Hệ thống quản lý pin
Hệ thống quản lý pin (BMS) là một thiết bị được sử dụng để quản lý hiệu quả các bộ pin. Đối với xe điện, phần cứng và phần mềm BMS được thiết kế tốt có thể tăng phạm vi lái xe một cách hiệu quả, kéo dài tuổi thọ của bộ pin, giảm chi phí vận hành cũng như đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy của bộ pin điện. Hệ thống quản lý nguồn điện ắc quy đã trở thành một thành phần cốt lõi không thể thiếu của xe điện. Chương này sẽ tập trung giới thiệu thành phần, chức năng và nguyên lý làm việc của hệ thống quản lý pin điện.
Kiến trúc hệ thống
Phần cứng của hệ thống quản lý pin (BMS) điển hình chủ yếu bao gồm Bộ quản lý pin (BMU), Bộ quản lý tế bào (CMU), cảm biến, bộ dây, v.v. Trong thiết kế hệ thống pin điện quy mô lớn{1}}, việc lựa chọn kiến trúc BMS là rất quan trọng, xác định trực tiếp phương thức kết nối giữa các bộ phận phần cứng và phương pháp lập trình phần mềm, đồng thời ảnh hưởng đến chi phí hệ thống, độ tin cậy, tính dễ cài đặt và bảo trì cũng như độ chính xác của phép đo. Dựa trên cấu trúc liên kết giữa các bộ điều khiển trong BMS, BMS có thể được phân loại thành hai loại: tích hợp và phân tán.
1. BM tích hợp
2. BMS phân tán
Không giống như các cấu trúc liên kết tích hợp, kiến trúc phân tán chia chức năng BMS thành BMU bo mạch chính và nhiều CMU phụ. Cấu trúc mô-đun giúp đơn giản hóa việc lắp ráp mô-đun, tối ưu hóa bố cục khai thác lấy mẫu và giảm bớt sự không nhất quán về sụt áp với khoảng cách đồng đều. Nhược điểm bao gồm chi phí cao hơn và thiết kế điều khiển và truyền thông phức tạp hơn. Dựa trên sự đa dạng của các phương thức kết nối BMS phân tán, chúng có thể được chia thành ba loại: kết nối hình sao (xem Hình 8-2), kết nối bus và kết nối chuỗi vòng.
(1) Kết nối hình saoTrong kết nối hình sao, BMU bo mạch chính được đặt ở vị trí trung tâm và mỗi mô-đun CMU được kết nối trực tiếp với bo mạch chính BMS thông qua dây nịt. Kết nối hình sao tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển điểm-tới{2}}điểm và việc một nút CMU bị lỗi không ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống. Tuy nhiên, khi số lượng mô-đun tăng lên, độ phức tạp của đường truyền thông trong kết nối hình sao tăng theo cấp số nhân, khiến việc bảo trì trở nên khó khăn và hạn chế khả năng mở rộng. Do những hạn chế của cổng bo mạch chính BMS, các mô-đun CMU không thể được thêm tùy ý, khiến nó tương đối hiếm trong các ứng dụng có quy mô lớn.
(2) Kết nối xe buýtKiến trúc hệ thống dựa trên bus{0}}tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế mô-đun, như minh hoạ trong Hình 8-3. BMS thường được chia thành nhiều đơn vị điều khiển: BMU, CMU và Hộp nối pin (BJB). BMU, CMU và BJB được kết nối qua CAN hoặc các mạng bus khác. BMU thực hiện các chức năng thuật toán cốt lõi để quản lý pin; CMU thực hiện thu thập, cân bằng và đo nhiệt độ tế bào; BJB thực hiện thu thập điện áp cao, dòng điện và nhiệt độ, điều khiển và chẩn đoán công tắc tơ cũng như phát hiện cách điện cho bộ pin; cách ly giúp cách ly điện, ngăn dòng chảy ngược làm cháy bảng mạch và hạn chế biên độ nhiễu.
Kiến trúc{0}}dựa trên bus cung cấp các kết nối giao tiếp linh hoạt hơn và khả năng mở rộng mạnh mẽ, đơn giản hóa đáng kể thiết kế kiến trúc phần cứng, đạt được tính mô-đun cũng như cải thiện khả năng ứng dụng và tính di động của hệ thống. Nhược điểm chính của nó là chi phí tương đối cao.
