В данной статье объясняется необходимость системы управления батареями в электромобиле, описывается типичная архитектура и исследуются основные компоненты, используемые для обнаружения, мониторинга и управления общим состоянием аккумуляторной батареи электромобиля.

Анатомия батареи электромобиля.
Основным источником питания электромобиля является аккумуляторный блок (рис. 1). Как правило, блок размещается под автомобилем, между передними и задними колесами, занимая пространство, обычно отведенное под трансмиссионный тоннель, выхлопную трубу и топливный бак в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Размещение блока как можно ниже значительно снижает центр тяжести, что является важным фактором, влияющим на управляемость автомобиля на дороге.

Рисунок 1: Аккумуляторная батарея электромобиля (источник: Nissan).

Для следующего поколения электромобилей консорциум производителей изучает разработку взаимозаменяемого аккумуляторного блока, который можно адаптировать к различным платформам транспортных средств и быстро снимать и заменять полностью заряженным блоком. Однако логистические и технические аспекты сопряжены с большими затратами, и прогресс замедлился.
Аккумуляторный блок электромобиля состоит из нескольких модулей, каждый из которых содержит несколько цилиндрических или пакетных литиевых батарей. Элементы расположены в комбинации последовательного и параллельного соединения для обеспечения выходной мощности 400 или 800 В. В настоящее время предпочтение отдается блокам на 800 В, главным образом потому, что они обеспечивают более быстрый цикл зарядки при заданном токе. Каждый элемент работает в диапазоне от 2,5 до 4,2 В (в зависимости от его химического состава), и поведение каждого элемента влияет на общую эффективность и производительность аккумуляторного блока. Поэтому необходимым условием является контроль и управление элементами с помощью системы управления батареями (BMS).

Ключевые критерии управления состоянием батареи:
Литий-ионные элементы известны своими превосходными разрядными характеристиками, позволяющими электромобилям разгоняться как высокопроизводительные спортивные автомобили. Однако эти впечатляющие разрядные возможности представляют собой значительный риск для безопасности в неподходящей ситуации. Высокое выходное напряжение аккумуляторной батареи также представляет опасность для водителя, пассажиров и всех, кто может попасть в аварию. Соблюдение соответствующего законодательства в области функциональной безопасности автомобилей имеет решающее значение и является еще одной задачей в списке требований к системе управления батареей. На рисунке 2 показаны ключевые параметры состояния батареи, которые отслеживает и контролирует система управления батареей.

Рисунок 2: Система управления батареей (BMS) контролирует состояние батарейного блока и управляет работой функций балансировки элементов и аварийной безопасности (источник: Уорикский университет, Центр передовых двигательных установок).

Основные показатели системы управления батареей (BMS) следующие:
- Расчетное состояние заряда (SOC): SOC показывает оставшуюся энергию в электромобиле в любой момент времени и обычно выражается в процентах от общей емкости. SOC является фундаментальным показателем, поскольку он сообщает водителю, сколько заряда осталось, и позволяет оценить потенциальный запас хода автомобиля. Несколько датчиков, подключенных к BMS, предоставляют необходимую информацию алгоритмам, работающим на микроконтроллере BMS, для оценки состояния заряда.
- Состояние работоспособности (SOH): SOH, также выражаемое в процентах, показывает общее состояние и емкость аккумуляторной батареи автомобиля по сравнению с ее первоначальной емкостью в новом состоянии. Это показатель способности аккумуляторной батареи накапливать и отдавать энергию с течением времени, учитывая старение элементов из-за многократных циклов зарядки и разрядки, а также химические изменения внутри элементов.
- Состояние работоспособности (SOF): SOF учитывает состояние работоспособности, но обеспечивает более реалистичное понимание способности батареи отдавать энергию в различных условиях эксплуатации. К факторам, влияющим на SOF (Software of Effect), относятся внутреннее сопротивление элементов, тепловые характеристики аккумуляторного блока и напряжение элементов. SOF помогает определить, как оптимизировать работу элементов и блока, а также необходимость технического обслуживания или замены блока.

Важным методом оптимизации работы батареи является балансировка ячеек. Из-за химического состава ячеек существуют небольшие различия в их производительности и старении, что создает дисбаланс выходного напряжения и емкости во время разряда. Балансировка ячеек основана на выравнивании заряда всех ячеек для оптимизации общей производительности и продления срока службы батареи. Контроль напряжения и тока системой управления батареей (BMS) направлен на достижение равномерного уровня заряда (SOC) и предотвращение перезаряда или недозаряда отдельных ячеек.
Другие функции BMS включают терморегулирование, защиту от перегрузки по току и дополнительные функции функциональной безопасности (например, в соответствии с ISO 26262) и функции обеспечения целостности безопасности (например, в соответствии с ASIL-D).
Еще одним важным аспектом батарейных блоков электромобилей является терморегулирование. Мониторинг температуры ячеек все чаще включает размещение датчиков в различных местах внутри ячейки, а не только на внешнем корпусе или в центральном месте внутри модуля ячейки. Локализованные горячие точки могут указывать на надвигающийся отказ ячейки, который может распространиться на окружающие ячейки, потенциально приводя к тепловому разгону и возгоранию. В условиях низких температур производительность батареи снижается, поэтому система управления батареей (BMS) должна активно регулировать заряд, чтобы предотвратить необратимое повреждение элементов. Для электромобилей, предназначенных для непрерывной работы в экстремальных условиях, могут потребоваться методы активного термического охлаждения и обогрева.
Если элемент не держит заряд или демонстрирует низкую производительность, BMS может изолировать его, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение или влияние на общую производительность модуля и аккумуляторной батареи.
Типичная архитектура системы управления батареей:
На рисунке 3 показана высокоуровневая архитектура BMS для распространенного электромобиля. Интегрированные аппаратные функции делятся на четыре категории: датчики, микросхемы управления элементами и микроконтроллеры, бортовые сети, а также безопасность и изоляция. Что касается программного обеспечения, алгоритмы управления батареей оценивают реальное состояние заряда.

