С увеличением количества электромобилей система управления энергией аккумуляторов становится все более важной в дополнение к поиску аккумуляторов с высокой плотностью энергии и высокой безопасностью. Аккумуляторы разной мощности имеют разные свойства, и даже если свойства одного и того же типа аккумуляторов несовместимы, в процессе использования существует вероятность несчастных случаев, вызванных расширением. Поэтому очень важно эффективно управлять системой аккумуляторных батарей для обеспечения безопасности электромобилей. В то же время необходимо обеспечить производительность аккумуляторной системы, продлить срок службы батареи и повысить ее эффективность.

Структура и принцип работы системы управления батареями.

Система управления аккумуляторными батареями (BMS), а именно система управления аккумуляторными батареями, определяет состояние всей аккумуляторной системы, определяя состояние каждой отдельной батареи в аккумуляторном блоке, и осуществляет соответствующую корректировку управления и реализацию стратегии для системы силовых аккумуляторных батарей в соответствии с к их состоянию, чтобы реализовать управление зарядом и разрядом системы силовых батарей и каждого блока, чтобы обеспечить безопасную и стабильную работу системы силовых батарей.

Типичная топологическая структура системы управления батареями в основном делится на две части: главный модуль управления и подчиненный модуль управления. В частности, он состоит из центрального процессора (главного модуля управления), модуля сбора данных, модуля обнаружения данных, модуля блока отображения, компонентов управления (плавких предохранителей, реле) и так далее. Как правило, обмен данными между модулями осуществляется с использованием технологии внутренней шины CAN.
Основываясь на функциях каждого модуля, BMS может в режиме реального времени определять напряжение, ток, температуру и другие параметры силовой батареи, реализовывать управление температурным режимом, сбалансированное управление, обнаружение высокого напряжения и изоляции силовой батареи, а также рассчитывать остаточная емкость, мощность заряда и разряда и состояние SOC&SOH аккумуляторной батареи.

Основные функции системы управления батареями.

Основные функции систем управления батареями можно разделить на три части: обнаружение, управление и защита. В частности, он включает в себя такие функции, как сбор данных, мониторинг состояния, сбалансированное управление, управление температурным режимом, защита и т. д.
(I) сбор данных.
В качестве основы и предпосылки других функций в системе управления батареями точность и скорость сбора данных могут отражать преимущества и недостатки системы управления батареями. Другие функции системы управления, такие как анализ состояния SOC, управление равновесием, управление температурным режимом и т. д., основаны на собранных данных для анализа и обработки.
Объектами сбора данных обычно являются напряжение, ток и температура. В процессе практического использования электрохимические характеристики батареи различны при разных температурах, что приводит к разной энергии, выделяемой батареей. Литий-ионный аккумулятор чувствителен к напряжению и температуре, поэтому при оценке SOC аккумулятора необходимо учитывать влияние температуры.

(II) Анализ состояния.

Анализ состояния батареи в основном включает два аспекта: остаточный заряд батареи и степень старения батареи, а именно оценку SOC и оценку SOH. SOC позволяет водителям получать прямую информацию о влиянии оставшегося заряда на пробег. На современном этапе большое количество исследований сосредоточено на анализе СОК, постоянно повышая его точность. На анализ SOC будет влиять SOH. На SOH батареи постоянно влияют температура и ток в процессе использования, поэтому его необходимо постоянно анализировать, чтобы обеспечить точность анализа SOC.
При анализе SOC используются метод измерения заряда, метод напряжения разомкнутой цепи, метод фильтра Калмана, алгоритм искусственной нейронной сети, метод нечеткой логики и так далее. Здесь кратко представлены метод измерения заряда и метод измерения напряжения холостого хода.
(1) метод измерения заряда.
Метод измерения заряда рассчитывает SOC через статистику заряда, заряженного и разряженного аккумулятором за некоторое время, то есть накопление тока во времени. Хотя это наиболее часто используемый метод измерения, на него будут влиять многие факторы, включая точность данных, саморазряд и т. д. Например, из-за недостаточной точности датчика тока возникает ошибка между током, используемым для расчета интеграла, и реальным значением, что делает отклонение результата SOC все больше и больше. Поэтому при использовании метода измерения заряда нам необходимо использовать некоторые корректирующие алгоритмы для корректировки различных влияющих факторов, чтобы уменьшить погрешность результатов расчета и анализа.
(2) Метод напряжения холостого хода.
Метод напряжения холостого хода заключается в измерении напряжения холостого хода батареи, когда батарея находится в статическом состоянии, для расчета SOC батареи. Однако следует отметить, что при использовании метода напряжения холостого хода обычно считается, что существует определенная линейная зависимость между SOC и ЭДС, и любое значение SOC соответствует только одному значению ЭДС. При использовании метода напряжения холостого хода необходимо учитывать эффект упругого возврата напряжения, и расчетное SOC будет слишком маленьким, если напряжение не восстановится до стабильного значения. По сравнению с методом измерения заряда метод напряжения холостого хода нельзя использовать, когда аккумулятор работает нормально, что является его самой большой проблемой.

