Abstrak
Artikel ini berfokus pada aspek perangkat keras sistem manajemen baterai (BMS) pada kendaraan listrik dan aplikasi tetap. Tujuannya adalah untuk menguraikan konsep-konsep dalam sistem canggih yang ada, memungkinkan pembaca memahami faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan ketika merancang BMS untuk aplikasi tertentu. Setelah analisis singkat mengenai persyaratan umum, beberapa kemungkinan struktur topologi paket baterai dan dampaknya terhadap kompleksitas BMS dipelajari. Mengambil empat paket baterai yang dipilih dari kendaraan listrik yang tersedia secara komersial sebagai contoh penjelasan. Selanjutnya, aspek implementasi pengukuran variabel fisik yang diperlukan (tegangan, arus, suhu, dll.), serta masalah dan strategi penyeimbangan, dibahas. Terakhir, pertimbangan keselamatan dan aspek keandalan dibahas.
1. Pendahuluan
Kompleksitas sistem manajemen baterai (BMS) bergantung pada aplikasinya. Sebuah baterai, sesederhana ponsel atau pembaca e-book, dapat diukur dengan IC "pengukur baterai" sederhana, yang dapat mengukur tegangan, suhu, dan arus serta memperkirakan status pengisian daya (SOC). Sekompleks kendaraan listrik, BMS perlu menyelesaikan tugas yang lebih kompleks. Selain mengukur parameter dasar seperti tegangan baterai, suhu, dan arus, algoritma canggih juga diperlukan untuk menentukan energi yang tersedia untuk menghitung jarak jelajah.
Pekerjaan ini berfokus pada aspek perangkat keras sistem manajemen baterai lithium-ion. Bagian 2 memperkenalkan persyaratan perangkat keras untuk BMS, termasuk nilai pengukuran, interferensi elektromagnetik, isolasi listrik, kontaktor, dan redundansi. Bagian 3 memberikan ikhtisar topologi BMS, menjelaskan perbedaan antara aplikasi sederhana dan kompleks, dan memberikan contoh paket baterai kendaraan listrik. Bagian 4 menjelaskan cara memenuhi persyaratan pengukuran nilai fisik dan kendala umum. Bagian 5 membahas keseimbangan, memperkenalkan dan membandingkan metode penyeimbangan biaya. Bagian 6 berfokus pada keselamatan dan keandalan, termasuk risiko dan tindakan pencegahan pengoperasian paket baterai bertegangan tinggi, dan secara singkat memperkenalkan metode pengukuran isolasi dan standar terkait.
2. Persyaratan desain untuk Sistem Manajemen Baterai (BMS)
Merancang BMS adalah tugas kompleks yang memerlukan pertimbangan persyaratan aplikasi spesifik, lingkungan sistem, dan karakteristik baterai yang digunakan, yang darinya serangkaian persyaratan sistem dapat diturunkan. Secara umum, komponen PASI dan persyaratan fungsional berikut ini biasanya relevan:
Pengumpulan suhu
Pemilihan dan penempatan sensor:Pengumpulan suhu yang akurat sulit dilakukan saat merancang BMS, dan jenis sensor (digital atau analog) serta lokasi untuk mengukur suhu baterai perlu dipertimbangkan, yang menentukan jumlah sensor suhu baterai. Terkadang perlu untuk mengumpulkan suhu kontaktor, sekering, atau busbar. Biasanya, terdapat proporsi saluran tertentu antara sensor suhu dan sensor tegangan.
Persyaratan suhu untuk berbagai skenario aplikasi:Persyaratan suhu perlu mempertimbangkan tiga situasi: pengisian, pengosongan, dan penyimpanan, sekaligus memperhatikan konstanta waktu termal. Baterai litium ion tidak dapat berfungsi dengan baik di luar kisaran suhu tertentu, dan pelapisan litium dapat terjadi pada laju arus tinggi dalam kisaran suhu normal. Oleh karena itu, perlu untuk mengumpulkan suhu, tegangan, dan arus secara akurat. Kapasitansi termal dan konduktivitas termal baterai dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti struktur baterai, dan penempatan sensor suhu yang tidak tepat dapat menyebabkan kesalahan pembacaan dan titik buta termal.
