Batteriemanagementsystem
Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein Gerät zur effektiven Verwaltung von Batteriepaketen. Bei Elektrofahrzeugen kann eine gut konzipierte BMS-Hardware und -Software die Reichweite effektiv erhöhen, die Lebensdauer des Batteriepakets verlängern, die Betriebskosten senken und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriepakets gewährleisten. Das Power-Batteriemanagementsystem ist zu einem unverzichtbaren Kernbestandteil von Elektrofahrzeugen geworden. Der Schwerpunkt dieses Kapitels liegt auf der Einführung in den Aufbau, die Funktionen und die Arbeitsprinzipien des Energiebatteriemanagementsystems.
Systemarchitektur
Zu einer typischen Batteriemanagementsystem-Hardware (BMS) gehören in erster Linie eine Batteriemanagementeinheit (BMU), eine Zellenmanagementeinheit (CMU), Sensoren, Kabelbäume usw. Bei der Entwicklung großer Batteriesysteme ist die Wahl der BMS-Architektur entscheidend. Sie bestimmt direkt die Verbindungsmethoden zwischen Hardwareeinheiten und dem Softwareprogrammierungsansatz und wirkt sich auf die Systemkosten, die Zuverlässigkeit, die einfache Installation und Wartung sowie die Messgenauigkeit aus. Basierend auf der Topologie zwischen den Controllern im BMS können BMS grob in zwei Typen eingeteilt werden: integriert und verteilt.
1. Integriertes BM
2. Verteiltes BMS
Im Gegensatz zu integrierten Topologien unterteilen verteilte Architekturen die BMS-Funktionalität in eine Mainboard-BMU und mehrere Slave-CMUs. Die modulare Struktur vereinfacht die Modulmontage, optimiert die Anordnung des Probenahmekabelbaums und verringert Spannungsabfallinkonsistenzen durch gleichmäßige Abstände. Zu den Nachteilen gehören höhere Kosten und ein komplexeres Kommunikations- und Steuerungsdesign. Basierend auf der Vielfalt verteilter BMS-Verbindungsmethoden können sie weiter in drei Typen unterteilt werden: Sternverbindung (siehe Abbildung 8-2), Busverbindung und Daisy-Chain-Verbindung.
(1) SternverbindungBei einer Sternschaltung ist die BMU des Mainboards zentral angeordnet und jedes CMU-Modul ist über einen Kabelbaum direkt mit dem BMS-Mainboard verbunden. Sternverbindungen erleichtern die Punkt{1}}zu--Steuerung, und der Ausfall eines einzelnen CMU-Knotens hat keine wesentlichen Auswirkungen auf das System. Mit zunehmender Anzahl an Modulen nimmt jedoch die Komplexität der Kommunikationsleitungen in einer Sternverbindung exponentiell zu, was die Wartung erschwert und die Skalierbarkeit einschränkt. Aufgrund der Einschränkungen der BMS-Mainboard-Ports können CMU-Module nicht beliebig hinzugefügt werden, was sie bei großen Anwendungen relativ selten macht.
(2) BusverbindungEine Bus-basierte Systemarchitektur erleichtert den modularen Aufbau, wie in Abbildung 8-3 dargestellt. Das BMS ist typischerweise in mehrere Steuereinheiten unterteilt: BMU, CMU und Battery Join Box (BJB). BMU, CMU und BJB sind über CAN oder andere Busnetzwerke verbunden. Die BMU führt die Kernalgorithmusfunktionen für das Batteriemanagement aus; Die CMU führt die Erfassung, den Ausgleich und die Temperaturmessung der Zellspannung durch. Der BJB führt Hochspannungs-, Strom- und Temperaturerfassung, Schützansteuerung und -diagnose sowie Isolationserkennung für das Batteriepaket durch. Die Isolierung sorgt für eine elektrische Isolierung, verhindert ein Durchbrennen der Leiterplatte durch Rückfluss und begrenzt die Störamplitude.
Die busbasierte Architektur bietet flexiblere Kommunikationsverbindungen und starke Skalierbarkeit, vereinfacht das Design der Hardwarearchitektur erheblich, erreicht Modularität und verbessert die Anwendbarkeit und Portabilität des Systems. Sein Hauptnachteil sind die relativ hohen Kosten.
Daisy-Chaining ist eine relativ neue Verbindungsmethode, die in den letzten Jahren entstanden ist. Die Schnittstelle kann Vollduplex-SPI-Signale mit bis zu 1 Mbit/s in Differenzsignale umwandeln und diese über ein Twisted-Pair-Kabel und einen einfachen, kostengünstigen Transformator übertragen. Beispielsweise können die AFE-Geräte (LTC6811) von Linear Technology zu einem BMS zusammengeschaltet werden. Ein kleiner, kostengünstiger Transformator ersetzt den Datenisolator. Auf der Seite des Hauptsteuerungsmikroprozessors stellt ein kleiner Adapter-IC (LTC6820) die Hauptsteuerungsschnittstelle bereit. Während unidirektionale Daisy-Chain-Netzwerke einfach sind, kann der Ausfall eines Knotens die Kommunikation des gesamten Systems beeinträchtigen. Daher wurde eine verbesserte Ring-Daisy--Kette, wie in Abbildung 8-4 dargestellt, entwickelt und in den BMS-Produkten großer Hersteller neuer Energiefahrzeuge wie Tesla eingesetzt. Im Vergleich zu CAN-Bus-Verbindungen ist die Verkettung kostengünstiger und kleiner, weist jedoch eine schlechte Skalierbarkeit, eine begrenzte maximale Anzahl von Knoten und Schwierigkeiten bei der Bewältigung von Batteriemanagementproblemen in komplexeren Szenarien wie großen Energiespeichersystemen auf.