Chuỗi-Daisy là một phương thức kết nối tương đối mới xuất hiện trong những năm gần đây. Giao diện có thể chuyển đổi tín hiệu SPI song công hoàn toàn-với tốc độ lên tới 1Mb/giây thành tín hiệu vi sai và truyền chúng qua cáp-xoắn đôi và một máy biến áp đơn giản,{5}}chi phí thấp. Ví dụ: các thiết bị AFE của Công nghệ tuyến tính (LTC6811) có thể được kết nối với nhau để tạo thành BMS. Một máy biến áp nhỏ,{9}}chi phí thấp sẽ thay thế bộ cách ly dữ liệu. Về phía bộ vi xử lý điều khiển chính, một IC bộ chuyển đổi nhỏ (LTC6820) cung cấp giao diện bộ điều khiển chính. Mặc dù việc kết nối mạng chuỗi{13}một hướng rất đơn giản nhưng sự cố của bất kỳ nút nào cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động giao tiếp của toàn bộ hệ thống. Do đó, chuỗi vòng hoa cúc{15}}cải tiến như trong Hình 8{18}}4 đã được phát triển và ứng dụng trong các sản phẩm BMS của các nhà sản xuất xe sử dụng năng lượng mới lớn như Tesla. So với kết nối bus CAN, chuỗi xích{19}}có chi phí thấp hơn và kích thước nhỏ hơn nhưng có khả năng mở rộng kém, số lượng nút tối đa hạn chế và khó xử lý các vấn đề quản lý pin trong các tình huống phức tạp hơn, chẳng hạn như hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Chức năng cơ bản
Nói chung, các chức năng cơ bản của Hệ thống quản lý pin (BMS) bao gồm: thu thập dữ liệu, ước tính trạng thái pin, quản lý năng lượng, quản lý an toàn, quản lý nhiệt, kiểm soát cân bằng, chức năng giao tiếp và giao diện con người{0}}máy. Hình 8-5 thể hiện sơ đồ khối chức năng của hệ thống quản lý pin.
Thu thập dữ liệu là nền tảng của tất cả các thuật toán và điều khiển trong Hệ thống quản lý pin (BMS). Do đó, tốc độ lấy mẫu, độ chính xác và đặc tính{1}lọc trước là những chỉ báo quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống pin. Tốc độ thu thập dữ liệu được xác định bởi kịch bản và chức năng. Ví dụ: với nguồn điện dự phòng, tốc độ thu thập dữ liệu có thể thấp ở mức một khung hình trên 10 giây hoặc thậm chí mỗi phút; trong khi đối với các vật thể có dòng điện thay đổi nhanh chóng (chẳng hạn như xe cộ), dữ liệu phải được thu thập ít nhất 1 giây một lần, với một số dữ liệu-liên quan đến an toàn yêu cầu tần số lấy mẫu thấp tới 100 mili giây hoặc 10 mili giây.
2. Ước tính trạng thái pin
Ước tính trạng thái pin chủ yếu bao gồm hai khía cạnh:Trạng thái tính phí (SOC)VàTình trạng sức khỏe (SOH). SOC đặc trưng cho mức sạc hiện tại còn lại của bộ pin và là cơ sở để ước tính phạm vi lái xe của xe điện. SOH là thông số dùng để biểu thị tuổi thọ còn lại của pin và các tình trạng sức khỏe khác.
Quản lý năng lượng đảm bảo rằng-năng lượng đầu vào và đầu ra theo thời gian thực của pin không vượt quá khả năng mang theo của pin và hệ thống. Trên thực tế, khả năng sạc/xả của pin bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, SOC và SOH cùng nhiều yếu tố khác. Đồng thời, ở cấp độ hệ thống, phải tránh các rủi ro như quá nhiệt và chập mạch. Do đó, quản lý năng lượng là một quy trình kiểm soát toàn cầu chủ yếu sử dụng dòng điện, điện áp, nhiệt độ, SOC và SOH làm đầu vào.
Theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin để đảm bảo chúng không vượt quá phạm vi bình thường. BMS (Hệ thống quản lý pin) hiện đại không chỉ giám sát toàn bộ bộ pin mà còn cung cấp khả năng kiểm soát tinh tế đối với các điều kiện khắc nghiệt của từng pin như sạc quá mức,-xả quá mức và quá-nhiệt độ.
Làm mát pin khi nhiệt độ hoạt động quá cao và làm nóng pin khi pin giảm xuống dưới giới hạn dưới của nhiệt độ hoạt động phù hợp để giữ pin trong phạm vi hoạt động tối ưu và duy trì cân bằng nhiệt độ giữa từng tế bào trong quá trình hoạt động. Việc quản lý nhiệt đặc biệt cần thiết đối với pin được sử dụng trong điều kiện-xả điện năng cao và-nhiệt độ cao.
6. Kiểm soát cân bằng
Sự không nhất quán về hiệu suất của pin có thể dẫn đến giảm hiệu suất tổng thể của bộ pin và thậm chí là các rủi ro về an toàn. Các mạch cân bằng được lắp đặt giữa các ô riêng lẻ trong bộ pin để đảm bảo điều kiện sạc và xả của từng ô riêng lẻ nhất quán nhất có thể, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của bộ pin.
Chức năng quan trọng của hệ thống quản lý pin (BMS) là cho phép liên lạc các thông số và thông tin về pin với các thiết bị trên hoặc ngoài xe, cung cấp dữ liệu để kiểm soát sạc/xả và điều khiển phương tiện. Tùy thuộc vào ứng dụng, trao đổi dữ liệu có thể sử dụng các giao diện truyền thông khác nhau, chẳng hạn như tín hiệu analog, tín hiệu PLC, bus CAN hoặc giao diện nối tiếp I2C.
8. Giao diện người{1}}máy (HMI)
HMI là giao diện trung gian cho sự tương tác giữa con người với máy-. Nó sử dụng các thiết bị đầu vào và đầu ra thích hợp để cho phép đối thoại và tương tác một cách hiệu quả giữa con người và máy móc mà họ vận hành. Trong BMS, HMI bao gồm thông tin hiển thị, các nút và núm điều khiển, được cấu hình theo yêu cầu thiết kế.
