Jak funguje správa baterie?

Systém správy baterií (BMS) je elektronický systém nebo obvod, který monitoruje nabíjení, vybíjení, teplotu a další faktory ovlivňující stav baterie nebo sady baterií. Používá se ke sledování a udržování stavu a kapacity baterie.

Dnešní BMS zařízení jsou pokročilá a často poskytují vyskakovací upozornění, jak jste to pravděpodobně zažili na notebooku nebo smartphonu. Tyto systémy by měly poskytovat minimálně:

Monitorování napětí (stav nabití)
Výdrž baterie a celkový zdravotní stav (stav zdraví)
Monitorování teploty a stavu (bezpečná provozní oblast)
doba nabíjení

Systém správy baterie může také nabízet další funkce v závislosti na aplikaci. Například u elektrických vozidel může displej BTS hlásit, kolik mil nebo kilometrů může vozidlo bezpečně ujet před dalším nabitím.

V tomto článku se dozvíme, jak funguje systém správy baterie, včetně toho, jak vypočítává a monitoruje životnost baterie.

Typická indikace životnosti baterie u notebooku před tím, než je nutné ji dobít, laskavě poskytnuto BMS.

Pochopení BMS
Systém správy baterie předpovídá stav a kapacitu baterie s celkovým cílem přesně indikovat zbývající čas, který je k dispozici pro použití. Často také monitoruje nabíjení a vybíjení baterie.

BMS obvykle přijímá vstup z baterie, jeho monitorování, zpracovává jej v algoritmu a poté generuje výstup. Výstupní data zahrnují stav změny (SOC), zdravotní stav (SOH) a také poruchový a stavový signál.

BMS lze použít pro jednu baterii nebo vícečlánkovou baterii. Níže uvedený obvod ukazuje tři články zapojené do série, kde BMS měří celkové napětí a také napětí každého článku. Také monitoruje proud pomocí bočníku nebo senzoru s hallovým efektem.

K dispozici jsou také metal-oxid-polovodičové tranzistory s efektem pole (MOSFET), jako jsou vysílače s efektem pole s řízením nabíjení nebo vybíjení (CFET a DFET), které poskytují integrované možnosti nabíjení a vybíjení. Tyto MOSFETy poskytují další bezpečnostní výhodu tím, že ukončují nabíjení nebo zátěže v případě poruchy. V tomto případě jsou nabíječka a zátěž spojeny, aby „komunikovaly“.

Bezpečný operační prostor
BMS zajišťuje bezpečné a spolehlivé používání baterie. Může například chránit baterii před nadměrnou nebo nízkou teplotou a před nadměrným nabitím nebo nadměrným vybitím.

Provozní teplota a napětí by měly být vždy v bezpečné provozní oblasti (SOA), což je uvedeno v níže uvedeném grafu napětí versus teplota. Hodnota v grafu, jako je tento, by měla vždy odpovídat datovému listu výrobce BMS, protože jsou k dispozici různé systémy.

ČTĚTE VÍCE

Jak dlouho vydrží baterie Ferrari?

Pokud teplota baterie překročí SOA kvůli příliš teplým nebo horkým podmínkám, jedná se o stav přehřátí. Je považován za nebezpečný, protože může roztavit články a obvody. Plastové pouzdro baterie obvykle začne měknout při teplotě kolem 200 F a roztavit se nad 300 F. V extrémních případech se baterie může také roztavit nebo explodovat.

Podobně jako teplo urychluje chemické reakce, nízké teploty je zpomalují. Stav nízké teploty může být způsoben nízkými nebo mrazivými teplotami, které mohou také ovlivnit baterii a její schopnost dodávat energii.

Napětí, které překročí hranice ideálního stavu a stoupne nad SOA, je přebití, které může poškodit baterii a nechat ji nefunkční. Když napětí klesne pod svůj stavový limit, je to považováno za nedobité. Všechny čtyři podmínky mohou poškodit baterii nebo mohou být nebezpečné.

Spolehlivý BMS monitoruje každý článek v obvodu a nabízí ochranu ukončením nabíjení baterie, pokud překročí kterýkoli z ideálních stavů.

Zdravotní stav
Zdravotní stav (SOH) označuje kapacitu nebo aktuální stav baterie ve srovnání s jejím ideálním stavem. SOH pomáhá určit procento dostupné nebo zbývající životnosti baterie.

V níže uvedeném grafu se kapacita baterie během cyklu nabíjení nebo vybíjení snižuje.

Jak se určuje SOH?
Parametry, které se mění se stářím baterie – jako je impedance nebo vodivost – lze použít k určení SOH článku. Když se takové parametry zvýší, výkon baterie se sníží a její teplota se zvýší.

Impedance je míra opozice, kterou obvod představuje proudu, když je aplikováno napětí. Vodivost je stupeň, ve kterém objekt vede elektřinu, počítá se jako poměr proudu.

