Sistema de gerenciamento de bateria (bms) para veículos elétricos

Em 7 ^th Janeiro de 2013, um vôo Boeing 787 estava estacionado para manutenção, durante esse um mecânico chamas notado e fumaça saindo da unidade de potência auxiliar (bateria de lítio Pack) do vôo, que é usado para o poder dos sistemas de vôo eletrônicos. Os esforços foram levados para apagar o fogo desligado, mas 10 dias depois antes este problema poderia ser resolvido, em 16 ^th janeiro outra falha da bateria ocorreu em um 787 voo operado pela All Nippon Airways que fez um pouso de emergência no aeroporto japonês. Essas duas freqüentes falhas catastróficas de bateria fizeram com que o voo do Boeing 787 Dreamliners ficasse em terra indefinidamente, o que manchou a reputação do fabricante, causando enormes perdas financeiras.

Após uma série de investigações conjuntas entre os EUA e os japoneses, o pacote de bateria de lítio do B-787 passou por uma tomografia computadorizada e revelou que uma das oito células de íon-lítio foi danificada causando um curto-circuito que disparou uma fuga térmica. Este incidente poderia ter sido facilmente evitado se o sistema de gerenciamento de bateria da bateria de íon de lítio fosse projetado para detectar / prevenir curto-circuitos. Depois de algumas mudanças de projeto e regulamentos de segurança, o B-787 começou a voar novamente, mas ainda assim o incidente permanece como uma evidência para provar o quão perigosas as baterias de lítio podem ser se não forem manuseadas adequadamente.

15 anos depois, hoje temos carros elétricos usando as mesmas baterias de íon-lítio, que são agrupadas em centenas, senão milhares. Essas enormes baterias com uma voltagem de cerca de 300 V ficam no carro e fornecem uma corrente de até 300 A (números aproximados) durante a operação. Qualquer contratempo aqui terminaria em um grande desastre, razão pela qual o sistema de gerenciamento de bateria é sempre enfatizado em EVs. Portanto, neste artigo, aprenderemos mais sobre este Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) e analisaremos para entender seu design e funções para entendê-lo muito melhor. Uma vez que as baterias e o BMS estão intimamente relacionados, é altamente recomendável ler nossos artigos anteriores sobre veículos elétricos e baterias de EV.

Por que precisamos de um sistema de gerenciamento de bateria (BMS)?

As baterias de íon de lítio provaram ser as baterias de interesse dos fabricantes de veículos elétricos devido à sua alta densidade de carga e baixo peso. Mesmo que essas baterias tenham muita força devido ao seu tamanho, elas são altamente instáveis ​​por natureza. É muito importante que essas baterias nunca sejam sobrecarregadas ou descarregadas em qualquer circunstância que implique a necessidade de monitorar sua tensão e corrente. Este processo fica um pouco mais difícil, pois há muitas células reunidas para formar uma bateria em EV e cada célula deve ser monitorada individualmente para sua segurança e operação eficiente, o que requer um sistema especial dedicado chamado Sistema de Gerenciamento de Bateria. Além disso, para obter a eficiência máxima de uma bateria, devemos carregar e descarregar completamente todas as células ao mesmo tempo na mesma voltagem que novamente exige um BMS. Além disso, o BMS é responsável por muitas outras funções que serão discutidas a seguir.

Considerações sobre o design do sistema de gerenciamento de bateria (BMS)

Existem muitos fatores que devem ser considerados ao projetar um BMS. As considerações completas dependem da aplicação final exata na qual o BMS será usado. Além do EV, os BMS também são usados ​​sempre que um pacote de bateria de lítio estiver envolvido, como um painel solar, moinhos de vento, paredes elétricas, etc. Independentemente da aplicação, o design do BMS deve considerar todos ou muitos dos seguintes fatores.

