e
sv

Elektrikli Araçlar için Akü Yönetim Sistemleri

33 okunma — 03 Mart 2021 22:14

Pil yönetim sistemlerinin (BMS) güç tasarımında hangi rolü üstlendiğini ve temel işlevleri için hangi bileşenlerin gerekli olduğuna ilişkin temel bilgileri bu yazımızda sizlere sunacağım.

Günümüzde Li-ion piller, 265 Wh varan enerji depolayabilirler. Bu büyüklükteki güçler, aşırı stres karşısında bu enerjiyi patlatma ve yakmakta eğiliminde olabilirler. Bu durumları kontrol altında tutmak için genellikle pil yönetim sistemlerine (BMS’ler) ihtiyaç duyarlar.

Temel BMS Yapılandırmaları

Şekil 1’de, büyük pil arızalarını önlemek için oluşturulan sistemin blokları görünmektedir.

Şekil 1. Tipik bir BMS blok şeması

Bu örnek BMS, seri olarak dört Li-iyon hücresini kontrol etmektedir. Bir işlemci ile bu seri bağlı pillerin voltajları okunur ve aralarındaki voltaj dengesi korunur. 

Aşağıda MCU kullanılarak tek pil uygulaması görğnmektedir.

Şekil 2. Basit bir pil yöneticisi. Resim Texas Instruments’ın izniyle kullanılmıştır

Daha fazla hücre(pil) kullanıldığında, bir dengeleme sistemine ihtiyaç vardır. Şekil 3’te gösterildiği gibi, bir MCU olmadan hala çalışan basit şemalar mevcuttur.

Şekil 3.  MCU’dan bağımsız bir hücre dengeleyici. Resim Texas Instruments’ın izniyle kullanılmıştır

Daha büyük pil paketleri veya seri olarak hücre veya pil göstergesi hesaplaması gerektiren herhangi bir şey kullanıldığında, bir MCU gereklidir. Entegre (ve dolayısıyla düşük maliyetli) çözüm, Şekil 4’tekidir.

Şekil 4.  Ticari bir BMS. Resim Renesas’ın izniyle kullanılmıştır

Bu, pille ilgili tüm işlevleri çalıştıran tescilli ürün yazılımına sahip bir MCU kullanan bir BMS’dir.

Yapı Taşları: Pil Yönetim Sistemi Bileşenleri

Bir BMS için çok önemli olan temel parçalara genel bir bakış için Şekil 1’e tekrar bakın. Şimdi, bir BMS blok diyagramında yer alan çeşitli öğeleri anlamak için Şekil 4’ün ana bölümlerini biraz daha ayrıntılı olarak inceleyelim.

Sigorta

Şiddetli bir kısa devre oluştuğunda, pil hücrelerinin hızlı bir şekilde korunması gerekir. Şekil 5’te, aşırı gerilim durumunda aşırı gerilim kontrol IC’si tarafından atılması anlamına gelen kendi kendini kontrol koruyucusu (SCP) sigortası olarak bilinen şeyi görebilirsiniz, pim 2’yi toprağa sürün.

Şekil 5.  SCP sigortası ve ticari bir BMS’nin kontrolü

MCU yanmış sigortanın durumunu bildirebilir, bu nedenle MCU güç kaynağının sigortadan önce olması gerekir. 

Akım Algılama / Coulomb Sayımı

Burada, MCU’ya doğrudan bağlantıya izin veren bir düşük taraf akımı ölçümü gerçekleştirilir.

Şekil 6.  Ticari bir BMS’nin tipik düşük akım algısı

Bir zaman referansı tutarak ve akımı zamana entegre ederek, bir Coulomb sayacı uygulayarak bataryaya girilen veya çıkan toplam enerjiyi elde ederiz. Başka bir deyişle, aşağıdaki formülü kullanarak şarj durumunu (SOC, çip üzerindeki bir sistemle karıştırılmamalıdır) tahmin edebiliriz:

nerede

  • SÖC(t0)SÖC(t0) ilk SOC’dir (Ah cinsinden)
  • CratedCrated nominal kapasitedir (Ah cinsinden)
  • benbbenb pil akımı
  • benlÖssbenlÖss hücre reaksiyon kayıplarını hesaba katar
  • τ, elektrik akımı örneklerinin ortalama periyodudur

Termistörler

Sıcaklık sensörleri, genellikle termistörler, hem sıcaklık izleme hem de güvenlik müdahalesi için kullanılır.