Точно измерить SOC на этом этапе очень сложно, например, неточность данных выборки, вызванная точностью датчика и электромагнитными помехами, приводит к отклонению анализа состояния. Кроме того, большое влияние на расчет SOC оказывают непостоянство батареи, исторические данные и неопределенность условий эксплуатации.

(III) сбалансированный контроль.
Из-за влияния производственной и рабочей среды, элементный блок непостоянен, и существуют различия в напряжении, емкости, внутреннем сопротивлении и других свойствах, что приводит к различной эффективной емкости, зарядной и разрядной емкости каждого отдельного элемента в процессе фактического использования. . Следовательно, чтобы обеспечить общую производительность аккумуляторной системы и продлить срок службы, очень важно сбалансировать батарею, чтобы уменьшить разницу между отдельными элементами.
Сбалансированное управление способствует поддержанию емкости аккумулятора и контролю глубины разряда. Если нет сбалансированного управления батареей, из-за настройки функции защиты системы управления батареями может возникнуть явление, когда одна батарея полностью заряжена, другие батареи не полностью заряжены или когда разрядка одной батарея с минимальной мощностью отключена, другие батареи не достигли предельного уровня разрядки. После перезарядки или чрезмерной разрядки батареи в ней происходят необратимые химические реакции, которые влияют на свойства батареи и, таким образом, на срок службы батареи.
В соответствии со структурой схемы и режимом управления при управлении выравниванием первое делится на централизованное выравнивание и распределенное выравнивание, а второе — на активное выравнивание и пассивное выравнивание. Централизованная коррекция означает, что все батарейные блоки в батарейном блоке совместно используют один эквалайзер для управления выравниванием, в то время как распределенная коррекция — это эквалайзер, предназначенный для одной или нескольких ячеек батареи. Преимущество первого состоит в простой и прямой связи и высокой скорости выравнивания. Однако расположение жгута проводов между аккумуляторным блоком и уравнителем сложное, поэтому он не подходит для аккумуляторной системы с большим количеством блоков. Последний может решить проблему с обвязкой первого, но недостатком является высокая стоимость.
Теория активного равновесия, также известная как недиссипативное равновесие, представляет собой передачу энергии между аккумуляторными батареями. Энергия в клетке с высокой энергией передается мономеру с низкой энергией для достижения цели энергетического баланса. Пассивный тип представляет собой диссипативное равновесие, при котором энергия высокоэнергетического мономера расходуется на состояние равновесия с другими мономерами за счет параллельного сопротивления. Активное равновесие является эффективным, и энергия передается, а не потребляется, но сложная структура приводит к увеличению стоимости.

IV) Термическое управление.
Аккумуляторная система в различных условиях эксплуатации из-за собственного внутреннего сопротивления, выходной мощности, электрической энергии в то же время для выработки определенного количества тепла, что приводит к накоплению тепла для повышения температуры батареи, различная компоновка пространства делает температуру батареи не соответствует. Когда температура батареи превышает нормальный диапазон рабочих температур, мощность должна быть ограничена, иначе это повлияет на срок службы батареи. Чтобы обеспечить электрические характеристики и срок службы аккумуляторной системы, силовая аккумуляторная система обычно проектируется с системой управления тепловым режимом. Система управления температурой батареи представляет собой набор систем управления, используемых для обеспечения работы системы батареи в подходящем диапазоне температур, которая в основном состоит из аккумуляторного блока, теплоносителя,
Основная функция системы управления батареями в управлении температурным режимом заключается в точном измерении и мониторинге температуры батареи. Когда температура батареи слишком высока, эффективное рассеивание тепла и вентиляция используются для обеспечения равномерного распределения температурного поля батареи. В условиях низкой температуры аккумулятор можно быстро нагреть, чтобы создать нормальную рабочую среду.

