ЧАСТЬ 2. АРХИТЕКТУРА BMS. АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ КОМПОНЕНТЫ BMS. МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ BMS
АРХИТЕКТУРА BMS
Строение BMS определяется особым соединением и взаимодействием её компонентов в аккумуляторной батарее. Выбор той или иной конструкции влияет на надёжность, масштабируемость и производительность всей BMS. В настоящее время аккумуляторные системы стали сложнее, поэтому выбор архитектуры BMS имеет решающее значение для обеспечения безопасной и оптимальной работы конкретной модификации аккумуляторной батареи.
Централизованное проектирование BMS
Суть централизованного проектирования BMS заключается в использовании одного контроллера для всех ячеек аккумуляторной батареи. Главный блок управления подключается непосредственно к каждой ячейке или модулю аккумуляторной батареи посредством специальных жгутов (проводов). Этот центральный блок выполняет функции контроля напряжения, измерения температуры, балансировки и защиты.
BMS с централизованным проектированием отличаются простотой и экономичностью. Использование одного контроллера делает их компактными и более дешевыми по сравнению с другими конфигурациями. Большинство небольших аккумуляторных систем (с небольшим количеством ячеек) используют централизованную топологию BMS. Хорошими примерами служат электровелосипеды, скутеры и лёгкие электромобили.
BMS с централизованным проектированием отличаются простотой и экономичностью. Использование одного контроллера делает их компактными и более дешевыми по сравнению с другими конфигурациями. Большинство небольших аккумуляторных систем (с небольшим количеством ячеек) используют централизованную топологию BMS. Хорошими примерами служат электровелосипеды, скутеры и лёгкие электромобили.
Модульное и распределенное проектирование BMS
Модульные и распределенные строения BMS разделяют функции мониторинга и управления между несколькими устройствами. Эти подходы различаются по принципам реализации и возможностям.
Модульные архитектуры BMS делятся на несколько одинаковых модулей. Каждый модуль контролирует свои аккумуляторные ячейки через выделенную проводку. Главный контроллер часто координирует работу этих модулей. Такое строение упрощает диагностику и обслуживание. Аккумуляторные блоки можно увеличивать без особых усилий. Такая гибкость обходится дороже, чем централизованные решения. К примеру, BMW i3 использует модульную архитектуру BMS. Его аккумуляторная батарея состоит из отдельных модулей с независимыми блоками BMS, которые технические специалисты могут обслуживать по отдельности.
Распределённые архитектуры BMS выводят децентрализацию на новый уровень – в них платы управления устанавливаются непосредственно на контролируемых ячейках или модулях. Такая архитектура требует минимального количества датчиков и коммуникационных проводов между модулями, а вся система продолжает работать даже при выходе из строя одного компонента, поскольку каждый компонент функционирует независимо.
Обе конструкции хорошо подходят для масштабируемых систем или обеспечения их надежности. Распределённые системы особенно эффективны в высоковольтных проектах. Такая отказоустойчивость необходима для сетевых систем накопления энергии, аэрокосмической отрасли и электромобилей.
Архитектура BMS «главный/подчиненный»
Архитектура BMS «master/slave» (также называемая «главный/подчинённый») сочетает в себе элементы централизованного и модульного проектирования. Их особенность в том, что главный контроллер работает с несколькими подчинёнными модулями.
Эта конструкция похожа на модульную топологию, но работает иначе. Подчинённые модули передают данные измерений главному модулю. Они не выполняют большого объёма вычислений или управления. Сложные вычисления выполняет основной контроллер, именно он принимает решения и взаимодействует с внешними системами.
Преимущество такого строения BMS в том, что простые подчинённые модули стоят дешевле и требуют меньших затрат. Кроме того, эта архитектура сочетает в себе централизованную простоту и модульную гибкость. Она обходится дешевле, чем полностью модульные системы, поскольку подчиненные модули выполняют меньше работы. Система при этом достаточно хорошо масштабируется, сохраняя простоту отдельных компонентов.
Инженеры, как правило, выбирают архитектуру BMS исходя из потребностей приложения, размера аккумулятора, требований к резервированию и бюджета. Каждая конструкция предлагает уникальные преимущества и компромиссы, которые должны соответствовать системным требованиям.
АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ КОМПОНЕНТЫ BMS
Эффективное функционирование BMS требует тщательного подбора специализированных аппаратных и программных компонентов. Высокопроизводительные микроконтроллеры, надёжные протоколы связи и отказоустойчивые коммутационные элементы — основа эффективных решений BMS.
Микроконтроллеры
Каждая BMS оснащена микроконтроллером, который выполняет функцию вычислительного мозга. Эти специализированные процессоры управляют важнейшими функциями BMS: мониторингом ячеек, алгоритмами балансировки и механизмами безопасности.
Выбор конкретного вида микроконтроллера зависит от потребностей той или иной аккумуляторной батареи.
В автомобильных и промышленных приложениях, требующих повышенной производительности и соответствия требованиям безопасности, используются микроконтроллеры MPC5775B и MPC5775E от NXP.
Среди важнейших функций микроконтроллеров — аппаратные модули безопасности и диапазон рабочих температур от -40°C до 125°C, что делает их идеальными для работы в сложных условиях. Поддержка ASIL D, 4 МБ флэш-памяти и рабочие частоты 220–264 МГц.
Выбор микроконтроллера зависит от сложности аккумуляторной системы:
микроконтроллеры с низким энергопотреблением, объединяющие в себе несколько функций и оптимизированные, в том числе по стоимости, устанавливаются в небольших аккумуляторных системах, или системах низкой сложности;
микроконтроллеры, поддерживающие полный набор интерфейсов связи, включая I2C, SPI и UART, лучше всего работают в аккумуляторных системах средней сложности – это системы до 6 ячеек;
микроконтроллеры с высокой производительностью и улучшенными периферийными устройствами требуют установки в аккумуляторных системах высокой сложности – это системы от 6 до 23 ячеек.
Микросхемы
Микросхемы BMS работают совместно с микроконтроллерами, выполняя специализированные функции. В качестве примера можно привести микросхемы управления аккумуляторными батареями Infineon, которые контролируют до 12 ячеек в литий-ионных аккумуляторных батареях. Они измеряют напряжение и температуру ячеек, а также обеспечивают изолированную связь с главным контроллером. Эти микросхемы хорошо подходят для приложений, требующих повышенных требований безопасности, вплоть до уровня ASIL-D, и соответствуют стандартам ISO 26262.
Протоколы связи
CAN-шина — самый популярный протокол связи для BMS, особенно в автомобильной промышленности. Этот протокол работает со скоростью передачи данных 250–500 кбит/с и использует расширенные идентификаторы кадров для обеспечения надежной передачи данных между компонентами BMS.
CAN-шина соответствует следующим требованиям:
- использует 29-битные идентификаторы в расширенном формате кадра;
- имеет приоритетные структуры сообщений с указанием адресов источника и назначения;
- поддерживает многомастерную связь, при которой разные узлы могут передавать данные по одной и той же шине;
- включает обширные механизмы обнаружения и исправления ошибок.
Многомастерная архитектура этого протокола устраняет необходимость в выделенном главном узле. Это создаёт более стабильную и отказоустойчивую систему, которая продолжает работать даже при выходе из строя отдельных элементов. Эта особенность делает CAN-шину идеальным решением для достижения безопасности использования аккумуляторных батарей, в которых надёжность связи имеет первостепенное значение.
При выборе протокола связи командам разработчиков BMS необходимо учитывать требования к скорости, физическое расстояние между компонентами, поддержку многоточечной связи, стоимость и энергопотребление. CAN-шина обычно становится лучшим выбором для проектов, требующих высокой надежности в условиях электромагнитных помех.
Элементы коммутации и защиты
К отказоустойчивым коммутационным элементам относятся, в первую очередь, силовые МОП-транзисторы.
Силовые МОП-транзисторы управляют путями заряда и разряда в BMS, защищая их от неисправностей. Эти полупроводниковые приборы подключаются последовательно между аккумуляторной батареей и выходной нагрузкой, а их работой управляют специальные микросхемы.
В приложениях BMS используются два основных типа МОП-транзисторов:
N-канальные МОП-транзисторы: эти устройства работают более эффективно благодаря меньшему сопротивлению открытого канала (RDS(on)), но требуют более сложных схем управления.
P-канальные МОП-транзисторы: у них более простые требования к управлению, но они менее эффективны, чем альтернативы с N-каналом, из-за более высокого сопротивления в открытом состоянии.
