BMS

Интеллектуальное управление аккумуляторными батареями в электрических автомобилях

С появлением на дорогах всё большего количества электрических транспортных средств – от электрических скутеров и автомобилей, до автобусов и грузовиков, разработчикам приходится создавать электроприводы разной мощности, способные работать с различными аккумуляторными батареями. В данной статье рассматриваются особенности построения интеллектуальных систем управления батареями, а также анализируются ключевые проблемы, связанные с повышением эффективности использования аккумуляторов, с увеличением продолжительности их жизни и, конечно же, с ростом уровня безопасности при их эксплуатации
605
В избранное

Введение

В настоящее время огромное внимание уделяется экологии, в результате чего на дорогах становится все больше и больше электрических транспортных средств – от электрических скутеров и автомобилей, до автобусов и грузовиков. При этом разработчикам приходится создавать электроприводы разной мощности, способные работать с различными аккумуляторными батареями. В данной статье рассматриваются особенности построения интеллектуальных систем управления батареями, а также анализируются ключевые проблемы, связанные с повышением эффективности использования аккумуляторов, с увеличением продолжительности их жизни и, конечно же, с ростом уровня безопасности при их эксплуатации.

Аккумуляторная батарея электромобиля может состоять из нескольких модульных ячеек, включенных последовательно и параллельно. Система управления аккумуляторной батареей (battery management system, BMS) объединяет несколько основных компонентов, включая систему мониторинга, один или несколько силовых преобразователей мощности, состав которых определяется потребностями транспортного средства, интеллектуальные контроллеры или встраиваемые процессоры, необходимые для реализации различных функций.

Интеллектуальный мониторинг аккумуляторных батарей

Во время заряда и разряда аккумуляторной батареи необходимо тщательно контролировать текущие параметры каждой аккумуляторной ячейки. Это связано с тем, что выход любого параметра за рамки допустимого диапазона значений, может, как минимум, привести к быстрой поломке аккумулятора, а в худшем случае подвергнуть опасности здоровье пассажиров. Энергетическая емкость современных аккумуляторных батарей эквивалентна энергии небольшого взрывного устройства. Перенапряжения или просадки напряжения способны приводить к перегреву и преждевременному отказу аккумулятора.

Отдельные аккумуляторные модульные ячейки объединяются в общую батарею

Рис. 1. Отдельные аккумуляторные модульные ячейки объединяются в общую батарею

Для контроля напряжения, температуры и других параметров каждой аккумуляторной ячейки используются специализированные интегральные схемы (battery monitoring integrated circuit, BMIC). Получаемые от BMIC данные передаются контроллеру ячеек (cell management controller, CMC) и, в зависимости от сложности системы питания, к управляющим узлам более высокого порядка, например, BMC-контроллерам (battery management controllers). Точность измерений и высокая скорость обмена между BMIC, CMC и BMC являются необходимыми условиями преждевременного обнаружения и устранения потенциальных неисправностей, еще до возникновения аварийной ситуации. Например, BMC может прекратить зарядку конкретной аккумуляторной ячейки и уменьшить отбираемую от нее мощность, чтобы снизить температуру до приемлемого уровня или сообщить водителю транспортного средства о неисправности, например, с помощью индикатора «Check Engine», расположенного на приборной панели. В любом случае, BMIC должны обеспечивать очень точные измерения и надежную связь с CMC, чтобы BMC мог своевременно обнаружить и устранить угрозу. Реализация линий связи в электрических транспортных средствах является достаточно сложной задачей из-за высокого уровня шумов и помех.

Зачастую надежность канала обмена информацией между BMIC и CMC зависит от архитектуры и маршрутизации сети, соединяющей различные устройства в единую BMS-систему.

BMC получает информацию о напряжении ячеек от множества CMC-контроллеров. Он также вычисляет состояние заряда батареи (state-of-charge, SOC), которое в свою очередь используется для определения энергии, оставшейся в батарее, для дальнейшего расчета расстояния, которое автомобиль сможет преодолеть без подзарядки. Еще один расчетный параметр – степень работоспособности аккумулятора (state-of-health, SOH) позволяет оценить состояние аккумулятора, спрогнозировать оставшийся срок его службы и определиться с необходимостью выполнения технического обслуживания.