Akuisisi tegangan
Saluran akuisisi dan akurasi:BMS klasik berdasarkan baterai lithium-ion memerlukan setidaknya satu saluran akuisisi tegangan untuk setiap baterai yang terhubung seri, dan beberapa aplikasi otomotif juga memiliki perlindungan sekunder (dicapai melalui pembanding jendela yang dapat diprogram). Tingkat konversi data akuisisi tegangan bervariasi tergantung pada aplikasinya, dan chip front-end BMS yang umum digunakan memiliki akurasi dan resolusi tegangan tertentu.
Dampak terhadap estimasi SOC:Mengambil contoh baterai NMC dan LFP, terlihat bahwa akurasi perolehan tegangan memiliki dampak signifikan terhadap estimasi SOC. Semakin tinggi akurasinya, semakin akurat estimasi SOC-nya, dan hanya menggunakan data voltase untuk menentukan SOC mungkin tidak cukup.
Gambar 1. Perbandingan ketidakpastian SOC bergantung pada akurasi tegangan ± 1 mV.
Koleksi saat ini
Metode pengumpulan dan karakteristik sensor:SOC dapat ditentukan tidak hanya dengan mengukur tegangan rangkaian terbuka (OCV), tetapi juga dengan menggunakan metode penghitungan Coulomb (mengukur arus dan mengintegrasikan). Namun, sensor arus memiliki karakteristik yang tidak ideal seperti penyimpangan, offset, dan kesalahan suhu, dan mungkin perlu memenuhi persyaratan rentang pengukuran yang berbeda secara bersamaan dan memiliki bandwidth tertentu.
Dalam aplikasi praktis, hanya mengandalkan penghitungan Coulomb untuk menentukan SOC tidaklah akurat, terutama dalam kondisi arus rendah. Untuk mengatasi masalah ini, dimungkinkan untuk menggabungkan algoritme dan model berparameter untuk memproses data saat ini, namun hal ini berada di luar cakupan artikel ini.
Persyaratan komunikasi
Komunikasi dalam sistem:BMS perlu berkomunikasi dengan seluruh sistem (seperti elektronika daya, manajemen energi, atau unit kendali kendaraan), dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti mode komunikasi, kecepatan, ketahanan, dan keandalan. Misalnya, antarmuka CAN mungkin perlu disediakan dalam kendaraan untuk komunikasi sistem, dan aplikasi yang berbeda mungkin telah menentukan persyaratan komunikasi pada tingkat sistem, yang perlu diadaptasi oleh BMS.
Komunikasi antar modul:Untuk sistem modular, perlu ditentukan metode komunikasi antara modul master dan slave, yang serupa dengan persyaratan dasar untuk komunikasi antar sistem. Contoh spesifik dapat ditemukan di bab-bab selanjutnya.
Perlindungan interferensi elektromagnetik (EMI).
Dampak EMI pada sensor:EMI dapat mempengaruhi pengumpulan data sensor, dan semua sensor rentan terhadap pengaruhnya, yang dapat mengakibatkan sedikit distorsi atau data tidak berguna sama sekali.
Langkah-langkah untuk mengurangi dampak EMI:Untuk meminimalkan dampak, motor, komponen elektronika daya, dan beban lainnya harus memiliki desain EMI yang baik, dan perangkat penyaringan EMI yang sesuai seperti mode tersedak umum dan kapasitor pemblokiran dapat digunakan, dan dipasang di dekat jalur pengukuran sensor.
Persyaratan terkait kontaktor
Fungsi dan persyaratan kontaktor:Kebanyakan paket baterai memerlukan kemampuan untuk melepaskan setidaknya satu elektroda secara elektrik, sehingga memerlukan kontaktor yang sesuai. Karena sifat khusus dari gangguan arus DC dan pemadaman busur, kontaktor perlu memiliki alat pemadam busur magnet dan harus menghindari pengelasan kontak.
Langkah-langkah operasi keselamatan:Untuk menjamin keselamatan, diperlukan rangkaian khusus (seperti unit pra-pengisian yang terdiri dari kontaktor dan resistor yang dihubungkan seri) selama pengoperasian sakelar kontaktor untuk memastikan tidak ada perbedaan potensial antara kedua ujungnya dan menghindari situasi berbahaya.
Persyaratan redundansi
Peran redundansi dalam keandalan sistem:Menurut standar ISO 26262, redundansi dapat meningkatkan keandalan sistem. Tegangan baterai biasanya diamati secara berlebihan sampai batas tertentu, dengan dua metode: pengukuran presisi oleh chip utama dan informasi biner yang disediakan oleh chip tambahan.
