目录
1、背景:
2、一个BMS 的建立和测试
3、为什么 BMS 具有挑战?
4、电池组仿真
5、设计挑战
6、测试系统中的设计和部署
7、使用 PXI 的其他测试
8、结论
9、电池管理系统测试?
1、背景:
随着高速发展,世界向着更加绿色的方向发展,电动汽车的快速发展和成长使得电动汽车已经变得非常常见。电动汽车能够实现低排放甚至是零排放并且相比于汽油的费用从电网进行充电显然是成本更低的。最重要的是电动汽车可以将我们安全的带到工作或者生活中的目的地。但是电动汽车的设计对于汽车自动化领域来说是一次思维的转变——因为汽车所包含的器件增加了很多而给汽车行业带来新的测试以及验证挑战。
汽车行业中大多数混合以及插入式混合电动汽车已经接受了锂离子电池的使用。这个电池要求设计一个细致的充电系统来提供安全性保障和更长的使用寿命。
因此,电动汽车最主要的挑战之一就是池管理系统( BMS)的效能测试, BMS系统管理电池的状态,而这些电池储存着高平的能量就是用来驱动汽车。本文是DMC Engineering以及 Software Services 和 Pickering Interfaces 三家公司合作提出了一个基于PXI模块的BMS测试解决方案, 使用这个方案可以进行电池管理系统的测试,国内可联系广州虹科电子科技有限公司获取完整的技术方案。
2、一个BMS 的建立和测试
锂离子电池的生产过程有一个高级别的固有偏差,也就要求有一个更加高级更加健壮的 BMS,BMS 必须实现主动检测以及主动平衡每个电池单元充电状态的方式来补偿一个模块或者电池堆里面任何一个 表现不佳的电池单元。
一个电池堆栈的设计会有一个不确定状态组合,因为整个电池组里面可能包含了好的和坏的电池单元 并且这些电池也会受到环境条件的巨大影响。这些差异以及使用场景的复杂性就要求对 BMS 通过对仿真 电池的管理来进行 BMS 的开发和性能测试。电池单元的条件也会影响甚至决定用于生产环境的测试类型。
因此 BMS 在混合电动汽车,电动汽车以及插入式电动汽车驱动系统方面是很关键的部分。一个典型 的 BMS 可以控制能量储存系统(ESS)的所有功能,包括电池盒电压和电流的测试,单个电池单元电压的测量,单元之间能量的平衡,电池在充电时的状态以及电池单元的温度和健康检测同时还需要确保所有的 电池单元在安全的前提下发挥出最好的性能。
BMS 的模块以及相关的子模块从电池组那里读取电压值以及读取相关的温度,电流以及电压传感器的 结果。签于上面的目的,BMS 必须处理这些输入量,并根据这些输入量做出逻辑判断来控制电池组的性能 和安全性。同时还需要通过大量的模拟量和数字量以及通信的输入输出来报告输入的状态和工作状态。
对于 BMS 的测试设计有两个首要的测试方向:
精确的仿真必要传感器到 BMS 的输入量以及电池组输入到 BMS 的输入量测试;BMS 必须测量,采集并且处理这些数字以及模拟量的输入输出。
3、为什么 BMS 具有挑战?