Pro měření SOH je nutné zaznamenat počáteční impedanci nebo vodivost, která je obvykle uvedena v datovém listu výrobce. Chcete-li otestovat impedanci nebo vodivost baterie, aplikujte na článek malé střídavé napětí o známé frekvenci a amplitudě „E“ a změřte sdružený střídavý proud „I“, který na něj teče.

Impedance je Z = E/I („E“ je střídavé napětí na článku a „I“ je střídavý proud protékající baterií)

Vodivost je C = I/E

E = 0.0024 V a I = 0.0033 A Z = 0.0024 / 0.0033 = 0.072 ohm

Impedance a vodivost jsou vzájemně inverzní, kde se impedance zvyšuje a vodivost snižuje.

ČTĚTE VÍCE

Co způsobuje, že klakson začne troubit?

Nyní předpokládejme, že jsme obdrželi impedanci měřící 70 miliohmů, ale zpočátku to bylo 50 miliohmů.

Procento impedance = (aktuální impedance / počáteční impedance) x 100

Procento zvýšení impedance = procento impedance – 100

Impedance se zvýšila o 40 procent. Nyní vypočítejme SOH.

Baterie má počáteční kapacitu 1000mAh a impedance vzrostla o 40 procent.

Kapacita ztracena = (procento impedance /100) x Celková počáteční kapacita

= (40/100) x 1000 = 400 mAh

SOH = Celková počáteční kapacita – ztráta kapacity

= 600mAh

Teplotu lze také měřit procentem impedance. Řekněme, že počáteční procento je 40 C.

Aktuální teplota = (procento impedance /100) x počáteční teplota + počáteční teplota

V tomto případě, když se impedance zvyšuje, teplota baterie se zvyšuje, jak je znázorněno na grafu níže.

Stav nabití
Stav nabití (SOC) udává, kolik energie nebo energie zbývá v baterii, a vypočítává se pomocí zbývající kapacity baterie z celkové kapacity baterie. Stav nabití může být vyjádřen v procentech následovně…

Procento SOC = ( SOH / celková kapacita ) X 100

Ačkoli tento vzorec poskytuje SOC v procentech, není zcela přesný, protože nezohledňuje skutečnost, že celková kapacita baterie se časem snižuje. Nakonec nebude baterie schopna dosáhnout úplného, 100% nabití. Celková kapacita ve vzorci je tedy hodnota SOH.

Tato rovnice nabízí přesnější výsledek…

SOC procento = (SOC/SOH) x 100

Pokud je počáteční kapacita baterie 1000 mAh, ale SOH je nyní 500 mAh a zbývající kapacita je 300 mAh, pak…

SOC procento = ( 300 / 500) x 100 = 60 %

Jak se určuje SOC?
Nejjednodušší způsob, jak zjistit stav nabití, je měřením nabíjecího a vybíjecího napětí baterie. Toto však není ideální způsob měření kapacity, protože baterie nemá lineární nabíjecí ani vybíjecí křivku. Ne každé čtení by tedy bylo přesně znázorněno.

Zvažte například křivku nabíjení a vybíjení lithium-iontové baterie v níže uvedených grafech. Nabíjecí a vybíjecí napětí postupně mění stav baterie, dokud nezůstane konečné vybití stabilní.

Ideální metodou pro měření kapacity baterie je Coulomb Counting, který měří příchozí a odchozí proudy v průběhu času. Počítá s vybíjecím proudem v čase a pokud je nabíjecí proud stejný, odečítá ho od hodnot.

SOC = Celková kapacita – (Vybíjecí proud – Nabíjecí proud)

ČTĚTE VÍCE

Jak ručně nastartujete Jeep Grand Cherokee?

Pro měření vybití nebo nabití proudu je k dispozici několik různých metod v závislosti na systému měření baterie. Zde je několik:

Aktuální bočník: Bočník je nízkoohmový rezistor používaný k měření proudu a typicky, když proud překročí rozsah měřicího zařízení. Veškerý proud protéká bočníkem a vytváří úbytek napětí, který je měřen. Tato metoda má mírnou ztrátu výkonu přes odpor a zahřívá baterii.

Hallův efekt: Tento senzor měří měnící se napětí, když je zařízení umístěno v magnetickém poli. Odstraňuje problém ztráty napájení, typický pro proudový bočník, ale je nákladný a není schopen tolerovat vysoké proudy.

Obří magnetorezistence (GMR): Tyto senzory se používají jako detektory magnetického pole, které jsou citlivější (a dražší) než senzory s Hallovým efektem. Jsou nesmírně přesné.

Coulombovo počítání: Jak již bylo zmíněno, Coulomb zahrnuje měření množství proudu tekoucího do nebo z baterie. Níže je graf znázorňující proud měřený v různých časech pro určení celkového vybíjecího proudu s ohledem na čas.

Coulombovo měření je poměrně složité, ale může být provedeno pomocí mikrokontroléru.