Controle de descarga: A principal função de um BMS é manter as células de lítio dentro da região operacional segura. Por exemplo, uma célula de lítio 18650 típica terá uma classificação de subtensão de cerca de 3V. É responsabilidade do BMS certificar-se de que nenhuma das células do pacote seja descarregada abaixo de 3V.

Controle de carga: Além da descarga, o processo de carga também deve ser monitorado pelo BMS. A maioria das baterias tende a se danificar ou ter sua vida útil reduzida quando carregadas de forma inadequada. Para o carregador de bateria de lítio, é usado um carregador de 2 estágios. O primeiro estágio é chamado de Corrente Constante (CC), durante o qual o carregador emite uma corrente constante para carregar a bateria. Quando a bateria fica quase cheia, o segundo estágio é chamado de tensão constante (CV)estágio é usado durante o qual uma tensão constante é fornecida à bateria em uma corrente muito baixa. O BMS deve certificar-se de que a tensão e a corrente durante o carregamento não excedem os limites permeáveis ​​para não sobrecarregar ou carregar rapidamente as baterias. A tensão e a corrente de carga máximas permitidas podem ser encontradas na folha de dados da bateria.

Determinação do estado de carga (SOC): Você pode pensar no SOC como o indicador de combustível do EV. Na verdade, ele nos diz a capacidade da bateria da embalagem em porcentagem. Tal como o do nosso telemóvel. Mas não é tão fácil quanto parece. A tensão e a corrente de carga / descarga do pacote devem ser sempre monitoradas para prever a capacidade da bateria. Uma vez que a tensão e a corrente são medidas, existem vários algoritmos que podem ser usados ​​para calcular o SOC da bateria. O método mais comumente usado é o método de contagem coulomb; discutiremos mais sobre isso posteriormente neste artigo. Medir os valores e calcular o SOC também é responsabilidade de um BMS.

Determinação do estado de saúde (SOC): A capacidade da bateria não depende apenas de sua tensão e perfil de corrente, mas também de sua idade e temperatura operacional. A medição SOH nos informa sobre a idade e o ciclo de vida esperado da bateria com base em seu histórico de uso. Desta forma, podemos saber quanto a quilometragem (distância percorrida após a carga completa) do EV reduz à medida que a bateria envelhece e também podemos saber quando a bateria deve ser substituída. O SOH também deve ser calculado e monitorado pelo BMS.

Equilíbrio celular: outra função vital de um BMS é manter o equilíbrio celular. Por exemplo, em um pacote de 4 células conectadas em série, a voltagem de todas as quatro células deve ser sempre igual. Se uma célula for menor ou mais alta que a outra, isso afetará todo o pacote, digamos que uma célula esteja em 3,5 V enquanto as outras três estão em 4 V. Durante o carregamento, essas três células atingirão 4,2 V, enquanto a outra teria acabado de atingir 3,7 V, de forma semelhante, esta célula será a primeira a descarregar para 3 V antes das outras três. Desta forma, por causa desta única célula todas as outras células do pack não podem ser utilizadas em seu potencial máximo, comprometendo a eficiência.

Para lidar com esse problema, o BMS precisa implementar algo chamado balanceamento de células. Existem muitos tipos de técnicas de balanceamento de células, mas as comumente usadas são o balanceamento de células do tipo ativo e passivo. No equilíbrio passivo, a ideia é que as células com excesso de tensão serão forçadas a descarregar através de uma carga semelhante a um resistor para atingir o valor de tensão das outras células. Enquanto em equilíbrio ativo, as células mais fortes serão usadas para carregar as células mais fracas para equalizar seus potenciais. Aprenderemos mais sobre o balanceamento celular posteriormente em um artigo diferente.