Рисунок 3: Архитектура типичной системы управления батареей, используемой в электромобиле (источник: Mouser Electronics).
Датчики (управление напряжением и током): Точный метод управления напряжением варьируется, но наиболее эффективная система использует только одну цепь сигналов датчиков, в которой задействованы операционный усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Каждая ячейка и модуль питаются от отдельных проводов датчиков напряжения, а схема мультиплексора переключает входное значение ячейки на цепь сигналов. Аналогичный метод используется для определения тока, при котором считывается падение напряжения, измеренное на шунтирующем резисторе с очень малым сопротивлением внутри модуля батареи. Эта система, показанная на рисунке 3, выполняет необходимую задачу управления, не усложняя схему каждой ячейки и модуля.
Датчики (температуры): Для управления ячейками доступны простые терморезисторы с цифровыми выходными датчиками температуры. Терморезисторы являются экономичным вариантом и занимают очень мало места внутри модуля батареи. Как отмечалось ранее, исследования более сложных методов управления ячейками с использованием нескольких датчиков температуры и магнитного поля, размещенных внутри каждой ячейки, позволяют осуществлять более детальное управление ячейками.
Микросхемы управления ячейками и микроконтроллеры: Для электромобилей доступны высокоинтегрированные микросхемы управления ячейками, предлагающие экономичную и оптимизированную по производительности альтернативу микроконтроллерам общего назначения. Большинство из них обеспечивают все необходимые функции аналоговой сигнальной цепи для мониторинга напряжения, тока и температуры. Некоторые также оснащены контроллерами балансировки ячеек на MOSFET для активной балансировки ячеек во время зарядки и разрядки. Другие интегрированные функции включают сетевое подключение для интерфейсов Ethernet и CAN с другими системами автомобиля. Алгоритмы управления батареей обеспечивают более информированный и адаптивный подход к оптимизации производительности аккумуляторной батареи под нагрузкой и в целом в условиях ее состояния.
Изоляция и безопасность: Функции безопасности варьируются от функции «доставить меня домой», которая обеспечивает ограниченную емкость батареи для трансмиссии, до полной гальванической изоляции аккумуляторной батареи от всех функций электромобиля. Последняя использует одноразовые пиротехнические выключатели, которые используют небольшой взрывной заряд, называемый пиропатроном, для мгновенного прерывания высоковольтного выхода батареи. Пиропатрон размыкает цепь гораздо быстрее, чем типичное время пробоя обычного предохранителя.

Компонент отображения BMS:
Примером микросхемы управления и балансировки многоячеечной батареи является L9963E от STMicroelectronics. Сертифицированная по стандарту AEC-Q100 для автомобильной промышленности микросхема L9963E может контролировать напряжение и количество кулонов до 14 последовательно соединенных ячеек батареи без рассинхронизации между измерениями. На рисунке 4 показана основная функциональная архитектура L9963E, которая может управлять до семи терморезисторов NTC и взаимодействует с главным микроконтроллером BMS через SPI или оптически изолированный интерфейс.

Рисунок 4: Функциональная блок-схема микросхемы STMicro L9963E для мониторинга и балансировки многоэлементных автомобильных батарей (источник: ST).

До 31 устройства L9963E могут быть соединены звездообразно для мониторинга 434 ячеек, соединенных последовательно. 16-битный АЦП обеспечивает максимальную погрешность ±2 мВ во всем диапазоне измерений от 0,5 до 4,3 В. L9963E также обеспечивает пассивную функцию балансировки ячеек на 200 мА для разряда по внутреннему пути или более высокого тока через внешне подключенные MOSFET-транзисторы.
Другим примером микросхемы управления и балансировки автомобильных батарей (AEC-Q100, ISO26262 и ASIL-D) является TLE9012DQU от Infineon Technologies (рисунок 5).

Рисунок 5: Микросхема TLE9012DQU компании Infineon обеспечивает многоканальное управление и балансировку литий-ионных батарей (источник: Infineon Technologies).

Микросхема TLE9012DQU может контролировать напряжение 12 литий-ионных элементов, соединенных последовательно, и имеет независимый 16-битный сигма-дельта АЦП для каждого элемента. Устройство также интегрирует пять каналов измерения температуры для использования с внешними NTC-термисторами. Пассивная балансировка элементов достигает 200 мА на элемент. Для прототипирования доступна оценочная плата на основе TLE9012DQU.
Компоненты серии BQ769xc от Texas Instruments также являются микросхемами управления автомобильными батареями. Разработанная для использования с литий-ионными и литий-фосфатными элементами, серия BQ769x позволяет последовательно соединять до 16 элементов. BQ769x включает в себя полностью аналоговую переднюю панель с 14-битным АЦП. Системы управления батареями
(BMS): жизненно важны для оптимизации производительности батарей электромобилей.
Системы управления батареями электромобилей играют важную роль: они контролируют, управляют и оптимизируют батарейный блок автомобиля для достижения наилучшего баланса между выходной мощностью и запасом хода, а также выполняют важную функцию безопасности. Для получения более подробной информации о методах управления батареями читателям может быть полезен данныйтехнический документ Synopsys.