Konsep redundansi tingkat yang lebih tinggi:Konsep redundansi juga ada dalam pemrosesan tingkat tinggi, seperti penguncian, koreksi kesalahan memori, dan mekanisme pengujian mandiri di CPU khusus.
Persyaratan isolasi listrik
Isolasi paket baterai:Paket baterai biasanya dibagi menjadi bagian bertegangan tinggi dan bertegangan rendah, yang memerlukan isolasi listrik dan dapat dicapai melalui metode optik, induktif, atau kapasitif.
Isolasi sensor termal:Semua sensor termal juga perlu diisolasi secara elektrik untuk menghindari gangguan tegangan tinggi yang mempengaruhi bagian bertegangan rendah, serupa dengan konsep tata letak jaringan TI distribusi daya.
Persyaratan keseimbangan
Dampak ketidakseimbangan muatan:Mungkin ada ketidakseimbangan muatan antara baterai yang terhubung secara seri, yang dapat mempengaruhi kinerja dan keandalan sistem, dan biasanya baterai harus dijaga pada tingkat yang rendah.
Pertimbangan aplikasi khusus:Aplikasi yang berbeda mungkin memiliki pertimbangan khusus, seperti batasan berat atau kebutuhan arus pengisian, yang dapat menghasilkan arus penyeimbang. Bagian 5 selanjutnya akan memperkenalkan perlunya dan metode penerapan penyeimbangan.
Persyaratan lainnya
Persyaratan terkait aplikasi:Aplikasi ini mungkin juga memiliki beberapa persyaratan lain, seperti ruang, biaya, kekuatan mekanik perangkat keras, berat, dan konsumsi daya, yang bukan merupakan fokus artikel ini tetapi perlu dipertimbangkan.
3. Struktur topologi BMS
Ikhtisar struktur sistem baterai:Untuk memenuhi spesifikasi kelistrikan sistem, baterai sering kali perlu digabungkan menjadi paket baterai dengan beberapa topologi koneksi. Koneksi seri dapat mencapai rentang tegangan tertentu dan mengurangi arus; Koneksi paralel dapat meningkatkan kapasitas. Ada varian berbeda dalam aplikasi praktisnya, seperti sambungan paralel baterai berkapasitas kecil ke dalam modul dan sambungan seri, atau penggunaan langsung baterai berkapasitas besar dalam sambungan seri. Topologi yang berbeda mempunyai dampak berbeda terhadap kompleksitas BMS, seperti peningkatan biaya pemantauan dan penyeimbangan ketika beberapa baterai seri dihubungkan secara paralel.
Gambar 2. Diagram skema berbagai topologi paket baterai: (a) sel tunggal; (b) Sambungan paralel dua baterai; (c) Sambungan seri tiga baterai; (d) Sambungan paralel baterai dua seri dan tiga seri; (e) Sambungan seri tiga modul yang terdiri dari dua baterai paralel.
Tabel 1. Karakteristik varian topologi ditunjukkan pada Gambar 2.
Berikan contoh untuk mengilustrasikan metode sambungan baterai dan persyaratan saluran pengukuran tegangan: misalnya, kombinasi baterai yang terhubung seri m dan n baterai yang terhubung paralel memerlukan jumlah saluran pengukuran tegangan yang berbeda untuk metode koneksi yang berbeda.
Pembahasan kasus khusus:Dalam beberapa aplikasi khusus (seperti wahana Mars milik Badan Antariksa Eropa dan wahana Rosetta), pemantauan dan penyeimbangan sel tunggal mungkin tidak dilakukan karena faktor-faktor seperti ukuran, berat, dan konsumsi daya. Meskipun beberapa pendapat menyatakan bahwa memilih baterai secara hati-hati dari kelompok yang sama dapat menghilangkan pemantauan, penelitian menunjukkan bahwa bahkan baterai dari kelompok yang sama mungkin memiliki perilaku penuaan yang berbeda, dan mengabaikan pemantauan dapat menimbulkan risiko. Namun, untuk sistem kecil dan voltase baterai dalam kisaran tertentu, dampak dari tidak adanya pemantauan mungkin relatif kecil.
Terkait Sirkuit Terpadu (IC).
