BMS cũng sẽ kiểm soát việc sạc lại pin bằng cách chuyển hướng năng lượng đã phục hồi (tức là từ phanh tái tạo) trở lại bộ pin (thường bao gồm một số mô-đun pin, mỗi mô-đun bao gồm một số tế bào).
2.2.3 Sự quản lý
Hàng trăm cho các mô-đun pin nối tiếp / song song Bảo vệ tế bào
Quản lý nhiệt
Cân bằng thụ động hoặc chủ động Phân phối lại (cân bằng hoạt động) Hệ thống nạp trước
2.2.4 Đánh giá
Trạng thái Phí chính xác (SOC) Tình trạng sức khỏe chính xác (SOH) Độ sâu xả (DOD)
Kháng cự bên trong Dung lượng dư
2.2.5 Giao tiếp
Bộ điều khiển trung tâm của BMS giao tiếp bên trong với phần cứng của nó hoạt động ở cấp độ tế bào hoặc bên ngoài với phần cứng cấp cao như máy tính xách tay.
Giao tiếp bên ngoài cấp cao rất đơn giản và sử dụng một số phương pháp: Các kiểutruyền thông nối tiếpkhác nhau .
Giao tiếpbus CAN, thường được sử dụng trong môi trường ô tô. Các loạitruyền thông không dâykhác nhau .
2.2.6 Bảo vệ
- BMS có thể bảo vệ pin của nó bằng cách ngăn không cho nó hoạt động bên ngoài
khu
vực hoạt động an toàn, chẳng hạn như: 14
Quá dòng (có thể khác nhau ở chế độ sạc và xả)
Quá áp (trong sạc), đặc biệt quan trọng đối vớiaxit chìvàLi-iontế bào Dưới điện áp (trong quá trình phóng điện)
Quá nhiệt độ Dưới nhiệt độ
Quá áp (pin NiMH)
Phát hiện lỗi nối đất hoặc dòng điện rò rỉ (hệ thống giám sát rằng pin điện áp cao có bị ngắt kết nối điện khỏi bất kỳ vật dẫn điện nào có thể chạm vào để sử dụng như thân xe)
- BMS có thể ngăn cản hoạt động bên ngoài vùng hoạt động an toàn của pin bằng cách:
Bao gồm mộtcông tắcbên trong (chẳng hạn nhưrơ lehoặcthiết bị trạng thái rắn
) được mở nếu pin được vận hành bên ngoài khu vực hoạt động an toàn của nó Yêu cầu các thiết bị được kết nối với pin để giảm hoặc thậm chí ngừng sử dụng pin.
Chủ động kiểm soát môi trường, chẳng hạn như thông qua lò sưởi, quạt, điều hòa không khí hoặc làm mát bằng chất lỏng
2.2.7 Kết nối pin với mạch tải
BMS cũng có thể có hệ thống sạc trước cho phép một cách an toàn để kết nối pin với các tải khác nhau và loại bỏ dòng khởi động quá mức tới các tụ điện tải.
Kết nối với tải thường được điều khiển thông qua rơ le điện từ được gọi là công tắc tơ. Mạch sạc trước có thể là điện trở nguồn mắc nối tiếp với tải cho đến khi tụ điện được sạc. Ngoài ra, nguồn điện ở chế độ chuyển mạch được kết nối song song với các tải có thể được sử dụng để sạc điện áp của mạch tải lên đến mức đủ gần với điện áp của pin để cho phép đóng các bộ tiếp điểm giữa pin và mạch tải. BMS có
thể có một mạch có thể kiểm tra xem một rơ le đã được đóng trước khi sạc trước (ví dụ như do hàn) để ngăn dòng điện khởi động xảy ra hay không.