Реализация системы управления питанием требует тщательного выбора МОП-транзистора с учётом ключевых параметров. Номинальное напряжение должно соответствовать максимальному напряжению, а номинальный ток должен превышать максимально допустимый ток для безопасной работы. Низкие значения сопротивления открытого канала помогают снизить потери мощности и повысить эффективность работы.
Выбор МОП-транзистора во многом зависит от управления температурой. МОП-транзисторы в BMS должны работать при температуре ниже 65°C в нормальных условиях. В этом случае можно оптимизировать конструкцию печатной платы, максимально увеличив площадь медного покрытия и добавив рассеивающие переходные отверстия рядом с местами установки МОП-транзистора для улучшения теплоотвода.
МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ в BMS
Безопасность — главный приоритет при использовании литий-ионных аккумуляторов. Грамотно продуманная BMS использует несколько уровней защиты для обеспечения безопасной работы аккумуляторов в любых условиях.
Защита от повышенного и пониженного напряжения
Схемы защиты напряжения BMS непрерывно контролируют напряжение аккумуляторной батареи и ее отдельных элементов. Точные пороговые значения напряжения важны для поддержания работоспособности и безопасности аккумулятора.
BMS контролирует напряжение каждую миллисекунду для защиты от перенапряжения. BMS отключает зарядную цепь или немедленно снижает зарядный ток при обнаружении чрезмерного напряжения. Эта защита важна, поскольку слишком большой ток может поступать на отрицательный электрод. Такая миграция может деформировать структуру положительного электрода и привести к опасному росту дендритов. Перезаряд может привести к миграции ионов лития.
Защита от пониженного напряжения служит резервной защитой, предотвращая разряд аккумулятора ниже ключевых пороговых значений — обычно 2,5 В или 3,2 В в зависимости от химического состава аккумулятора. Эта защита предотвращает глубокий разряд, который приводит к необратимому повреждению и потере ёмкости. BMS отключает нагрузку, чтобы предотвратить дальнейший разряд, когда напряжение падает ниже заданного порогового значения.
Защита от перегрузки по току и короткого замыкания
BMS предлагает два типа защиты от перегрузки: защиту от перегрузки по току и защиту от короткого замыкания. Мгновенный мониторинг тока помогает BMS обнаруживать проблемы до того, как они перерастут в опасную или критическую ситуацию.
Система защиты от перегрузки по току отслеживает протекание тока и активирует защитные меры при превышении пороговых значений. Большинство BMS отключают разрядные полевые транзисторы аппаратно, а не программно при обнаружении превышения допустимого тока. Программное обеспечение реагирует недостаточно быстро, чтобы предотвратить повреждение.
Защита от короткого замыкания обладает сверхбыстрым временем срабатывания – от 250 до 500 микросекунд. Короткие замыкания создают прямой путь с минимальным сопротивлением, что приводит к внезапным скачкам тока. BMS должна мгновенно отключать аккумулятор, чтобы предотвратить катастрофические отказы. Количество МОП-транзисторов необходимо подбирать с учётом потенциального тока короткого замыкания. К примеру, одна пара полевых транзисторов может выйти из строя, но четыре пары могут эффективно предотвратить опасный ток.
Стратегии предотвращения теплового разгона
Тепловой разгон — один из самых опасных способов выхода из строя литий-ионных батарей. Эта цепная реакция процессов, сопровождающихся выделением тепла, требует тщательного мониторинга с помощью датчиков температуры, грамотно и продуманно размещённых по всей площади аккумуляторной батареи.
Для предотвращения теплового разгона используется несколько параметров защиты:
- активный мониторинг. BMS отслеживает данные о температуре на уровне ячеек, используя NTC-термисторы, установленные между ячейками, на компонентах питания и плате BMS;
- раннее обнаружение. Мониторинг отходящих газов способствует заблаговременному обнаружению проблемы до того, как произойдут термические явления;
- защитное отключение. BMS активирует встроенный автоматический выключатель, чтобы отключить аккумулятор, если обнаруживает опасное повышение температуры.
Такой детальный подход, объединяющий точные технологии мониторинга, системы оповещения и автоматизированные схемы защиты, обеспечивает безопасную работу литиевых аккумуляторных систем в любых условиях.
Продолжение следует...
Подпишись на Энерголикбез, чтобы не пропустить все самое интересное)