Systém správy baterie elektrických vozidel

Na správném nabíjení elektromobilů se podílí mnoho různých součástí, kterým se v našem seriálu Základy elektromobility postupně věnujeme. Tentokrát se zaměříme na systém řízení baterií, anglicky Battery Management System, nebo-li BMS.

Baterie je stále nejdražší komponent každého elektromobilu a při nesprávném zacházení může být její životnost značně zkrácena a navíc za nepříznivých podmínek může představovat i bezpečnostní hazard pro samotný vůz a jeho posádku. Pro jednotlivé bateriové články a tak pro celou baterii je důležité zajištění správných podmínek, o což se stará právě BMS.

Elektromobil a jeho vnitřnosti. Autor: FirstEnergy Corp. (Licence CC BY-ND 2.0)

V tomto článku zrekapitulujeme, jak jsou baterie konstruovány, budeme se věnovat tomu, jaké musí být vnější prostředí, aby baterie optimálně fungovala, jak je konstruován BMS, jaké jsou jeho hlavní funkce a na konci zmíníme, jaké jsou hlavní výzvy v návrhu efektivního BMS systému a jak vypadá jejich budoucnost.

Konstrukce baterie

Ačkoliv se o baterii elektromobilu mluví v jednotném čísle, jedná se o stovky (a někdy i tisíce) bateriových článků, které jsou spojené sériově anebo paralelně, do bateriových modulů. A z těchto modulů se skládá poté tzv. "Battery pack", nebo-li to, co všichni nazývají jednoduše baterií.

Díky tomuto uspořádání je možné dosáhnout požadované kapacity a energie, a zároveň je snazší baterie vyrobit, instalovat, ale i kontrolovat a provádět údržbu. Více do detailu se tématu baterií věnujeme zde.

Bateriové články, moduly a battery packs. Zdroj: https://www.semanticscholar.org/

Ne každá baterie je stejná a výrobci používají nejen různé chemické sloučeniny, ale také rozdílné tvary bateriových článků. Vždy se ale jedná o nějaký typ lithiové baterie, které jsou zatím nejúčinnější technologií. Tyto baterie jsou více či méně (v závislosti na konkrétní sloučenině) citlivé na velké teplotní změny, přílišné nabití či vybití, a aby bylo možné co nejvíce prodloužit jejich životnost, je potřeba tyto veličiny pečlivě monitorovat a řídit.

Lithiové baterie jsou také náchylné na teplotní úniky, ke kterým může dojít kvůli několika chybám, jako je příliš rychlé nabití či příliš rychlé vybití. Následující grafy ukazují, tzv. bezpečnou provozní oblast (Safety Operation Area), jedná se o zelené políčko, které ukazuje, za jakých podmínek lithiové baterie jsou bezpečné a nejlépe fungují. Teplota by měla být mezi -5 a 45°C, napětí mezi 2 - 4 Volty a proud od 0-1A. Je potřeba bedlivě monitorovat, zda se bateriové články nachází právě v této "safety operation area".

Bezpečná provozní oblast. Zdroj: file:///C:/Users/Datart/Desktop/Battery Management System For Electric Vehicle Applications.pdf

Konstrukce BMS

Konstrukci baterie také odpovídá do značné míry konstrukce BMS. Skládá se z integrovaného obvodu monitorujícího bateriové články (Battery monitoring integrated circuit - BMIC), z řadiče řízení článků (Cell management controller - CMC) a z řadiče řízení baterie (Battery management controller - BMC).

Systém správy baterie. Autor: carrott (Licence: CC BY 2.0)

BMIC monitoruje jednotlivé bateriové články a musí být schopna rychle - v řádu mikrosekund - informovat CMC o situaci, aby CMC nebo BMC byly schopny rychle reagovat a případně opravit nastalou situaci. Aby bylo možné předejít teplotním únikům, je potřeba, aby si BMIC všimla bateriového článku, který se přehřívá, a odeslala tuto informaci. BMC musí rozhodnout, jak je vážná situace a jakým způsobem pokračovat a přehřátý článek musí případně odstavit. A to vše rychleji než stihnete mrknout.