IC dengan fungsi pemantauan dasar:Untuk mencapai fungsi pemantauan dasar pengoperasian baterai yang aman, produsen semikonduktor menyediakan berbagai sirkuit terintegrasi khusus aplikasi (ASIC). Untuk perangkat elektronik kecil dengan sel tunggal, terdapat IC "pengukur bahan bakar" yang dapat memantau tegangan, arus, dan suhu, memperkirakan SOC, dan mungkin juga mencakup fungsi seperti pengatur pengisian daya. Misalnya, "bq27220" TI dan IC terkait Maxim.
IC untuk sistem daya dan kebutuhan energi tinggi
Modularisasi dan Alokasi Fungsi:Untuk aplikasi dengan kebutuhan daya dan/atau energi tinggi, paket baterai terdiri dari beberapa baterai, dan IC yang relevan dapat memantau beberapa baterai secara bersamaan dan menyediakan fungsionalitas penyeimbangan. Terdapat modul pusat (BMS Master) dalam sistem yang bertanggung jawab atas fungsi kompleks seperti estimasi SOC dan algoritma prediksi daya; Modul IC front-end (BMS Slave) bertanggung jawab atas fungsi dasar seperti perolehan dan pemfilteran sinyal.
Gambar 3. Struktur BMS khas untuk aplikasi kendaraan listrik.
Berbagai contoh IC dan metode penyeimbangan:Misalnya, bq76PL536A, MAX11068, dan LT6802G-2 TI menyediakan penyeimbangan pasif, sedangkan AS8506C AMS dapat digunakan untuk topologi penyeimbangan pasif dan juga menyediakan kemampuan penyeimbangan aktif. Beberapa IC memiliki produk penerus, dan untuk meningkatkan keandalan pemantauan tegangan, IC proteksi sekunder dapat digunakan. Meskipun BMS yang sepenuhnya berlebihan dapat meningkatkan keandalan, namun biayanya tinggi.
Komunikasi dan transmisi data
Metode koneksi IC ujung depan:IC ujung depan biasanya dapat dihubungkan melalui rantai daisy, dan IC yang berbeda memiliki metode antarmuka yang berbeda. MAX11068 terhubung melalui port I2C, bq76PL536A TI menyediakan banyak antarmuka, dan LT6802G-2 terhubung melalui bus SPI (memerlukan isolator digital tambahan).
Metode komunikasi sistem:Dalam sistem, mikrokontroler berbiaya rendah biasanya digunakan untuk menghubungkan IC pada PCB yang sama, dan modul pada PCB lain serta modul utama BMS dihubungkan melalui fieldbus (seperti CAN).
Kasus sebenarnya
Mitsubishi i-MiEV:Baterai terdiri dari beberapa modul yang dihubungkan dengan sekrup, dengan 88 baterai prismatik. PCB pada modul berisi IC pemantauan dan sensor suhu, dan wadah baterai berisi banyak komponen. Modul utama BMS terletak di bawah kursi belakang kendaraan dan berkomunikasi melalui bus CAN internal. Dibandingkan baterai lain, ruang internalnya lebih lega, yang mungkin merupakan efek samping dari pendinginan udara.
Gambar 4. (a) Paket baterai Mitsubishi i-MiEV; (b) Paket baterai Volkswagen e-Up; (c) Paket baterai penggerak listrik Smart fortwo. Catatan: Metode penskalaannya berbeda.
Gambar 5. (a) Tampak atas modul baterai Tesla Model S; (b) Modul baterai Volkswagen e-Up, modul 6s2p, tampak atas.
Edisi Listrik Smart Fortwo:Baterai terdiri dari 90 baterai kantong yang terhubung seri, dengan sistem pendingin, dan tugas pemantauan dasar diselesaikan oleh IC TI, mirip dengan bq76PL536A. Setiap PCB berisi beberapa IC pemantauan dan mikrokontroler, dan modul utama BMS terletak di dalam wadah baterai, dengan integrasi tinggi dan sedikit kabel.
Volkswagen e-Up:Baterai berisi beberapa modul seri, tidak ada sistem pendingin atau perangkat pemutus layanan, modul BMS terpusat, terhubung ke baterai dan IC pengukuran (MAX11068) melalui sejumlah besar jalur pengukuran tegangan, dengan sejumlah besar resistor seimbang dan mikrokontroler tanpa konversi sinyal.