Şekil 7’de, aşırı gerilim kontrol IC’nin bir girişini kontrol eden bir termistör görebilirsiniz. Bu, MCU müdahalesi olmadan SCP’yi (Şekil 5’te gösterilen sigorta) yapay olarak patlatır.

Şekil 7.  Ciddi termal problemler durumunda bir termistör SCP’yi kontrol edebilir

Şekil 8, telemetri için iki ek termistörü göstermektedir.

Şekil 8.  Aygıt yazılımı tarafından kullanılan termistörler

Ana Şalter

MOSFET’lerin anahtar görevi görmeleri için drenaj kaynağı voltajlarının olması gerekir. Vds≤Vgs-VthVds≤Vgs-Vth. Doğrusal bölgedeki elektrik akımıbend=k⋅(Vgs-Vth)⋅Vdsbend=k⋅(Vgs-Vth)⋅Vds, anahtarın direncini yapmak RMÖS=1/[k⋅(Vgs-Vth)]RMÖS=1/[k⋅(Vgs-Vth)].

Sürmek önemlidir VgsVgs buna göre düşük direnç ve dolayısıyla düşük kayıplar sağlamak için.

Şekil 9.  Pil paketi ana anahtarı (NMOS, yüksek taraf)

NMOS türleri, normalde daha düşük değerlere sahip olduklarından, bir şarj pompası aracılığıyla yüksek taraf anahtarlarında da kullanılır. RMÖSRMÖS.

Dengeleyici

Akü hücreleri kapasite ve empedans açısından toleranslar vermiştir. Dolayısıyla, döngülerde, seri halindeki hücreler arasında bir yük farkı birikebilir.

Daha zayıf bir hücre seti daha az kapasiteye sahipse, serideki diğerlerine kıyasla daha hızlı şarj olur. BMS’nin bu nedenle diğer hücrelerin şarj olmasını durdurması gerekir, aksi takdirde daha zayıf hücreler Şekil 10’da görüldüğü gibi aşırı şarj olur.

Şekil 10.  Paketin tam şarjını engelleyen düşük kapasiteli hücreler. Görüntü Analog Cihazların izniyle kullanılmıştır

Tersine, bir hücre daha hızlı deşarj olabilir ve hücrelerin minimum voltajının altına düşme riski vardır. Bu durumda, dengeleyicisiz bir BMS, Şekil 11’de görüldüğü gibi güç dağıtımını daha erken durdurmak zorundadır.

Şekil 11.  Tam paket enerji kullanımını engelleyen düşük kapasiteli hücreler. Görüntü Analog Cihazların izniyle kullanılmıştır

Şekil 12’deki gibi bir devre, seri halindeki diğer hücreler seviyesinde Şekil 10’da gösterildiği gibi hücreyi daha yüksek SOC (şarj durumu) ile deşarj edecektir. Bu, yük şantı adı verilen pasif bir dengeleme yöntemi kullanılarak gerçekleştirilir.

Şekil 12. Pasif dengeleme stratejisi örneği

Akım, AÇIK durumda transistörden geçtiği ve R üzerinden dağıldığı için ve voltaj referansı CELL1 (negatif kutup) olduğu için, yalnızca böyle bir hücre fazla enerjisini boşaltır.


Bu makale, bir pil yönetim sisteminin temel konseptini tanıtmayı ve tasarımlarında kullanılan temel bileşenleri tanıtmayı amaçlamaktadır. Umarım, artık bir pil yönetim sisteminin neyi başarmayı amaçladığını ve bir güç tasarımında nasıl kullanılabileceğini daha iyi anladınız. 

BMS tasarımı hakkında daha fazla bilgi edinmek istediğiniz ek kavramlarınız varsa, lütfen aşağıya bir yorum bırakın.

  • Site İçi Yorumlar

En az 10 karakter gerekli