Přesnost měření a schopnost reagovat na nepříznivé podmínky závisí především na frekvenci komunikace z BMIC do CMC a BMC, čím častěji komunikují, tím větší je šance, že úspěšně vyřeší situaci, která by mohla být riziková. Jenomže právě navrhnout efektivní komunikační síť není v elektromobilu vůbec jednoduché kvůli tzv. elektrickému hluku (electrical noise).

Samozřejmě spíše než aby se BMS snažil napravovat nastalé situace, snaží se jim předcházet a tak kromě jednotek BMIC, CMC a BMC se skládá také z obvodů, jejichž funkce je vyrovnávat nabití jednotlivých článků, čímž zajišťuje, že fungují více méně stejně. Tato funkce je tak důležitá, že se jí budeme věnovat mnohem více do hloubky o něco později.

Bateriové články, které se plně nevyužijí. Zdroj: https://www.analog.com/en/technical-articles/active-battery-cell-balancing.html

V závislosti na tom, jak je elektromobil komplikovaný, tak se případně ještě přidává několik inteligentních mikrořadičů, které dohlížejí a řídí různé specifické úkoly. Každý BMS musí být schopný monitorovat nejen baterii ale i sám sebe a musí umět určit, zda alarmy či výzvy jsou opravdové a nejedná se pouze o falešné zprávy.

Základní funkce BMS

Ze všeho výše zmíněného jsou funkce BMS již více než zřejmé, ale pro rekapitulaci je zde uvedeme jednu po druhé a u každé z nich se na chvíli zastavíme.

1. Řízení vybíjení a nabíjení

Při AC nabíjení, se o řízení nabíjení částečně stará palubní nabíječka, která je zodpovědná za přeměnu AC proudu na DC, který poté posílá do baterie přesně potřebném napětí. V případě DC nabíjení, jde proud přímo do BMS, který nabíjení řídí a domlouvá se s DC stanicí.

Tato funkce vyžaduje, aby byl celý systém dostatečně inteligentní, protože parametry samotné baterie se v průběhu času mění (dochází k oxidaci na terminálech, změnám v kapacitě bateriových článků, atd.) a je potřeba, aby se tomu nabíjení vždy v reálném čase přizpůsobilo. Během konkrétního nabíjení musí pak BMS hlídat především, zda není někde příliš vysoké napětí, které by mohlo způsobit přehřátí baterie.

2. Stanovení současného stavu nabití (State of Charge)

Jedná se o zcela základní funkci, díky které dokáže BMS říci řidiči, jak dlouhý má ještě dojezd. Ale určení míry nabití není zdaleka tak jednoduché, jak by se mohlo zdát. Při vývoji systémů BMS se jedná o jeden z těch komplikovanějších problémů.

Současný stav nabití je definován jako poměr disponibilní kapacity vůči celkové kapacitě baterie a může tedy nabývat hodnot od 100% do 0%. A jelikož se při 'vybíjení' baterie jedná o průtok elektronů, zdálo by se, že je výši nabití či vybití možné pouze změřit. Jenomže na spotřebu má vliv mnoho proměnných, z nichž některé není lehké měřit, mezi ně patří například současná teplota, změna teploty během vybíjení, proudová zátěž a další.

KIA Budoucí Infotainment. Autor: THE SMADE JOURNAL (Licence CC BY 2.0)

Určení té správné hodnoty komplikuje také to, že metody přesného měření jsou buď příliš výpočetně složité anebo nedostatečně přesné, a navíc se parametry celé baterie v průběhu jejího života mění, tj. záleží na stavu jejího "zdraví", jehož určení je ještě komplikovanější.

Jelikož není přesné měření možné či je extrémně nepraktické, zakládá se tak údaj o současném stavu nabití na počítačových bateriových modelech. Jedná se tak sice pouze o odhad, ale kvalifikovaný odhad. V následující kapitole se bateriovým modelům budeme věnovat o něco důkladněji.

3. Určení zdravotního stavu baterie (State of Health)

Zdravotní stav baterie je definován jako poměr současné plné kapacity vůči plné kapacitě baterie při 0 kilometrech. Při zakoupení baterie tedy disponuje 100% zdravím, které se s nabíjecími cykly zhoršuje.