Controle térmico: a vida útil e a eficiência de uma bateria de lítio dependem muito da temperatura operacional. A bateria tende a descarregar mais rápido em climas quentes em comparação com as temperaturas ambientes normais. Somando-se a isso, o consumo de alta corrente aumentaria ainda mais a temperatura. Isso exige um sistema térmico (principalmente óleo) em uma bateria. Este sistema térmico só deve ser capaz de diminuir a temperatura, mas também deve ser capaz de aumentar a temperatura em climas frios, se necessário. O BMS é responsável por medir a temperatura da célula individual e controlar o sistema térmico de acordo para manter a temperatura geral da bateria.

Alimentado pela própria bateria: A única fonte de alimentação disponível no EV é a própria bateria. Portanto, um BMS deve ser projetado para ser alimentado pela mesma bateria que deve proteger e manter. Isso pode parecer simples, mas aumenta a dificuldade do projeto do BMS.

Menos energia ideal: um BMS deve estar ativo e funcionando mesmo se o carro estiver funcionando ou carregando ou no modo ideal. Isso faz com que o circuito BMS seja alimentado continuamente e, portanto, é obrigatório que o BMS consuma muito menos energia para não esgotar muito a bateria. Quando um EV é deixado sem carga por semanas ou meses, o BMS e outros circuitos tendem a descarregar a bateria sozinhos e, eventualmente, precisam ser girados ou carregados antes do próximo uso. Esse problema ainda permanece comum até mesmo com carros populares como o Tesla.

Isolamento galvânico: O BMS atua como uma ponte entre a bateria e a ECU do EV. Todas as informações coletadas pelo BMS devem ser enviadas à ECU para serem exibidas no painel de instrumentos ou no painel. Portanto, o BMS e a ECU devem estar continuamente se comunicando por meio do protocolo padrão, como comunicação CAN ou barramento LIN. O projeto do BMS deve ser capaz de fornecer um isolamento galvânico entre a bateria e a ECU.

Registro de dados: É importante para o BMS ter um grande banco de memória, pois ele precisa armazenar muitos dados. Valores como o SOH do estado de saúde podem ser calculados somente se o histórico de carga da bateria for conhecido. Portanto, o BMS deve rastrear os ciclos de carga e o tempo de carga da bateria a partir da data de instalação e interromper esses dados quando necessário. Isso também ajuda a fornecer serviço pós-venda ou analisar um problema com o VE para os engenheiros.

Precisão: quando uma célula está sendo carregada ou descarregada, a tensão nela aumenta ou diminui gradualmente. Infelizmente, a curva de descarga (tensão x tempo) de uma bateria de lítio tem regiões planas, portanto, a mudança na tensão é muito menor. Esta alteração deve ser medida com precisão para calcular o valor de SOC ou para usá-lo para balanceamento celular. Um BMS bem projetado pode ter uma precisão de até ± 0,2mV, mas deve ter, no mínimo, uma precisão de 1mV-2mV. Normalmente, um ADC de 16 bits é usado no processo.

Velocidade de processamento: O BMS de um EV precisa fazer muitos cálculos numéricos para calcular o valor de SOC, SOH etc. Existem muitos algoritmos para fazer isso, e alguns até usam o aprendizado de máquina para realizar a tarefa. Isso torna o BMS um dispositivo com grande demanda de processamento. Além disso, ele também precisa medir a voltagem da célula em centenas de células e perceber as mudanças sutis quase imediatamente.

Blocos de construção de um BMS

Existem muitos tipos diferentes de BMS disponíveis no mercado, você pode projetar um por conta própria ou até mesmo comprar o CI integrado que está prontamente disponível. Do ponto de vista da estrutura de hardware, existem apenas três tipos de BMS baseados em sua topologia: BMS Centralizado, BMS Distribuído e BMS Modular. No entanto, a função desses BMS é semelhante. Um sistema de gerenciamento de bateria genérico é ilustrado abaixo.