Tesla Model S% 3aBaterai terdiri dari sejumlah besar 18650 baterai, dibagi menjadi beberapa modul, dihubungkan melalui kabel ikatan. BMS dipantau menggunakan TI bq76PL536A-Q1 dan tegangan diukur melalui kabel las. Dibandingkan dengan baterai lain, tingkat integrasinya berbeda, seperti tingkat integrasi rendah pada Volkswagen e-Up dan tingkat integrasi tinggi pada Smart Fortwo.
4. Ikhtisar teknologi pengukuran sistem baterai HV
Pentingnya teknologi pengukuran:Teknologi pengukuran adalah komponen kunci dari sistem manajemen baterai, yang dapat menentukan variabel keadaan seperti SOC, SOH, SOF, dll. Biasanya mengukur variabel seperti tegangan baterai, tegangan total, arus total, dan suhu sistem baterai. Variabel keadaan ini dapat melindungi sistem baterai dari kerusakan seperti pengisian daya berlebih atau pengosongan daya berlebih, serta mengoptimalkan pemanfaatan sistem baterai.
Persyaratan sensor:Tentukan persyaratan umum untuk sensor berdasarkan aplikasi penyimpanan baterai, termasuk biaya, bandwidth, akurasi, rentang pengukuran, dan ukuran, sebagaimana dijelaskan secara rinci di Bagian 2.
Pengukuran saat ini
Klasifikasi metode pengukuran:Peralatan pengumpulan saat ini dibagi menjadi dua teknologi sensor dasar: sambungan listrik dan isolasi. Penginderaan arus resistor shunt yang umum digunakan termasuk dalam jenis sambungan listrik, dan sensor Hall adalah contoh jenis isolasi.
Selain teknologi sensor, posisi di dalam baterai juga perlu diperhatikan. Untuk sistem baterai yang berisi beberapa string yang dapat dialihkan, setiap string harus dilengkapi dengan perangkat pemantauan arus untuk melacak ketidakseimbangan daya.
Pengukuran resistensi shunt
Prinsip dan karakteristik pengukuran:Dengan menggabungkan sistem pengukuran resistansi rendah, resistansi presisi tinggi, dan tegangan presisi tinggi, arus diukur. Resistansi terletak pada jalur arus, dan kehilangan daya serta kenaikan suhu terjadi ketika arus melewatinya. Saat memilih resistor, penting untuk menyeimbangkan kerugian dan kebutuhan untuk menghasilkan penurunan tegangan yang sesuai. Saat mengukur dengan presisi tinggi, koefisien suhu dan stabilitas jangka panjang resistor juga harus dipertimbangkan.
Metode ini dapat digunakan untuk mengukur arus DC dan AC, serta memiliki kelebihan yaitu kesederhanaan, linearitas, dan bandwidth yang tinggi. Namun, rentang pengukuran dibatasi oleh keakuratan pengukuran tegangan.
Perbandingan pengukuran sisi rendah dan sisi tinggi
Pengukuran sisi rendah mengacu pada resistor yang terletak di antara terminal positif baterai dan beban. Keuntungannya adalah tegangan input mode umum rendah, dan sejumlah besar penguat indra arus dapat digunakan. Rangkaian ini sederhana dan hemat biaya, namun akan mengganggu jalur ground dan tidak dapat mendeteksi bypass arus beban tinggi.
Pengukuran sisi tinggi mengacu pada resistor yang terletak di antara beban dan kutub negatif atau ground baterai. Keuntungannya adalah dapat menghindari gangguan jalur tanah dan mendeteksi korsleting, namun memerlukan konversi level keluaran penguat dan memerlukan penguat untuk menahan tegangan mode umum yang tinggi.
Hubungi lebih sedikit sensor arus (sensor Hall, dll.)
Prinsip dan keunggulan pengukuran:Menggunakan medan magnet yang dihasilkan oleh arus untuk pengukuran, seperti sensor Hall berdasarkan efek Hall, tanpa meningkatkan resistansi jalur arus, tanpa kerugian konduktif tambahan, dengan keunggulan isolasi listrik, dan tanpa memerlukan optocoupler tambahan atau isolator digital untuk pengkondisian sinyal.
Sensor hall dapat dibeli sebagai sirkuit terpadu, ditempatkan pada jalur arus, dan keluarannya perlu disaring. Ada juga modul lengkap yang tersedia untuk digunakan, yang terdiri dari cincin ferit yang berisi sensor Hall dan dapat memberikan isolasi listrik.