2.2.8 Tối ưu hóa
Để tối đa hóa dung lượng của pin và để tránh sạc thiếu hoặc sạc quá mức cục bộ, BMS có thể chủ động đảm bảo rằng tất cả các ô tạo nên pin được giữ ở cùng một điện áp hoặc Trạng thái sạc, thông qua việc cân bằng. BMS có thể cân bằng các tế bào bằng cách:
Lãng phínăng lượngtừ các tế bào được tích điện nhiều nhất bằng cách kết nối chúng vớitải(chẳng hạn như thông quabộ điều chỉnhthụ động )
Trộn năng lượng từ các ô tích điện nhiều nhất sang ô tích điện ít nhất (bộ cân
bằng) Sạc mô-đun
Hình 2.1. Bộ điều khiển chính BMS
16
2.3 Hoạt động đối với pin Lithium
Pin Lithium-ion cần có BMS vì chúng không phải là loại pin hoàn hảo. Chúng dễ bị hư hỏng khi tiếp xúc với các điều kiện khắc nghiệt như điện áp cao, nhiệt độ khắc nghiệt, dòng điện cao và bất kỳ điều kiện nào khác. Do đó, BMS dùng để bảo vệ pin và đảm bảo rằng chúng thường hoạt động ngay cả khi ở trong những điều kiện như vậy.
2.3.1 Bảo vệ điện áp trên/dưới
Pin Lithium-ion hoạt động trong phạm vi điện áp an toàn với các tế bào pin thông thường lên đến 3.0V. Các chất hóa học được sử dụng trong việc chế tạo công nghệ pin này có chứa các hợp chất phản ứng mạnh, và điều này khiến chúng nhạy cảm với điện áp cực lớn. Khi tiếp xúc với điện áp cao trong một thời gian dài, hiệu suất của pin giảm đáng kể do lớp mạ trên các nút của tế bào. Vật liệu được sử dụng trên cực âm cũng có xu hướng bị oxy hóa và do đó, trở nên kém ổn định hơn, tạo ra các khí có thể tạo ra áp suất trong tế bào.
BMS được lắp vào các pin này giới hạn từng tế bào và pin ở mức lớn đến điện áp tối đa. Mặt khác, điện áp thấp cũng là một mối quan tâm trong BMS vì khi các tế bào phóng điện dưới điện áp cắt, nó có thể dẫn đến sự cố tự phát của vật liệu trong các điện cực. Pin Lithium-ion có điện áp hoạt động tối thiểu được khuyến nghị cụ thể mà người dùng không nên xả ở mức dưới đây vì nó có thể gây hại cho pin. Do đó, BMS đóng vai trò như một phương tiện dự phòng có xu hướng ngắt kết nối pin khỏi mạch điện nếu nó nhận thấy bất kỳ tế bào nào giảm xuống dưới điện áp cắt.
2.3.2 Bảo vệ khỏi nhiệt độ khắc nghiệt
Không giống như pin axit-chì, pin lithium-ion có thể hoạt động an toàn ở phạm vi nhiệt độ cao hơn nhiều. Tuy nhiên, khi bất kỳ loại pin nào phải chịu nhiệt độ quá cao, vật liệu điện cực sẽ bị thoái hóa dần dần cho đến cuối cùng, các tế bào bị trục trặc. BMS được lắp đặt trong các ô này sử dụng các nhiệt điện trở nhúng để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình hoạt động của chúng một cách chủ động và do đó, các hành động liên quan hướng tới một giải pháp phù hợp. BMS ngắt kết nối pin đó khỏi các mạch khi nhiệt độ cao và do đó ngăn các tế bào đi qua quá trình thoát nhiệt và cuối cùng bùng phát thành ngọn lửa.
2.3.3 Cân bân bằng mỗi Cell
Có một sự khác biệt đáng kể trong việc cân bằng điện áp trong mỗi tế bào trong quá trình sạc giữa pin axit-chì và pin lithium-ion. Do những khác biệt nhỏ về sản xuất hoặc các điều kiện hoạt động khác nhau, mọi tế bào trong pin có xu hướng sạc với tốc độ hơi khác so với các tế bào còn lại.
