 8. Đo cách điện: (a) Cách điện trong các kết nối CNTT; (b) Sơ đồ đo cách điện.
Các vấn đề liên quan đến thiết kế phần cứng BMS
Phát hiện lỗi cảm biến:Với sự phức tạp ngày càng tăng của việc triển khai phần cứng và phần mềm BMS, khả năng xảy ra lỗi phần mềm và lỗi cảm biến sẽ tăng lên. Ví dụ, lỗi cáp trong việc phát hiện điện áp pin không dễ dàng được phát hiện chỉ bằng phép đo điện áp mà có thể được phát hiện thông qua hệ thống cân bằng pin hoặc mạch nguồn dòng điện.
Kiểm tra tính hợp lệ của cảm biến:Các lỗi khác như lỗi cảm biến có thể được phát hiện thông qua các thuật toán chẩn đoán và tính hợp lệ của tín hiệu cảm biến có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng hoạt động điện của pin.
Đo cách điện
Tầm quan trọng và cấu trúc hệ thống đo cách điện:Hệ thống điện cao thế của xe điện hoặc một phần điện thường được xây dựng dưới dạng mạng CNTT và cần phát hiện sự cố đầu tiên. Khi đo điện trở cách điện, cần xem xét đặc tính điện dung và điện trở của hệ thống, vì điện dung có thể cản trở phép đo.
Các phương pháp đo phổ biến:Các phương pháp phổ biến bao gồm đo dòng điện ở chế độ chung bằng cách sử dụng cuộn dây vòng và tính toán điện trở cách điện bằng cách thay đổi điện thế giữa hệ thống và khung máy thông qua các công tắc và điện trở. Các phương pháp đơn giản hoặc phức tạp khác cũng được giới thiệu.
Tiêu chuẩn đo cách điện:Phép đo cách điện có các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn liên quan cho các phương pháp đo và yêu cầu về điện trở cách điện tối thiểu. Các tiêu chuẩn khác nhau có sự khác biệt về phương pháp đo, giá trị điện trở và thời gian đo.
7. Tóm tắt
Yêu cầu chung và cân nhắc thiết kế:Bài viết này giới thiệu các khái niệm chung về phần cứng BMS, bắt đầu từ các yêu cầu chung và đưa ra những cân nhắc khi triển khai. Quá trình thiết kế nên bao gồm càng nhiều tham số càng tốt, nhưng các yêu cầu phải được đặt theo nhu cầu của thiết bị mục tiêu. Yêu cầu của các ứng dụng khác nhau rất khác nhau và những yêu cầu này là điểm khởi đầu tốt cho việc cân nhắc thiết kế bộ pin.
Cấu trúc liên kết BMS:Cấu trúc hệ thống pin ảnh hưởng đến cấu trúc liên kết BMS và một số ứng dụng sử dụng các phương pháp giám sát đặc biệt để giảm trọng lượng hoặc độ phức tạp, chẳng hạn như bốn loại pin xe điện thương mại được so sánh trong Phần 3.3, có một số điểm tương đồng do các ứng dụng tương tự của chúng (chẳng hạn như sử dụng giao tiếp CAN ), nhưng khác nhau về tính tích hợp và giao tiếp nội bộ.
Đo lường giá trị vật lý:Phần 4 cung cấp phần giới thiệu chi tiết về các phương pháp thu thập và truyền tải các giá trị vật lý cần thiết. Các yêu cầu đo lường khác nhau đòi hỏi phải lựa chọn các phương pháp khác nhau dựa trên các ràng buộc và nhu cầu của ứng dụng.
Vấn đề cân bằng:Phần 5 mô tả lý do và phương pháp bù cho sự mất cân bằng điện tích trong các loại pin nối tiếp, trong đó cân bằng thụ động hiện là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất.
An toàn và độ tin cậy:Phần 6 cung cấp thông tin tổng quan về các khía cạnh an toàn, bao gồm việc tuân thủ phạm vi hoạt động của pin để đảm bảo tuổi thọ và bảo vệ người dùng khỏi các mối nguy hiểm về điện áp cao. Nó giới thiệu các phương pháp tiêu chuẩn để giám sát cách điện và đề cập đến nhu cầu xem xét rủi ro ở cấp độ hệ thống khi bảo vệ pin.