Karakteristik dan batasan sensor:Kerugian utama adalah bandwidth yang terbatas, biasanya tidak melebihi puluhan kHz, dan penyimpangan suhu pada sinyal keluaran yang perlu dikompensasi. Jika sistem baterai memerlukan bandwidth yang lebih tinggi, pengukuran resistansi shunt harus digunakan, dan sensor Hall mahal dan besar.
Pengukuran tegangan
Diferensiasi pengukuran tegangan baterai:Dalam kemasan baterai lithium-ion, perlu dibedakan antara pengukuran tegangan masing-masing baterai dan tegangan total kemasan baterai. Kisaran tegangan keduanya berbeda, dan jumlah semua tegangan baterai harus sama dengan tegangan total, yang dapat digunakan sebagai kriteria penilaian rasionalitas.
Pengukuran tegangan baterai:biasanya dilengkapi dengan chip front-end BMS terintegrasi. Jumlah baterai yang dapat dihubungkan ke chip di pasaran bervariasi, dan redundansi serta keandalan sistem juga dapat ditingkatkan melalui IC pengawasan sekunder.
Pengukuran tegangan baterai:dilengkapi dengan unit pengukuran terpisah, termasuk pembagi tegangan, konverter impedansi, filter, dan konverter analog-ke-digital (ADC). Pembagi tegangan digunakan untuk mengurangi tegangan baterai ke kisaran yang sesuai, yang mungkin memerlukan beberapa resistor untuk memastikan keamanan, serta dioda Zener untuk melindungi rangkaian berikutnya. Pada saat yang sama, konverter impedansi, filter, dan ADC digunakan untuk memperoleh tegangan terukur.
Pengukuran suhu
Jenis dan prinsip umum sensor suhu:Sensor suhu yang umum mencakup jenis koefisien suhu negatif (NTC) dan koefisien suhu positif (PTC), yang mengukur suhu dengan mengukur penurunan tegangan pada arus konstan. Resistansinya bervariasi menurut suhu dan dapat digunakan dalam kisaran suhu tertentu, namun terdapat masalah nonlinier.
Permasalahan dan solusi dalam penggunaan sensor :Karena nonlinier, tabel pencarian diperlukan dalam rantai pemrosesan digital untuk mengkalibrasi penghitungan suhu. Ada juga beberapa sensor yang menggunakan antarmuka digital yang lebih nyaman digunakan, namun masalah EMI harus diperhatikan saat menempatkannya di dekat jalur daya tinggi dalam kemasan baterai. Metode pengukuran lain seperti PTC logam dan termokopel dapat memberikan akurasi yang lebih tinggi dan rentang suhu yang lebih luas, namun dengan kompleksitas elektronik yang lebih tinggi.
Transmisi data
Karakteristik dan skenario penerapan bus komunikasi yang berbeda:komunikasi diperlukan antara modul BMS dan antara BMS dan seluruh sistem. Bus CAN umumnya digunakan di lingkungan kendaraan, dengan fleksibilitas dan ketahanan terhadap kebisingan; Bus LIN relatif sederhana namun kecepatannya lambat, memiliki fleksibilitas yang buruk, dan non-diferensial, sehingga cocok untuk skenario dengan kebutuhan biaya tinggi; Antarmuka komunikasi jarak pendek lainnya seperti SPI, I2C, dan bus OneWire tidak cocok untuk komunikasi modul ke modul jarak jauh yang rawan interferensi; Jika kecepatan bus CAN tidak mencukupi atau diperlukan kemampuan deterministik waktu nyata, bus FlexRay atau Ethernet dapat digunakan.
5. Keseimbangan baterai
Alasan perbedaan SOC baterai:Pada baterai yang dihubungkan secara seri, perbedaan produksi dan kondisi pengoperasian serta lingkungan yang berbeda (seperti suhu) dapat menyebabkan ketidakrataan antar baterai. Faktor-faktor ini dapat menyebabkan perbedaan kondisi awal, penuaan, dan laju pelepasan sendiri, yang menyebabkan penyimpangan pada nilai SOC, kapasitas, dan resistansi. Bagian ini terutama berfokus pada perbedaan SOC dan kapasitas, dan tidak melibatkan perbedaan resistansi internal- Penelitian telah menunjukkan bahwa bahkan baterai dengan kapasitas dan beban awal yang sama akan mengalami perbedaan kapasitas setelah digunakan. Misalnya, 18650 baterai dengan kapasitas awal yang sama, dengan sisa kapasitas 80% sebagai standar akhir masa pakainya, memiliki masa pakai antara 1000-1500 kali. Pada saat yang sama, terdapat perbedaan dalam tingkat pengosongan otomatis baterai yang berbeda, seperti baterai soft pack komersial yang disimpan pada suhu 40 derajat C, di mana resistansi pengosongan otomatis bervariasi antara 10k Ω dan 14k Ω.