17
Không giống như pin axit-chì, có các tế bào tự cân bằng trong quá trình sạc, điện áp pin lithium-ion có xu hướng tăng thêm khi sạc đầy. Nếu quá trình sạc của toàn bộ pin bị dừng lại khi chỉ có một ô được sạc đầy, thì các ô còn lại sẽ không thể sạc đầy, do đó buộc pin phải hoạt động dưới mức công suất tối đa của nó. Một BMS tốt đảm bảo rằng mỗi tế bào sẽ sạc đầy dung lượng một cách an toàn và hiệu quả trước khi quá trình sạc bị dừng.
2.3.4 Bảo vệ khỏi quá dòng và ngắn mạch
Mỗi pin đều có giới hạn quy định tối đa cho dòng điện trong các hoạt động an toàn. Nếu một tải được đặt lên pin và nó tạo ra dòng điện cao hơn giới hạn đã đặt, nó có thể làm cho pin quá nóng. Một BMS được thiết kế tốt đóng vai trò như một vật cản chống lại các tình huống quá dòng bằng cách ngắt kết nối pin khỏi mạch ngay lập tức trước khi các tế bào bị hư hại thêm.
Ngắn mạch có xu hướng là dạng nghiêm trọng nhất của tình trạng quá dòng và có thể làm hỏng các tế bào trong khi điện giật người dùng đang xử lý gói. BMS phát hiện hiện tượng đoản mạch và ngay lập tức tắt pin để bảo vệ cho đến khi tình trạng được xử lý. 2.4 Giao diện BMS 2.4.1 Đầu vào BMS Tên StateRequest Cell_Voltages Cell_Temperatures Pack_Voltage Pack_Current Vout_Chgr Vout_Invtr
- Cell_Voltages: BMS sẽ đo điện áp trên từng khối tế bào (các ô nối tếp) ở tốc độ mẫu 10Hz.
- Cell_Temperatures: BMS sẽ đo nhiệt độ của tế bào pin. 18
Bảng 2.1. Dữ liệu đầu vào BMS
- Park_Current: BMS phải đo dòng điện chạy qua bộ pin ở tốc độ mẫu 10Hz.
+ Pack_Current > 0 cho biết pin đang sạc.
+ Pack_Current <0 cho biết pin đang xả
- Pack_Voltages: BMS sẽ đo điện áp trên các đầu nối pin ( Ve + và Ve -) ở tốc độ mẫu 10Hz.
- Vout_Chgr: BMS sẽ đo điện áp đầu cuối tại công tắc tơ bộ sạc. -Vout_Invtr: BMS sẽ đo điện áp đầu cuối tại công tắc tơ biến tần - StateRequest: BMS sẽ đọc yêu cầu trạng thái từ đường truyền CAN
2.4.2 Đầu ra BMS
Tên
Bảng 2.2. Dữ liệu đầu ra BMS
- SOC: Phần trăm pin
- BMS_State: trạng thái chờ- sạc- xả- lỗi
- Current Limits: Giới hạn dòng điện khi xả và nạp
- BalCmd: Lệnh cân bằng các ô pin
- Charge Current Req: Yều cầu dòng điện khi sạc 19
- PosContactorChgrCmd: Lệnh cho công tắc tơ cực dương của bộ sạc. - PreChargeRelayChgrCm: Lệnh công tắc tơ để sạc trước bộ sạc.