Интеллектуальное управление аккумуляторными батареями

В зависимости от сложности транспортного средства, для мониторинга и управления системой питания может потребоваться несколько микроконтроллеров (МК). Обычно эти МК имеют несколько процессорных ядер. Для управления используются как RISC-микроконтроллеры общего назначения, например, с процессорными ядрами ARM, так и микроконтроллеры с поддержкой DSP-инструкций, в частности, представители семейства C28x DSP от TI.

Структура BMS-системы

Рис. 2. Структура BMS-системы

CMC, работающие совместно с BMIC, играют важную роль в обеспечении эффективной и продолжительной работы аккумуляторной батареи. Рассмотрим пример. Предположим, что во время цикла зарядки BMIC обнаруживает, что одна аккумуляторная ячейка из-за перегрева стала заряжаться только до напряжения 4,1 В, в то время как остальные ячейки заряжаются до 4,2 В. В таком случае система автоматически снижает верхний уровень заряда, и напряжение всех ячеек ограничивается значением 4,1 В. Это позволит уменьшить нагрузку на все ячейки, увеличить срок службы аккумуляторной батареи, повысить эффективность хранения энергии и гарантировать, что электромотор получит столько энергии, сколько ему требуется в данный конкретный момент времени.

Очевидно, что высокое быстродействие имеет критически важное значение для системы реального времени, особенно, если эта система является электромобилем, едущим со скоростью 100 км/ч. Таким образом, BMIC должны обеспечивать быструю передачу данных в CMC, чтобы CMC или контроллеры более высокого уровня могли оперативно реагировать на потенциальную угрозу, например, уменьшать мощность, отбираемую от аккумуляторной батареи, для снижения уровня перегрева и предотвращения аварийной поломки аккумулятора.

Интеллектуальная зарядка аккумуляторных батарей

Для уменьшения перегрева, сохранения емкости и обеспечения длительного срока службы важно гарантировать эффективный заряд и разряд аккумуляторной батареи. Для решения этой задачи требуется микроконтроллер, так как характеристики аккумуляторов изменяются с течением времени. Микроконтроллер должен оперативно адаптироваться к изменению параметров аккумулятора в режиме реального времени, например, учитывать окисление на клеммах, напряжение на ячейке и т.д. Одна из важнейших функций микроконтроллера заключается в защите от перенапряжений. В противном случае батарея может перегреться и загореться.

Для создания зарядных модулей могут быть использованы высокопроизводительные микроконтроллеры, например, со встроенными DSP-ядрами, со специализированными сопроцессорами или аппаратными ускорителями. Они необходимы для решения конкретных задач в реальном времени: измерения зарядного тока, контроля напряжения шины питания, учета напряжения на клеммах аккумулятора. Для этого необходимо использовать алгоритмы, требующие интенсивных вычислений. В качестве примера можно привести алгоритм реализации ПИД-регулятора. Микроконтроллеры с DSP-ядром способны выполнять специальные наборы инструкций, в том числе тригонометрические математические операции, которые значительно ускоряют расчеты. Например, если RISC-ядру может потребоваться 60 циклов для выполнения операций с синусом или косинусом, то DSP-ядро справится с этой же задачей за 2-3 цикла. Такие микроконтроллеры спсосбны поддерживать различные топологии системы питания и множество контуров управления (для напряжения, тока и других параметров системы), обеспечивая высокую производительность и гарантируя точный мониторинг параметров аккумулятора в реальном времени.

Кроме того, высокая производительность микроконтроллеров требуется для реализации особых режимов работы электромобилей (Electric Vehicle, EV) и автомобилей с гибридной силовой установкой (Hybrid Electric Vehicle, HEV), например, режимов остановки/ запуска, а также режимов город/ трасса:

  • Режим остановки/ запуска позволяет заглушить бензиновый двигатель HEV, чтобы сэкономить топливо, пока машина стоит на светофоре или в пробке.
  • Режим город/ трасса позволяет HEV переключаться между двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателем в зависимости от того, что является более эффективным. Например, ДВС будет эффективнее при движении по трассе с высокими скоростями, в то время как электродвигатель используется преимущественно при движении в медленном городском потоке с его частыми остановками.

Производители электромобилей и модулей питания часто применяют одно и то же программное обеспечение (ПО) для управления силовыми установками с различными номиналами мощности, различными входными/ выходными напряжениями и различными частотами ШИМ. Другими словами, ПО, разработанное для специфической топологии (например: ККМ или мостовой резонансный LLC DC/DC-преобразователь), может использоваться как в маломощных силовых установках, так и в установках высокой мощности. При этом потребуется только перенастройка параметров управления. Таким образом, микроконтроллеры позволяют производителям экономить средства за счет повторного использования готовых решений в блоках питания с широким диапазоном номинальных мощностей.