Gambar 6. (a) Alasan sel baterai tidak seimbang, angka berdasarkan [57]; (b) Klasifikasi metode kesetimbangan yang berbeda mengacu pada arah perpindahan energi seperti nama metode non disipatif yang ditunjukkan.
Perlunya keseimbangan:Perbedaan SOC, kapasitas, dan resistansi internal dapat menyebabkan penurunan energi yang tersedia pada baterai, yang dapat diatasi melalui rangkaian keseimbangan.
Ikhtisar Metode Saldo
Implementasi perangkat keras:Literatur menjelaskan berbagai metode implementasi perangkat keras untuk menyeimbangkan rangkaian, yang dapat diklasifikasikan ke dalam struktur topologi yang berbeda, metode kontrol (seperti aktif/pasif), atau ketersediaan komersial.
Metode penyeimbangan dalam aplikasi komersial:Kebanyakan paket baterai komersial menggunakan sistem penyeimbang pasif terkontrol, yang dicapai dengan resistor penyeimbang paralel di kedua ujung baterai. Metode ini hanya dapat menyelesaikan masalah variasi SOC, dengan arus keseimbangan yang kecil (sekitar 100 mA) dan tidak ada perubahan kapasitas baterai, yang mungkin dibatasi oleh disipasi energi BMS atau diameter kabel antara baterai dan rangkaian pemantauan. Setiap baterai atau kombinasi paralel baterai memiliki resistor penyeimbang yang dapat dialihkan dengan nilai resistansi antara 30 Ω -40 Ω (dengan asumsi tegangan baterai sebesar 4,2V), dan setiap baterai mengonsumsi daya antara 387 mW -430 mW.
Metode untuk memecahkan masalah kapasitas yang berbeda:Untuk mengatasi masalah kapasitas yang berbeda, diperlukan metode yang lebih kompleks untuk mendistribusikan kembali energi antar baterai menggunakan elektronika daya. Namun, metode ini memerlukan algoritma kontrol yang kompleks dan induktor yang mahal. Meskipun terdapat produk IC BMS terkait, produk tersebut belum banyak digunakan dalam kemasan baterai otomotif komersial.
6. Keamanan dand keandalan
Tujuan keseluruhan pengurangan risiko:Salah satu tujuan utama BMS adalah untuk mengurangi risiko yang terkait dengan pengoperasian baterai lithium-ion dalam kemasan baterai.
Gambar 7. Model rangkaian ekuivalen front-end akuisisi tegangan baterai, menunjukkan kemampuan deteksi gangguan saluran penginderaan.
Langkah-langkah keamanan khusus
Keamanan tegangan tinggi:Keamanan baterai bertegangan tinggi dipastikan melalui pemantauan isolasi dan sirkuit yang saling mengunci, yang dapat mengurangi risiko busur api yang disebabkan oleh polusi atau kondensasi. Pada saat yang sama, desain perangkat keras BMS harus mengikuti standar yang relevan untuk memastikan jarak rambat dan jarak listrik pada PCB dan konektor.
Isolasi listrik:Untuk memastikan isolasi listrik dari tegangan baterai tinggi pada antarmuka dengan unit kontrol lain atau sumber daya tambahan, peralatan isolasi yang memenuhi standar "isolasi yang ditingkatkan" dapat digunakan. Optocoupler tradisional digunakan, tetapi sekarang "isolator digital" memiliki kinerja IC yang lebih baik.
Tindakan pencegahan kebakaran:Tempatkan sensor suhu di dalam baterai dan tanggapi suhu kritis. Metode deteksi suhu tanpa sensor (seperti spektroskopi impedansi elektrokimia) dan metode pengukuran suhu baru juga dapat digunakan untuk mengurangi risiko kebakaran.
