Innowacyjne podejście do BMS

Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion) to popularny sposób przechowywania energii w pojazdach elektrycznych i hybrydowych. Baterie te oferują najwyższą gęstość energii spośród wszystkich obecnie dostępnych technologii akumulatorowych, ale aby zmaksymalizować ich wydajność, niezbędny jest też system monitorowania pracy akumulatora (BMS). Najnowocześniejszy system BMS nie tylko pozwala na wydobycie największej ilości energii, zgromadzonej w akumulatorze, ale także pozwala zarządzać cyklami ładowania i rozładowania w bezpieczniejszy sposób, co skutkuje również dłuższą żywotnością. Analog Devices zapewnia pełną gamę układów BMS, skupiając się na ich dokładności i niezawodnej pracy.

Wprowadzenie

Jednostka magazynująca energię musi zapewniać dużą pojemność i zdolność do kontrolowanego uwalniania energii. Przechowywanie i uwalnianie energii, jeśli nie jest odpowiednio kontrolowane, może spowodować groźną awarię akumulatora a w konsekwencji nawet pożar. Baterie mogą też ulec awarii z kilku powodów, w większości związanych z ich niewłaściwym użytkowaniem. Awaria może powstać w wyniku oddziaływania mechanicznego, przeciążeń elektrycznych - w postaci głębokiego rozładowania, przeładowania, przetężenia - lub przeciążenia termicznego. Aby osiągnąć najwyższy poziom wydajności i bezpieczeństwa, niezbędne jest stosowanie system monitorowania akumulatora (BMS).

Główną funkcją BMS jest utrzymywanie każdego  pojedynczego ogniwa pakietu akumulatorów w jego bezpiecznym obszarze roboczym (safe operating area, SOA) poprzez monitorowanie następujących wielkości fizycznych: prądu ładowania i rozładowania zespołu ogniw, napięcia pojedynczego ogniwa i temperatury pakietu akumulatorów. Na podstawie tych wielkości można nie tylko bezpiecznie eksploatować akumulator, ale także obliczyć SOC (state of charge) i monitorować jego właściwy stan (state of health, SOH).

Kolejną ważną funkcją zapewnianą przez BMS jest równoważenie komórek. W stosie akumulatorów pojedyncze ogniwa mogą być ułożone równolegle i szeregowo w celu uzyskania wymaganej pojemności i napięcia roboczego (do 1 kV lub więcej). Producenci baterii starają się dostarczać stosy z identycznymi ogniwami, ale nie jest to de facto możliwe. Z kolei nawet niewielkie różnice prowadzą do różnych poziomów naładowania lub rozładowania, przy czym trzeba podkreślić, iż najsłabsze ogniwo w stosie wpływa na ogólną wydajność stosu w nieproporcjonalnym stopniu. Dokładne równoważenie ogniw jest istotną cechą systemu BMS, umożliwiającą bezpieczną pracę systemu baterii przy jego najwyższej pojemności.

Architektury BMS

Akumulator pojazdu elektrycznego składa się z kilku ułożonych szeregowo ogniw. Typowy stos - z 96 ogniwami połączonymi szeregowo - po naładowaniu napięciem 4.2V może wytworzyć łączne napięcie przekraczające 400V. Wyższe napięcia można osiągnąć, łącząc jeszcze więcej ogniw. Prąd ładowania i rozładowania jest taki sam dla wszystkich ogniw, ale napięcia muszą być monitorowane na każdym ogniwie. Aby pomieścić dużą liczbę ogniw wymaganych w układach samochodowych o dużej mocy, akumulatory są często łączone w moduły i rozmieszczane w różnych dostępnych przestrzeniach w pojeździe. Typowy moduł liczy od 10 do 24 ogniw i może być montowany w różnych konfiguracjach, aby pasować do ​​wielu platform różnych pojazdów. Modułowa konstrukcja może służyć jako podstawa dla bardzo dużych stosów akumulatorów, umożliwia ponadto rozmieszczenie akumulatorów na większych obszarach w celu bardziej efektywnego wykorzystania przestrzeni.

Analog Devices opracował rodzinę układów monitorujących akumulatory, zdolnych do pomiaru do 18 połączonych szeregowo ogniw (AD7284 może mierzyć 8 ogniw, LTC6811 12 ogniw a LTC6813 18 ogniw).

Rysunek 1 przedstawia typowy pakiet akumulatorów z 96 ogniwami, podzielony na 8 modułów po 12 ogniw każdy. W tym przypadku układ scalony monitora akumulatora to zdolny do pomiaru 12 ogniw LTC6811. Zakres pomiarowy ogniw wynosi od 0 V do 5 V, dzięki czemu układ scalony jest odpowiedni dla większości rodzajów baterii, opartych o różne materiały chemiczne. Wiele urządzeń może być połączonych szeregowo, co pozwala na jednoczesne monitorowanie ogniw w długich, wysokonapięciowych stosach akumulatorów. Urządzenie zawiera pasywne balansowanie dla każdej komórki. Dane są wymieniane przez barierę izolacyjną i kompilowane przez kontroler systemu, który odpowiada za obliczanie SOC, kontroluje równoważenie komórek, sprawdza SOH i utrzymuje cały system w granicach bezpieczeństwa.

Rysunek 1: Architektura 96-ogniwowego pakietu akumulatorów z 12-kanałowym układem pomiarowym LTC6811. © Analog Devices