Подобная адаптивность особенно важна сегодня, поскольку развитие силовых электронных компонентов идет очень быстро.

Развитие силовых компонентов

В зарядных устройствах электромобилей все чаще встречаются силовые компоненты, использующие широкозонные полупроводниковые материалы. Такие зарядные устройства могут питаться напрямую от сети переменного тока, что позволяет производителям уменьшать габариты и вес силовой установки, а следовательно, увеличивать дальность пробега электромобиля. Кроме того, новые полупроводниковые технологии обеспечивают рост эффективности за счет уменьшения потерь мощности во время заряда аккумулятора, а также сокращают длительность самого процесса заряда. Нитрид-галлиевые (GaN) и карбид-кремниевые транзисторы (SiC) превосходят традиционные кремниевые МОП-транзисторы по уровню коммутируемой мощности, а также демонстрируют меньшее сопротивление в открытом состоянии.

Силовые модули LMG3410 с рейтингом напряжения до 600 В имеют в своем составе полевой GaN-транзистор, оптимизированный драйвер и блоки защиты от перегрузки по току. SiC-транзисторы оптимальны для создания как AC/DC-, так и DC/DC-преобразователей (рис. 3 и рис. 4).

Микроконтроллер C2000 ™ используется для управления 2-фазным ККМ

Рис. 3. Микроконтроллер C2000 ™ используется для управления 2-фазным ККМ

Микроконтроллер MC000 используется для управления мостовым резонансным LLC-преобразователем (DC/ DC)

Рис. 4. Микроконтроллер MC000 используется для управления мостовым резонансным LLC-преобразователем (DC/ DC)

Безопасность

Разработка любого электронного блока предполагает наличие компромиссов между различными характеристиками, например, стоимостью, производительностью, долговечностью и т. д. В случае с системой питания электромобиля единственным исключением становится безопасность. Главной проблемой с точки зрения безопасности является перегрев, который в худшем случае способен вызвать возгорание аккумуляторной батареи. Перегрев может стать следствием различных неисправностей, таких как чрезмерная перезарядка или слишком быстрая разрядка. Чтобы избежать неприятностей, система управления должна постоянно контролировать параметры аккумуляторных ячеек и сообщать CMC или BMC о необходимости активации механизмов защиты, например, для отключения аккумуляторной батареи при перегреве. Еще одна важная функция безопасности заключается в возможности проверки подлинности аварийного сигнала. Это необходимо, чтобы удостовериться, что сигнал является настоящим, а не вызван сбоем в работе BMS. И, конечно же, BMS должна иметь встроенные функции защиты, которые позволят отреагировать на потенциальную угрозу еще до возникновения аварийной ситуации.

Для обеспечения минимального уровня безопасности необходимо, чтобы компоненты были сертифицированы в соответствии с AEC-Q100. Кроме того, элементы системы управления должны отвечать требованиям функциональной безопасности, описанным в стандарте ISO 26262. ISO 26262 требует, чтобы BMS анализировала текущие рабочие параметры и оценивала степень потенциального риска при их изменениях для автомобиля и его пассажиров.

Чтобы соответствовать требованиям ISO 26262, BMS должна быть отказоустойчивой системой с резервированием ресурсов, например, иметь несколько процессоров с независимой памятью, несколько АЦП и другие дублирующие блоки. Кроме того, необходимо, чтобы в BMS был реализован встроенный механизм самодиагностики для проверки правильности функционирования и отсутствия ложных тревог. Наконец, крайне важно, чтобы BMS гарантировала быстрый отклик на возникновение потенциальных угроз, например, отключение аккумуляторной батареи или другого компонента системы питания должно происходить максимально быстро еще до возникновения аварии.

Некоторые из наиболее продвинутых микроконтроллеров, используемых в электромобилях, имеют сдвоенные ядра, которые зеркально отражают друг друга. При этом результаты, получаемые ядрами при выполнении инструкций, сравниваются, и в случае необходимости происходит блокировка. Методы диагностики на уровне компонентов, как, например, в случае с ECC-памятью с коррекцией ошибок (error correction code, ECC), помогают обеспечить сохранность данных и расширить возможности автоматической диагностики системы.