Kontaktor dan sekering:Gunakan kontaktor untuk melepaskan baterai dari sistem, sambil berkoordinasi dengan sekring. Pertimbangkan karakteristik operasional keduanya dan dampak kapasitansi parasit dan induktansi dalam baterai pada pemilihan sekering.
Keamanan internal baterai:BMS harus memastikan bahwa baterai diisi dalam kisaran suhu yang ditentukan, menghindari pelapisan lithium suhu rendah dan pengosongan yang dalam sebelum pengoperasian. Pada saat yang sama, algoritma diagnostik dapat digunakan untuk mendeteksi korsleting internal.
Gambar 8. Pengukuran isolasi: (a) Isolasi pada sambungan TI; (b) Diagram skema pengukuran insulasi.
Masalah terkait desain perangkat keras BMS
Deteksi kesalahan sensor:Dengan meningkatnya kompleksitas implementasi perangkat keras dan perangkat lunak BMS, kemungkinan kesalahan perangkat lunak dan kegagalan sensor meningkat. Misalnya, kesalahan kabel dalam pendeteksian tegangan baterai tidak mudah dideteksi melalui pengukuran tegangan saja, tetapi dapat dideteksi melalui sistem penyeimbang baterai atau rangkaian sumber arus.
Pemeriksaan validitas sensor:Kesalahan lain seperti cacat sensor dapat dideteksi melalui algoritma diagnostik, dan validitas sinyal sensor dapat diperiksa menggunakan perilaku kelistrikan baterai.
Pengukuran isolasi
Pentingnya dan struktur sistem pengukuran isolasi:Sistem kendaraan listrik atau sebagian listrik bertegangan tinggi biasanya dibangun sebagai jaringan TI dan perlu mendeteksi kesalahan pertama. Saat mengukur resistansi isolasi, perlu mempertimbangkan karakteristik kapasitansi dan resistansi sistem, karena kapasitansi dapat mengganggu pengukuran.
Metode pengukuran umum:Metode umum termasuk mengukur arus mode umum menggunakan loop coil dan menghitung resistansi isolasi dengan mengubah potensial antara sistem dan sasis melalui sakelar dan resistor. Metode lain yang lebih sederhana atau lebih kompleks juga diperkenalkan.
Standar pengukuran isolasi:Pengukuran insulasi memiliki spesifikasi standar yang relevan untuk metode pengukuran dan persyaratan resistansi insulasi minimum. Standar yang berbeda memiliki perbedaan dalam metode pengukuran, nilai resistansi, dan waktu pengukuran.
7. Ringkasan
Persyaratan umum dan pertimbangan desain:Artikel ini memperkenalkan konsep umum perangkat keras BMS, mulai dari persyaratan umum dan memberikan pertimbangan implementasi. Proses desain harus mencakup sebanyak mungkin parameter, namun persyaratannya harus ditetapkan sesuai dengan kebutuhan perangkat target. Persyaratan aplikasi yang berbeda sangat bervariasi, dan persyaratan ini merupakan titik awal yang baik untuk pertimbangan desain paket baterai.
Topologi BMS:Struktur sistem baterai mempengaruhi topologi BMS, dan beberapa aplikasi menggunakan metode pemantauan khusus untuk mengurangi bobot atau kompleksitas, seperti empat baterai kendaraan listrik komersial yang dibandingkan di Bagian 3.3, yang memiliki beberapa kesamaan karena aplikasinya serupa (seperti menggunakan komunikasi CAN ), tetapi berbeda dalam integrasi dan komunikasi internal.
Pengukuran nilai fisik:Bagian 4 memberikan pengenalan rinci tentang metode pengumpulan dan transmisi nilai fisik yang diperlukan. Persyaratan pengukuran yang berbeda memerlukan pemilihan metode yang berbeda berdasarkan batasan aplikasi dan kebutuhan.
Masalah keseimbangan:Bagian 5 menjelaskan alasan dan metode kompensasi ketidakseimbangan muatan pada baterai seri, dengan keseimbangan pasif saat ini menjadi metode yang paling umum digunakan.
Keamanan dan Keandalan:Bagian 6 memberikan ikhtisar aspek keselamatan, termasuk kepatuhan terhadap rentang pengoperasian baterai untuk memastikan masa pakai dan melindungi pengguna dari bahaya tegangan tinggi. Panduan ini memperkenalkan metode standar untuk pemantauan isolasi dan menyebutkan perlunya mempertimbangkan risiko tingkat sistem saat melindungi baterai.