Grundfunktionen
Im Allgemeinen umfassen die Grundfunktionen eines Batteriemanagementsystems (BMS): Datenerfassung, Schätzung des Batteriezustands, Energiemanagement, Sicherheitsmanagement, Wärmemanagement, Ausgleichskontrolle, Kommunikationsfunktionen und Mensch-Maschine-Schnittstelle. Abbildung 8-5 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Batteriemanagementsystems.
Die Datenerfassung ist die Grundlage aller Algorithmen und Steuerungen in einem Batteriemanagementsystem (BMS). Daher sind Abtastrate, Genauigkeit und Vorfiltereigenschaften entscheidende Indikatoren für die Leistung des Batteriesystems. Die Datenerfassungsrate wird durch das Szenario und die Funktion bestimmt. Mit einer Notstromversorgung kann die Datenerfassungsrate beispielsweise nur ein Bild pro 10 Sekunden oder sogar pro Minute betragen; Bei Objekten mit sich schnell änderndem Strom (z. B. Fahrzeugen) müssen die Daten mindestens einmal pro Sekunde erfasst werden, wobei für einige sicherheitsrelevante Daten Abtastfrequenzen von nur 100 ms oder 10 ms erforderlich sind.
2. Schätzung des Batteriezustands
Die Schätzung des Batteriezustands umfasst hauptsächlich zwei Aspekte:Ladezustand (SOC)UndGesundheitszustand (SOH). Der SOC charakterisiert die aktuelle Restladung des Batteriepakets und ist die Grundlage für die Abschätzung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs. SOH ist ein Parameter, der die verbleibende Lebensdauer der Batterie und andere Gesundheitszustände angibt.
Das Energiemanagement stellt sicher, dass die Echtzeit-Energieabgabe und -aufnahme der Batterie die Tragfähigkeit der Batterie und des Systems nicht überschreitet. Tatsächlich wird die Lade-/Entladekapazität einer Batterie unter anderem von der Temperatur, dem SOC und dem SOH beeinflusst. Gleichzeitig müssen auf Systemebene Risiken wie Überhitzung und Stromkreisschmelzen vermieden werden. Daher ist das Energiemanagement ein globaler Steuerungsprozess, der hauptsächlich Strom, Spannung, Temperatur, SOC und SOH als Eingaben verwendet.
Überwachen Sie Batteriespannung, -strom und -temperatur, um sicherzustellen, dass sie die normalen Bereiche nicht überschreiten. Modernes BMS (Batteriemanagementsystem) überwacht nicht nur den gesamten Batteriesatz, sondern bietet auch eine verfeinerte Kontrolle über extreme Bedingungen einzelner Zellen wie Überladung, Tiefentladung und Übertemperatur.
Kühlen der Batterie, wenn ihre Betriebstemperatur zu hoch ist, und Erhitzen, wenn sie unter die Untergrenze ihrer geeigneten Betriebstemperatur fällt, um die Batterie in ihrem optimalen Betriebsbereich zu halten und während des Betriebs ein Temperaturgleichgewicht zwischen den einzelnen Zellen aufrechtzuerhalten. Das Wärmemanagement ist insbesondere für Batterien erforderlich, die unter Bedingungen hoher-Entladungsleistung und hoher{2}}Temperaturen verwendet werden.
6. Ausgleichskontrolle
Inkonsistenzen in der Batterieleistung können zu einer Verschlechterung der Gesamtleistung des Batteriepacks und sogar zu Sicherheitsrisiken führen. Zwischen den einzelnen Zellen im Batteriepack sind Ausgleichsschaltungen installiert, um sicherzustellen, dass die Lade- und Entladebedingungen jeder einzelnen Zelle möglichst gleichmäßig sind und dadurch die Gesamtleistung des Batteriepacks verbessert wird.
Eine entscheidende Funktion eines Batteriemanagementsystems (BMS) besteht darin, die Kommunikation von Batterieparametern und -informationen mit Bord- oder Offboard-Geräten zu ermöglichen und Daten für die Lade-/Entladesteuerung und die Fahrzeugsteuerung bereitzustellen. Je nach Anwendung können für den Datenaustausch unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen genutzt werden, beispielsweise analoge Signale, PWM-Signale, CAN-Bus oder serielle I2C-Schnittstellen.
8. Mensch--Maschinenschnittstelle (HMI)
Das HMI ist die Zwischenschnittstelle für die Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Es nutzt geeignete Ein- und Ausgabegeräte, um den Dialog und die Interaktion zwischen Menschen und den von ihnen bedienten Maschinen effektiv zu ermöglichen. In einem BMS umfasst die HMI Anzeigeinformationen sowie Bedientasten und -knöpfe, die entsprechend den Designanforderungen konfiguriert sind.