- NegContactorChgrCmd: Lệnh cho công tắc tơ trên cực âm của bộ sạc - PosContactorInvtrCmd: Lệnh cho công tắc tơ trên cực dương của biến tần
- PreChargeRelayInvtrCm: Lệnh cho công tắc tơ để sạc trước biến tần - NegContactorInvtrCmd: Lệnh cho công tắc tơ trên cực âm của biến tần
2.4.3 Cấu trúc BMS và các thông số kỹ thuật của module:
Phần mềm BMS chia làm 4 mô đun: -Trạng thái chính
- Tính toán giới hạn công suất dòng điện
- Ước tính phần trăm pin SOC
- Cân bằng lôgic
2.4.3.1 Giao diện trạng thái chính:
Hình 2.3. Giao diện trạng thái chính
+ Đầu vào:
20
Tên StateRequest Cell_Voltages Cell_Temperature Pack_Voltage Pack_Current Vout_Chgr Vout_Invtr Current Limits Max Cell Voltage
Min Cell Voltage
Bảng 2.3. Dữ liệu đầu vào state flow
+ Đầu ra: Tên ChargeCurrentReq PosContactorChgrCmd PreChargeRelayChgrCm NegContactorChgrCmd PosContactorInvtrCmd PreChargeRelayInvtrCm NegContactorInvtrCmd
Bảng 2.4. Dữ liệu đầu ra state flow
* Tính trạng thái BMS: Cần phải chuyển đổi 1 cách thích hợp chế độ BMS ( chế độ chờ, sạc, lái xe) dựa trên yêu cầu của trạng thái, trạng thái của bộ tiếp điểm rơ le
* Tính toán chế độ sạc: cần phải chuyển đổi 1 cách thích hợp chế độ sạc (Init, chế độ đẳng áp (CC), chế độ đẳng thế (CV))
* Lệnh sạc rơ le: cần đóng mở thihs hợp các Rơ le ( sạc trước, cực âm, cực dương) cho bộ sạc
* Lệnh chuyển tiếp biến tần
* Tính toán theo dõi lỗi: giới hạn (dòng, điện áp, nhiệt độ)
21
2.4.3.2 Tính toán giới hạn dòng điện
Hình 2.4. Hệ thống con tính toán mức dòng điện phóng và sạc tối đa cho phép
+ Đầu vào:
Tên
Cell_Voltages
Bảng 2.5. Dữ liệu đầu vào để tính toán dòng điện
+ Đầu ra: Tên Current Limits Max Cell Min Cell Bảng 2.6. Dữ liệu đầu ra
* Tính toán giới hạn dòng điện: tính toán tối thiểu/ tối đa: Tính toán điện tối thiểu tối đa giữa các ô theo yêu cầu của phần mềm
- Tính toán giới hạn dòng xả BMS: Tính toán giới hạn dòng phóng điện theo yêu cầu của phần mềm
- Tính toán giới hạn dòng nạp BMS: Tính toán giới hạn dòng sạc theo yêu cầu của phần mềm
2.4.3.3 Ước tính phần tram pin SOC
Phải tính toán phần trăm pin SOC (SOC_CC, SOC_UKF, SOC_EKF 22
Hình 2.5. Hình ảnh minh họa SOC * Giao diện: + Đầu vào: Tên Pack_Current Cell_Temperature Cell_Voltages
Bảng 2.7. Dữ liệu đầu vào để tính SOC
+ Đầu ra:
Tên
SOCs
* Đếm cu-lông : Tính phần trăm pin và đếm cu-lông theo yêu cầu của phần mềm
* Tính phần trăm pin SOC UKF : Tính phần trăm pin với UKF theo yêu cầu của phần mềm
* Tính toán phần trăm pin SOC EKF: Tính phần trăm pin với EKF theo yêu cầu của phần mềm.
2.4.3.4 BMS - Logic cân bằng: Phải đóng mở an toàn các điểm tiếp xúc với bộ sạc biến tần
Hình 2.6. Hình minh họa cân bằng cell.
* Giao diện + Đầu vào Tến BMS_State Cell_Voltage Max Cell Min Cell
Bảng 2.9.. Dữ liệu đầu vào để tính toán cân bằng cell
+ Đầu ra
Tên
BalCmd * Cân bằng ON/OFF: tính toán nếu thực hiện cân bằng
* Tính toán lệnh và huỷ kích hoạt: Tính toán các lệnh cho bộ tiếp điểm biến tần và bộ sạc.
KẾT LUẬN
24
Công nghệ BMS là giải pháp lý tưởng giúp bảo vệ cả người dùng và pin khỏi bất kỳ thiệt hại nào có thể xuất hiện từ các điều kiện khác nhau có nguy cơ gây hại cho cả hai bên. Hệ thống này nhằm mục đích bảo vệ, giám sát và kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion. Do đó, điều cần thiết là phải đảm bảo hệ thống pin được cài đặt BMS.