(V) Безопасность и защита.
Как наиболее важная функция всей системы управления батареями, защита безопасности основана на первых четырех функциях. В основном это защита от перегрузки по току, защита от перезарядки и разрядки, защита от перегрева и контроль изоляции.
(1) защита от перегрузки по току.
Поскольку батарея имеет определенное внутреннее сопротивление, при работе батареи протекание тока вызовет внутреннее тепло батареи, а увеличение накопления тепла приводит к увеличению температуры батареи, что приводит к снижению теплового сопротивления. стабильность аккумулятора. Для литий-ионных аккумуляторов определена деинтеркаляционная способность материалов положительного и отрицательного электродов. Когда ток заряда и разряда больше, чем его способность деинтеркаляции, напряжение поляризации батареи будет увеличиваться, а фактическая емкость батареи будет уменьшаться и влиять на срок службы батареи. В серьезных случаях это повлияет на безопасность батареи. Система управления батареями определит, превышает ли текущее значение безопасный диапазон, и если оно превышает его,
(2) защита от перезаряда и переразряда.
В процессе зарядки, когда зарядное напряжение превышает зарядное напряжение отключения батареи, структура положительной решетки будет разрушена, и емкость батареи станет меньше. И когда напряжение слишком высокое, это вызовет скрытую опасность взрыва при коротком замыкании положительного и отрицательного полюсов. Перезарядка строго запрещена. BMS определяет напряжение одной батареи в системе, и когда напряжение превышает предел зарядки, BMS отключает цепь зарядки для защиты системы батарей.
В процессе разряда, когда напряжение разряда ниже напряжения отключения разряда аккумулятора, металлический коллектор на отрицательном электроде аккумулятора растворяется, что приводит к необратимому повреждению аккумулятора. При зарядке переразряженной батареи возможно внутреннее короткое замыкание или утечка. Когда напряжение превышает предельное напряжение разряда, BMS размыкает цепь для защиты аккумуляторной системы.
(3) защита от перегрева.
Для защиты от перегрева ее необходимо сочетать с вышеуказанными функциями управления температурным режимом. Активность батареи зависит от температуры. При длительном воздействии высокой температуры структурная стабильность материалов батареи ухудшается и сокращает срок службы батареи. Ограничение активности батареи при низкой температуре уменьшит доступную емкость, особенно емкость зарядки станет очень низкой, и может создать угрозу безопасности. Система управления батареями может запретить зарядку и разрядку, когда температура батареи превышает верхний предел температуры или ниже нижнего предела температуры.
(4) Контроль изоляции.
Функция контроля изоляции также является одной из важных функций для обеспечения безопасности аккумуляторной системы. Напряжение аккумуляторной системы обычно составляет несколько сотен вольт, и если произойдет утечка, это будет опасно для персонала, поэтому функция контроля изоляции очень важна. BMS будет контролировать сопротивление изоляции общего положительного и отрицательного к корпусу железа в режиме реального времени. Если сопротивление изоляции ниже безопасного диапазона, будет сообщено о неисправности, и высокое напряжение будет отключено.
Конструкция системы и технические требования.

При проектировании системы управления батареями нам сначала необходимо определить функцию BMS в соответствии с конструктивными требованиями всего транспортного средства, а затем определить его топологию, а затем разработать программное и аппаратное обеспечение основной работы. После завершения вышеуказанной основной работы нам необходимо провести модульное тестирование BMS и общее тестирование блока батарей питания. Перед проектированием программного и аппаратного обеспечения необходимо проверить заряд и разряд, емкость, сопротивление и другие характеристики одной батареи, чтобы лучше защитить схему, алгоритм и т. д.
Аппаратный дизайн должен сочетаться с требованиями алгоритмов программного обеспечения, и при разработке печатных плат и конструкции компонентов следует уделять внимание изоляции напряжения, защите от электромагнитных помех, электромагнитной совместимости, изоляции связи, вентиляции и рассеиванию тепла. Общие функции проектирования программного обеспечения включают определение напряжения, определение температуры, обнаружение тока, обнаружение изоляции, оценку SOC, связь CAN, функцию выравнивания разряда, функцию самотестирования системы, функцию обнаружения системы, управление зарядкой, управление температурой и так далее.
Соответствующий аппаратный дизайн поддерживает функции программного дизайна, например, модуль MCU используется для сбора и анализа данных, отправки и получения управляющих сигналов, а модуль обнаружения тока предназначен для сбора тока заряда и разряда аккумуляторной батареи во время работы. процесс зарядки и разрядки.