В состав системы питания батарей в электромобилях включатся электронная система управления аккумуляторных батарей BMS, которая управляет зарядным и разрядным процессом аккумуляторной батареи, отвечает за безопасность её работы, проводит мониторинг состояния батареи, оценку вторичных данных работоспособности.
При возникновении проблемы система управления аккумуляторной батареей генерирует коды шибок. Все данные отправляются на другие блоки управления и на диагностический тестер по связи CAN.
BMS интегрирована в блок тяговой батареи и является основным компонентом системы управления батареей.
Рассмотрим систем управления аккумуляторных батарей BMS на примере электромобиля Geometry C.
В каждом блоке батарей имеется BMS, который состоит из блоков CSC, BMU и BDU.
Блок напряжения и температурыCSC. Каждый модуль имеет CSC для отслеживания информации о напряжении и температуре каждой ячейки и передачи информации BMU. Система сбора данных CSC сообщает соответствующую информацию блоку управления батареей (BMS) и выполняет выравнивание напряжения блока в соответствии с инструкциями BMS.
Блок контроля батареи (BMU). BMU находится в тяговой батарее в сборе. Как основной компонент BMS, BMU ответственен за диагностику автомобиля, связь, калибрование, контроль зарядки, отслеживание столкновений, взаимоблокировка высокого напряжения, терморегулированием, контроль выравнивания, отбор проб высокого напряжения, отслеживание изоляции высокого напряжения, высоковольтный релейный привод, диагностики реле высокого напряжения, контроль высоковольтной предварительной зарядки, управление CSC и BDU, управление состоянием батареи, стратегия применения, и др.
Блок распределения высокого напряжения батареи (B-BOX или BDU). Этот блок установлен на положительном и отрицательном выходных клеммах тяговой батареи и состоит из главного положительного реле, главного отрицательного реле, реле предварительной зарядки, реле зарядки, датчика тока (CSU) и резистора предварительной зарядки. Реле заряда и резистор предварительной зарядки образуют цепь предварительной зарядки, чтобы предотвратить повреждение электрических компонентов и конденсаторов двигателя чрезмерным током контура.
Основными функциями системы управления АКБ являются следующие.
1. Контрольная функция . Контролирует напряжение: общее, отдельных элементов, наибольшее и наименьшее каждого компонента; температурный режим: усреднённый, на выходе, электролита, отдельных составляющих АКБ, платы БМС; токи заряда/разряда; глубину заряда/разряда; рабочее состояние.
Схема имеет возможность сохранять в памяти некоторые данные: число циклов заряда/разряда, значение наибольшего и наименьшего напряжения составляющих и тока зарядки/разрядки.
2. Интеллектуально-вычислительная функция. На основе выше приведённых пунктов, система контроля АКБ оценивает: предельно допустимый ток заряда; количество электроэнергии, которая поставляется при зарядке или же теряется при разряде; сопротивление компонентов; сколько наработала АКБ по ходу эксплуатации. Для определения количества использованной и накопленной энергии контролируется входной и выходной ток АКБ.
3. Связная функция. Микросхема предоставляет возможность подавать вышеприведённые данные на внешние устройства управления, посредством проводной либо беспроводной связи.
4. Защитная функция. Система защиты АКБ оберегает её, не давая выходить на тот режим работы, который может нанести ущерб. Микросхема осуществляет безопасное подключение и отключение нагрузки, её гибкое регулирование, а также защищает электробатарею от: перегрузки по току; перенапряжения по ходу зарядки; падения напряжения ниже установленного уровня во время разряда; переохлаждения и перегрева; утечки. Для информации о состоянии батарей на ней установлены датчики: температуры, измеряющие температуру и предотвращающие ее перегревание; тока напряжения, определяющие состояние батареи и представляют данные для поддержания баланса зарядки ячейки.
Во время разрядки или AC (медленная зарядка) зарядки, когда BMS обнаруживает что сопротивление изоляции системы высокого напряжения электромобиля ниже 500Ω/V, он посылает сигнал о утечке в системе высокого напряжения и сигнал о неисправности разрядки (разрядки) или сигнал о неисправности зарядки (AC зарядка). Когда обнаруживается, что сопротивление изоляции системы высокого ниже 100Ω/V в течении DC зарядки, будут отправлены сигналы о утечке в системе высокого напряжения и сигнал о неисправности зарядки.
В течении процесса старта разрядки, когда BMS обнаруживает утечку в системе высокого напряжения, будет передан сигнал о неисправности. В этом случае электромобиль не допускается к подключению к системы высокого напряжения. Блок управления инвертора (VCU) замыкает основное реле и отправляет сигнал о неисправности системы, высвечивая сигнал о неисправности системы на щитке приборов.
Если утечка высоковольтной системы происходит во время работы автомобиля, BMS будет ограничивать выходную мощность до 0kw от текущей мощности разряда в течении минуты, VCU будет ограничивать выходную мощность в соответствии с текущей мощностью непрерывного разряда, переданной BMS. Когда скорость автомобиля ≤2km/h, VCU будет посылать не допуск к разрядке системе высоковольтных аксессуаров. После остановки работы высоковольтных компонентов, VCU замыкает основное реле, BMS отключает положительные контакторы и отрицательный контактор после получения команды основного реле. Индикатор готовности выключается. Прибор подает сигнал тревоги и загорается индикатор неисправности системы.
Если электромобиль подзаряжается на AC или DC (быстрой) зарядке и BMS обнаруживает утечку высоковольтной системы, будет отправлен сигнал утечки высоковольтной системы и сигнал неисправности системы, в то же время будет отправлено сообщение о окончании стадии зарядки и электромобиль перестанет заряжаться.