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BATTERY TRÊN SIMULINK
3.1. Mô phỏng pin Lithium trên xe điện:
Hình 3.5. Mô hình 1 pack pin
Hình 3.4. Hệ thống pin Lithium trên ô tô
25
Hình 3.6. Mô hình 16 pack pin
3.1.1 Mô tả:
Khối pin trên là một mô hình động lực học chung được tham số hóa để đại diện cho hầu hết các loại pin sạc phổ biến ngày nay như ( lead acid battery, lithium - lion battery, Nikel-cadmium và Nickel-Metal-Hydride battery ).
Nhưng trong đề tài này chúng ta chỉ nói về lithium – lion battery.
Sơ đồ mạch tương đương của khối pin trong Simulink được biểu diễn như sau:
26
download
3.1.2. Phương trình:
Công thức tính toán của hai trạng thái xả và nạp của từng loại pin mà sơ đồ mạch điện trên biểu diễn:
• Lithium – lion battery: - Trạng thái xả :
- Trạng thái nạp :
Trong đó:
o Ebatt : Điện áp phi tuyến (V)
oE0 : điện áp không đổi (V)
o Exp(s) : điện áp động lực học (V)
o Sel(s) : hệ số đại diện cho trạng thai của pin. Sel(s) = 0 là khi pin đang xả, Sel(s) = 1 là khi pin đang nạp.
oK: hằng số phân cực ( V/Ah ) hoặc hằng số điện trở phân cực ( Ohms). o
∗ : cường độ dòng điện tần số thấp (A).i
o i : cuồng đô dòng điện pin (A).
o it : dung lượng pin đã lấy ra ( Ah).
o Q : dung lượng pin tối đa ( Ah)
o A : điện áp mũ ( V)
o B : công suất mũ (Ah)−1
27
3.1.2 Phương trình hiệu ứng nhiệt
Đối với pin lithium – ion khi nhiệt độ của pin đạt đến nhiệt độ nóng chảy của lithium sẽ gây ra phản ứng dữ dội bên trong pin dẫn đến có thể cháy nổ, do đó nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đối với pin lithium – ion nên nên việc mô phỏng của pin lithium - ion trong Simulink người ta tính toán dựa trên ảnh hưởng của nhiệt độ tới pin theo các công thức sau:
- Trạng thái xả :
- Trạng thái nạp
Trong đó:
28
o Tref : nhiệt độ môi trường danh nghĩa, (K)
o T : nhiệt độ của cell hoặc nhiệt độ trong của pin , (K)
oTa : nhiệt độ môi trường, (K)
o E/T : hệ số nhiệt độ điện áp thuận ( V/K)
o : hằng số tốc độ Arrhenius cho điện trở phân cực
o : hằng số tốc độ Arrhenius cho điện trở trong o ∆Q/∆T : hệ số nhiệt độ công suất tối đa, (Ah / K)
o C : độ dốc đường cong xả danh nghĩa, tính bằng V / Ah. Đối với pin lithium-ion có đường cong phóng điện ít rõ rệt hơn (chẳng hạn như pin lithium iron phosphate), thông số này được đặt thành không.
o Nhiệt độ của cell hoặc nhiệt độ trong của pin (T), tại bất cứ thời điểm nào (t), sẽ được biểu diễn bằng công thức:
o Rth: điện tở nhiệt, cell đến môi trường ( ℃/W ) o tc : hằng số thời gian nhiệt, cell đến mô trường (s)
o Ploss tổng nhiệt sinh ra tính bằng (W) “công suất thất thoát” trong quá trình nạp hoặc xả và được tính bằng công thức:
3.1.3 Phương trình hiệu ứng tuổi pin:
Ngoài ra thời gian (tuổi tác của pin trong quá trinh sử dụng) cũng gây ảnh hưởng đến một số thông số (như dung lượng pin và điện trở trong) của pin lithium – ion :