Микросхемы TI570 Tercus TI сертифицированы TÜV SÜD в соответствии с требованиями ISO 26262: 2011 до ASIL-D. TÜV SÜD является признанным на международном уровне и независимым экспертом по соблюдению стандартов качества и безопасности. Микроконтроллеры семейства Hercules обладают одинаковой архитектурой и функционалом. Они характеризуются повыводной совместимостью, но отличаются объемом памяти от 128 кбайт до 4 Мбайт, и рабочей частотой от 80 МГц до 300 МГц.

Микроконтроллеры TI Hercules TMS570 имеют двухъядерную архитектуру с пошаговым сравнением результатов вычислений, ECC-память, а также аппаратный механизм самодиагностики процессора (LBIST) и встроенный механизм самодиагностики SRAM. Эти аппаратные функции безопасности помогают обнаруживать ошибки в критически важных блоках и обеспечивают высокий уровень диагностики с минимальной нагрузкой на встраиваемое ПО.

Существуют референсные решения от TI, демонстрирующие особенности реализации схем управления аккумуляторными батареями:

  • BMS с активной балансировкой на базе микроконтроллера TMS570 с bq76PL455A-Q1 + EMB1428 (TIDM-TMS570BMS)
  • Схема активной балансировки ячейки с помощью bq76PL455A-Q1 + EMB1428/ EMB1499 (TIDM-00817)
  • Схема пассивной балансировки ячейки с помощью bq76PL455A-Q1 (TIDA-00717)

Для многоядерных решений, не требующих блокировки, отлично подходят микроконтроллеры семейства C2000. C2000 известны своей высокой производительностью при работе в реальном времени, что обеспечивает необходимую функциональную безопасность при создании BMS. В C2000 используется гетерогенная асимметричная архитектура, в которой каждое процессорное ядро остается независимым. Это позволяет реализовывать перекрестную проверку на уровне алгоритмов, как описано в концепции безопасности EGAS, разработанной много лет назад. Остается добавить ECC-память и избыточную таблицу векторов прерываний, и в результате получится надежное вычислительное ядро.

Таким образом, микроконтроллеры C2000 не только поддерживают выполнение DSP-инструкций, которые требуются при работе BMS, но и обеспечивают высокий уровень функциональной безопасности. Резервные АЦП и аналоговые компараторы могут немедленно отключать ШИМ, если аналоговый сигнал выходит за пределы разрешенного диапазона, что гарантирует защиту при возникновении потенциальной угрозы, например, при перегреве, перенапряжении и т.д.

Заключение

Интеллектуальная система управления питанием с новейшими силовыми компонентами позволяет обеспечить оптимальную производительность, долгий срок службы и высокую безопасность эксплуатации аккумуляторной батареи в электромобиле. Быстрый и точный мониторинг жизненно важных рабочих параметров, надежная связь между всеми узлами системы, оперативное принятие решений, эффективное управление и наличие механизмов защиты являются важнейшими требованиями, предъявляемыми к системам управления питанием в электромобилях и автомобилях с гибридными силовыми установками.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EMB1428QSQ/NOPB
EMB1428QSQ/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1289800 PDF RD
Доступно: 185 шт.
Выбрать
условия
поставки
EMB1428QSQ/NOPB от 2 шт. от 1093,12
185 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EMB1428QSQE/NOPB
EMB1428QSQE/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1289801 PDF RD
Доступно: 165 шт.
Выбрать
условия
поставки
EMB1428QSQE/NOPB от 2 шт. от 1227,34
165 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EMB1428QSQX/NOPB
EMB1428QSQX/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1289802 PDF RD
Доступно: 538 шт.
Выбрать
условия
поставки
EMB1428QSQX/NOPB от 32 шт. от 376,75
538 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EMB1499QMH/NOPB
EMB1499QMH/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1289803 PDF RD
Доступно: 181 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers Bidirectional Crnt DC/DC Cntlr
EMB1499QMH/NOPB от 10 шт. от 1115,74
181 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EMB1499QMHE/NOPB
EMB1499QMHE/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1289804 PDF RD
Доступно: 270 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers Bidirectional Crnt DC/DC Cntlr
EMB1499QMHE/NOPB от 3 шт. от 749,46
270 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EMB1499QMHX/NOPB
EMB1499QMHX/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1289805 PDF RD
Доступно: 978 шт.
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers Bidirectional Crnt DC/DC Cntlr
EMB1499QMHX/NOPB от 2500 шт. от 207,21
978 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()