На основании информации, полученной от датчиков контроллер батареи, рассчитывает следующие параметры:
- состояние заряда (SoC — State of Charge), информирующее о том, сколько или как долго батарея еще может отдавать или потреблять энергию;
- состояние работоспособности (SoF — State of Function), описывающее производительность (мощность) аккумулятора, т.е. количество киловатт, которое накопитель энергии может обеспечить двигателю.
- пригодность SoH – State of Health), характеризующая степень старения батареи, которая является критерием для определения количества заряда, который еще потребляют элементы (способность к заряду снижается с возрастом батареи).
Эти параметры состояния и, в частности, состояние заряда необходимы для управления высоковольтной системой привода.
Контрольная плата может нейтрализовать опасный для АКБ процесс, воздействуя непосредственно на аккумулятор либо же, подавая нужный сигнал контроллеру о недопустимости дальнейшего использования АКБ. Система отключает АКБ от нагрузки или зарядного приспособления в ситуации, когда хотя бы один из рабочих параметров выйдет за рамки принятых значений.
5. Функция балансировки. Обеспечение равного заряда всех ячеек АКБ, для продления срока его службы.
Даже при небольшом превышении заряда некоторых элементов аккумуляторной батареи они в процессе работы не смогут отдавать нужную ёмкость и из-за неравномерного распределения заряда и АКБ может стать неработоспособной. Компоненты с самым маленьким уровнем будут довольно быстро разряжаться, а элементы, обладающие большей ёмкостью, будут разряжаться только отчасти (рис. 3.40).
В этом случае помогает балансировка аккумулятора, которую осуществляет BMS. Микросхема тщательно отслеживает чтобы все компоненты АКБ по окончанию зарядного процесса получили равномерное напряжение. Когда зарядное мероприятие подходит к логическому окончанию, BMS осуществляет балансировку посредством шунтирования подзарядившихся компонентов либо же переправляет энергию ячеек с повышенным напряжением, компонентам на которых оно меньше. Если какие-то ячейки заряжаются быстрее, чем другие, то их зарядный ток частично направляется через резистор и транзистор.
Блок контроля АКБ, балансируя агрегат и контролируя температурный режим, а также осуществляя ряд других функций, обеспечивает максимально долгий срок эксплуатации батареи.
Суть балансировки заключается в принудительном выравнивании напряжений на каждой ячейке (элементе) (рис. 3.41).
Имеются два типа балансировки – пассивная и активная.
Пассивная (резисторная) балансировка начинает работать только в конце заряда. Секции, на которых напряжение уже достигло верхнего уровня заряда шунтируются резисторами и регулируется транзисторами (рис. 3.42), при этом часть зарядного тока выделяется на резисторах в виде тепла. Для балансировки батареи энергия поступает из определенных ячеек через резистор. Каждый модуль имеет индикатор напряжения, показывающий его состояние заряда. Если одна ячейка имеет большой заряд, чем остальные ее можно разрядить, включив транзистор.
Отстающие секции продолжают заряжаться. Так происходит до тех пор, пока все секции не достигнут 100% заряда. Если используется именно такой метод балансировки, нужно обязательно заряжать батарею до конца, иначе балансировка не произойдет. В конце разряда батарея отключится, ориентируясь на слабейшую секцию. При пассивной балансировке происходит потеря энергии, поскольку резисторы преобразуют электрическую энергию в тепловую. Преимуществом этого вида балансировки является ее высокая надежность.
При пассивной балансировке происходит потеря энергии, поскольку резисторы преобразуют электрическую энергию в тепловую. Преимуществом этого вида балансировки является ее высокая надежность.
В этом примере одна ячейка заряжена на 100%, и процедура зарядки завершена. Однако уровень заряда высоковольтной батареи только 92,5 %. Балансировка означает, что эта ячейка теперь разряжается через резистор и, таким образом, может продолжать заряжаться до тех пор, пока все элементы не разрядятся. достиг того же уровня заряда. Это позволяет высоковольтному аккумулятор для достижения максимальной емкости. Для этого BMS сравнивает напряжения групп ячеек. Если группы ячеек имеют высокое напряжение ячейки, ответственный блок управления аккумуляторными модулями получает информацию о балансировке.
Активная балансировка работает на всём протяжении работы аккумуляторной батареи, при этом происходит выравнивание напряжений. У секций с большим напряжением отнимается часть заряда и отдается секциям с меньшим напряжением. Батарею нет необходимости заряжать всегда до конца. Батарея отключится, когда уровень заряда будет 0% у всех элементов.
Ниже приведены параметры регулирования тяговой АКБ электромобиля Geometry C.
1. BMS диапазон температур
1) Рабочая температура: -40℃ до 85℃
2) Температура хранения: -40℃ до 85℃
2. Диапазон температур блока батарей
1) Рабочая температура зарядки: -20℃ до 55℃
2) Рабочая температура разрядки: -30℃ до 55℃
3) Температура хранения: -40℃ до 65℃
3. Диапазон рабочего напряжения
1) Нормальное рабочее напряжение: 9V до 16V
2) Напряжение при неисправности: ниже 6V или выше 18V
3) Рабочее напряжение CAN: 6V до 18V
4) Тестовое напряжение: 13.5V±0.2V
5) Номинальное напряжение: 12V
6) Диапазон допустимого отклонения напряжения: ±0.2V
4. Рабочий ток:
Пиковый ток: 10A (максимальный ток, когда реле действует).
Максимально непрерывный рабочий ток: ≤4A (основное положительное реле, основное отрицательное реле, реле зарядки DC, CSU, BMU).
Ток в состоянии покоя: ≤0.5mA