需要将一个电池组的 BMS 从电池组本身分割出来进行性能的验证包含了几个关键的原因。这些原因 中就包括了安全性和使用寿命的考虑。
每个人都曾经听说过笔记本电脑以及移动电话里面锂离子电池爆炸这一类恐怖的消息。好消息是锂离 子电池能够储存的能量密度相当于铅酸化学电池的六倍以及镍氢电池的三倍。另外,当使用恰当的设计加 上维护妥当的电池组那么锂离子电池更有可能拥有更多的充放电周期。但是任何时候当你将更多的能量放 置在更小的空间时,并且使用次数越频繁,你的安全顾虑很可能也就增加了。
对于电池能量的控制是以提供电流和电压形式的电源功率检测为依据的。一个不受控的能量释放可能 会导致冒烟,起火,爆炸甚至是上面几种情况的结合。所有锂离子系统都会使用到电解液,而这个电解液 往往是可燃的并且电解液需要在汽车行驶过程中经受其他热源的加热。当你加热这些电解液材料时,电解 液将会达到它的燃烧点温度,之后电解液就会自行加热起火甚至是爆炸。
不可控的能量释放可以是由严重的物理损伤造成的,包括撞击,车身刺穿或者起火燃烧。这些情形可 以由机械安全保障系统一级合理的物理结构设计来使损伤降到最低。但是,这些不可控能量的释放同样可 能由于电池单元的短路所造成反常的高速放电速度,过量的热量累积,过度充电或者是持续的反复充电所 造成的。这些因素都会使电池变得脆弱。这些因素可以通过一个正确设计和验证的 BMS 来有效的防护。
BMS 同样负责跟踪一个电池包的精确充电状态,这对于维护电池的使用寿命来说很重要。电池的可用 寿命会因为简单的过充电或者过度放电而大幅衰减。因此,BMS 必须包含一个非常精确的充电估计器。
因为你不能直接测量一个电池的充电情况,充电的百分比就必须通过测量其他特性包括电压,温度, 电流或者其他 BMS 独有的属性来进行计算。验证 BMS 的充电计算准确度对于电池的性能和使用寿命来说 是非常重要的。
4、电池组仿真
锂离子电池有一个锂铁磷酸阴极和石墨阳极。锂离子电池的开路电压一般为 3.2V,充电电压一般为 3.6V。锂锰氧化物电池的开路电压一般为 3.7V,充电电压一般为 4.2V。
对于汽车方面的典型应用,一个典型的电池堆栈大概需要 100 个电池单元串联起来才能够产生超过 350V 的电压。高电压允许使用薄的线缆和相比于低电压系统更低的损耗将能量传输到汽车的驱动系统。 但是高电压需要小心的管理尤其是需要避免对电子系统的损坏。
在一个真实的电池组上面来测试和验证一个新的 BMS 是不实际的。任何一个错误都可能导致对于 BMS 或者电池堆栈的重大损伤,也可能伤害测试操作人员。处于这样明显的考虑,BMS 的测试不能重复的在这样的设置下进行。只有充满足够的自信时,BMS 才可以连接到一个真正的电池组上面进行测试。
第二点,一个真实的电池组的故障和特性是不会变化的,也就不能够用来仿真 BMS 设计用来处理的 各种不同情境。故障注入,尤其是在新产品的开发和推出阶段,是作为验证硬件和固件设计是否成功的关键部分。
5、设计挑战
DMC 跟 Pickering Interfaces 接触提出了这样的一个请求,他们需要的产品可以仿真一个低功率的电池组来验证 BMS 的设计。这个电池组必须是每个单元的输出电压是可编程的并且源电流和灌电流都必须是 可以控制的。
Pickering Interfaces 已经有为移动电话设计单电池 PXI 的仿真板卡的经验。所以就根据客户的需求, 一个设计可行性的调研也就展开了。为了让系统紧凑和低成本,就必须在一块板卡上尽可能多的增加通道 数。最终设计出一款封装紧凑并且价格也是完全可以被汽车行业所接受的产品。
不是否定 PXI,但是 PXI 并不是最好的设计高密度,多单元的电池仿真器的选择。但是所有其他 PXI 模块的可行性也促使这样的测试是可以在 PXI 的平台上实现的,最终也决定使用 PXI 的解决方案。
很清楚的是,最终的产品必须是可靠的,紧凑的以及使用起来很安全的。一个典型的 PXI 机箱可以支 持 17 个外设槽位,所以设计的紧凑性就要求每个单槽宽度的模块可以仿真一个电池组的六个小单元,需要 17 个这样的模块安放在一个机箱里面实现超过 100 个单元的电池组。这样的密度就给每个电池单元的 设计增加了空间方面的限制。并且客户的这个需求是很急用的,所以可以肯定的是模块上使用到的元器件 必须是现成的。
每个电池单元必须提供最大 300mA 的电流并且产生的电压需要超过 4.2V。这对于机箱背板的设计是 极大的一个挑战,机箱需要为每个槽位以及整个系统提供足够的功率。对于电池仿真的快速响应也是需要 的。