Aquisição de dados BMS

Vamos analisar o bloco de funções acima a partir de seu núcleo. A função principal do BMS é monitorar a bateria, para a qual ele precisa medir três parâmetros vitais, como tensão, corrente e temperatura de cada célula do pacote de bateria. Sabemos que os packs de bateria são formados conectando muitas células em série ou configuração paralela, como o Tesla tem 8.256 células em que 96 células são conectadas em série e 86 são conectadas em paralelo para formar um pacote. Se um conjunto de células está conectado em série, então temos que medir a tensão em cada célula, mas a corrente para todo o conjunto será a mesma, pois a corrente será a mesma em um circuito em série. Da mesma forma, quando um conjunto de células é conectado em paralelo, temos que medir apenas a voltagem inteira, pois a voltagem em cada célula será a mesma quando conectada em paralelo. A imagem abaixo mostra um conjunto de células conectadas em série, você pode notar a tensão e a temperatura sendo medidas para células individuais e a corrente do pacote é medida como um todo.

“Como medir a tensão da célula em BMS?”

Como um EV típico tem um grande número de células conectadas entre si, é um pouco desafiador medir a voltagem de cada célula de um pacote de bateria. Mas apenas se conhecermos a voltagem da célula individual, podemos realizar o equilíbrio da célula e fornecer proteção à célula. Para ler o valor da tensão de uma célula, um ADC é usado. Mas a complexidade envolvida é alta, pois as baterias são conectadas em série. Significa que os terminais através dos quais a tensão é medida devem ser alterados todas as vezes. Existem muitas maneiras de fazer isso envolvendo relés, muxes, etc. Além disso, há também alguns IC de gerenciamento de bateria como MAX14920, que pode ser usado para medir tensões de células individuais de várias células (12-16) conectadas em série.

“Como medir a temperatura da célula para BMS?”

Além da temperatura da célula, às vezes o BMS também tem que medir a temperatura do barramento e a temperatura do motor, pois tudo funciona com alta corrente. O elemento mais comum usado para medir a temperatura é chamado de NTC, que significa Coeficiente de temperatura negativa (NTC). É semelhante a um resistor, mas muda (diminui) sua resistência com base na temperatura ao seu redor. Medindo a tensão neste dispositivo e usando uma lei de ohms simples, podemos calcular a resistência e, portanto, a temperatura.

Front end analógico multiplexado (AFE) para medição de temperatura e tensão de célula

Medir a voltagem da célula pode se tornar complexo, pois requer alta precisão e também pode injetar ruídos de comutação do mux. Para superar esses problemas, um AFE - Analog Front end IC é usado. Um AFE possui Mux, buffer e módulo ADC integrados com alta precisão. Ele pode facilmente medir a tensão e a temperatura com o modo comum e transferir as informações para o microcontrolador principal.

“Como medir a corrente do pacote para BMS?”

O EV Battery Pack pode fornecer um grande valor de corrente até 250A ou até mesmo alto, além disso, também temos que medir a corrente de cada módulo do pacote para garantir que a carga seja distribuída uniformemente. Ao projetar o elemento de detecção de corrente, também temos que fornecer isolamento entre o dispositivo de medição e detecção. O método mais comumente usado para detectar corrente é o método Shunt e o método baseado em sensor Hall. Ambos os métodos têm seus prós e contras. Os métodos de derivação anteriores eram considerados menos precisos, mas com a recente disponibilidade de projetos de derivações de alta precisão com amplificadores e moduladores isolados, eles são mais preferidos do que o método baseado em sensor Hall.

Estimativa do estado da bateria

O principal poder computacional de um BMS é dedicado a estimar o estado da bateria. Isso inclui a medição de SOC e SOH. O SOC pode ser calculado usando a tensão da célula, corrente, perfil de carga e perfil de descarga. O SOH pode ser calculado usando o número do ciclo de carga e o desempenho da bateria.

“Como medir o SOC de uma bateria?”

Existem muitos algoritmos para medir o SOC de uma bateria, cada um com seus próprios valores de entrada. O método mais comumente usado para SOC é chamado de Contagem de Coulomb, também conhecido como método de contabilidade. Vamos discutir