PXI 背板可以在 5V 的电压下给每个模块最大提供 6A 的电流,5V 的电压也是目前大多数 PXI 背板所 提供的电压。但是,从 5V 转换出来的电压显然会面对最糟糕的负载条件,但是显然模块上的每个电池单 元在空间上面也受到限制,这就反过来限制了可以用来冷却稳压芯片的空间。针对这一问题选择了一款专 门为汽车行业设计的稳压器,这样的稳压器可以忍受高的温度并且自带过热保护,并且可以使用 PCB 的覆 铜来散热。PXI 机箱内部的高效散热系统可以确保 PCB 上面的覆铜可以得到很好的散热。PXI 很适用于这 样的应用尤其是当有源器件被放置在 PXI 模块的下部时。
源电流或者灌电流也需要安全性和绝缘性的设计,但不是两者都需要这些方面的设计。电池仿真器来 说是两个都需要的,但是灌电流的要求可以比源电流的要求低。
对于这个问题是通过在设计中集成一个可编程电流负载来实现的,这个可编程的电流负载可以为功率 提供预加载。当 BMS 正在被充电时,电流负载可以确保电源仍然在吸收电流。
所有的这些挑战以及相应的解决方案都进行过评估,之后就由 Pickering Interfaces 将提议将这些解决 方案放在一起设计一个新的 6 通道的电池仿真器。在关于设计的修正上的意见交换之后以及澄清确认期望 的性能之后,客户就下了订单来生成这样一个完整的电池组仿真器(图 2)。
6、测试系统中的设计和部署
第一个需要构建的模块是 41-752.设计的挑战不局限于 41-752 的硬件。为了测试和使用 41-752 就需 要一个软件支持团队与硬件设计团队配合工作。首先,软件团队必须开发软件来测试模块的硬件。接着, 他们必须设计软件,包括手动操作前面板,这个前面板就可以实现控制每个模块的每个单元。
一旦这个模块表现出拥有满意的性能,剩余的模块就会被运送给 DMC。DMC 在将模块运送到最终用 户那边之前会把它们集成到 DMC 自己的测试系统中。在成功的尝试以及一些设计方面的微小改动,客户 最终接受了这个模块。
尽管对于这样的应用使用 PXI 作为平台会产生一系列困难的挑战,使用 PXI 平台一定程度上可以实现 设计的灵活性和速度,并最终证明快速设计的可行性。后面板的电源,PCI 的控制总线,机箱的通风系统 以及基于 PC 设计的软件允许这个设计进行高速的处理。
就 41-752 来说,从提交订单到首个产品的运送花费了 8 周的时间。
41-752,现在是作为货架产品可选的了,41-752 提供六个通道的电池仿真器最大可以达到 7V 的电压 和 300mA 的电流。高电压的隔离珊,最大可以达到 750V 的隔离电压,这样高的隔离电压就允许很多的电 池单元可以使用 D 型连接器串接起来实现更大的电压。
一个灵活安全的互锁机智允许模块之间的级联并且本质上也是安全的。Pickering 的 40-923 机箱提供 功率以及需要的电流来满足仿真一个大约 100 个电池单元的电池组仿真。
7、使用 PXI 的其他测试
除了电池仿真器,PXI 模块同样支持温度传感器,模拟和数字 IO 以及电池组开关高电压和 BMS 和电 池组之间 CAN 通信的仿真。这个系统包含两个 PXI 机箱和一些额外的电路系统。整个系统是一个紧凑的 单元并且可以放置在 1.5 米高的机架里面。
8、结论
在未来的时间里,我们将会在路上看到越来越多的电动汽车,它们要么是混合动力的要么就是全电动 的。为了保证长的电池寿命以及保护系统免受伤害,一个 BMS 将会是一个非常的智能的部件。BMS 将会 进行严格的测试以确保客户的需求可以得到满足。出于结构紧凑,成本以及灵活性的考虑,PXI 平台的测 试系统可以帮助实现这些挑战。
9、电池管理系统测试?
广州虹科电子科技有限公司有所有你需要的硬件,随着越来越多的混合/插入式电动汽车的引入,对于 BMS 的测试正在变成汽车生产过程中的一个重要部分。仿真比如过充电,短路或者是故障电池单元的能力在测试整个系统的响应时是验证一个 BMS 是否安全的关键因素。这就是为什么引入 41-752系列板卡,它是唯一的一个 PXI 形式的多通道电池仿真器。除此之外,虹科还可以有 1KV 的开关解决方案,高精度程控电阻,可以用于传感器仿真。
你所需要的每一样创建BMS 测试系统的板卡广州虹科电子都有相应的解决方案,如需进一步沟通,请随时联系李小姐ltt@。
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