Mnohé studie se shodují, že na stav zdraví baterie má vliv teplota, proud, kterým se baterie nabíjí, a další primární faktory. Nicméně ne všechny procesy probíhající v baterii jsou plně známy a tak neexistují žádné přesné metody určení zdraví baterie. Stejně jako při určování stavu nabití, je potřeba spoléhat se na přibližné počítačové bateriové modely, které berou v úvahu vnitřní odpor, vodivost, míru samovybíjení, kapacitu, přijatou energii při nabíjení, teplotu během používání, věk, počet cyklů, atd.

Zdravotní stav baterií vozů Nissan Leaf. Autor: Flip the Fleet. Zdroj: https://flipthefleet.org/resources/benchmark-your-leaf-before-buying/

Zatím nepanuje přesná shoda mezi jednotlivými výrobci ohledně toho, které proměnné do výpočtů a modelů vstupují, a výzkum a vývoj se těmto tématům dál intenzivně věnuje. Správné určení stavu zdraví baterie je důležité, pro co nejsprávnější určení stavu nabití baterie.

4. Vyrovnávání nabíjení článků

Vyrovnávání nabití a vybití jednotlivých článků je poslední oříšek, který musí každý BMS vyřešit a kterému jsme se zatím dostatečně nevěnovali. Jedná se o jednu ze základních funkcí, které dokáží velmi prodloužit životnost baterie. Stejná míra vybití a nabití je důležitá proto, aby některé bateriové články nebyly přetěžovány a nedošlo k jejich zničení.

Žádné dva bateriové články nikdy nejsou naprosto stejné. Bateriové články, které mají o něco nižší kapacitu se vybíjí rychleji a také se tím rychleji ničí, zatímco kapacita ostatních článků zůstává nevyužitá. Stejně tak při nabíjení pak dojde k tomu, že nejslabší články se nabijí první a u ostatních tím pádem dojde pouze k částečnému nabití.

Vyrovnávání nabití a vybití jednotlivých článků tak výrazně zvyšuje celkovou kapacitu, protože není určena pouze těmi nejslabšími články, ale také zároveň tyto slabší články chrání, díky čemuž nedojde k jejich poničení, zkratu či tepelným únikům, které by mohly způsobit poničení celého battery packu. V části o vývoji BMS se budeme hlouběji věnovat aktivnímu a pasivnímu vyrovnávání a různým typům topologie.

Aktivní a pasivní vyrovnávání. Zdroj: https://www.ionenergy.co/resources/blogs/cell-balancing-battery-life/

5. Záznam a komunikace

V porovnání s dříve zmíněnými funkcemi je záznam a komunikace již poměrně snadnou funkcí. Jelikož je zdravotní stav baterie relativní veličinou, BMS potřebuje uchovávat data o tom, jaké měla baterie vlastnosti na začátku, a dokáže je porovnat s ostatními hodnotami. Umožňuje díky tomu vyhodnocení fungování baterie, ale i její diagnostiku.

Neméně důležitá je pak komunikace mezi BMS a ostatními částmi auta jako je palubní nabíječka či nabíjecí stanice. BMS také zajišťuje, že se řidičovi na jeho displeji ukazuje, jak daleko ještě dojede, či kdy bude potřebovat nabíjet. Je možné se i dostat k zmíněné historii, kterou BMS ukládá a zpracovává.

Vývoj BMS

K tomu, aby každý BMS systém mohl správně splnit své funkce, je k jeho vývoji potřeba překonat několik rébusů. Jak jsme již předeslali, my se zaměříme na dva. Prvním z nich je správné Určení stavu baterie. Jedná se o hodnotu, která je důležitá, jak pro řidiče, tak ale i pro samotný systém a jeho správné řízení.

Druhým je Vyrovnávání nabíjení bateriových článků. Existují v pasivní a aktivní metody a navíc i různé topologie aktivního vyrovnávání, které je potřeba správně navrhnout tak, aby se optimalizovaly vlastnosti BMS.

Stanovení současného stavu nabití (State of Charge)

Stav nabití baterie je pro řidiče zcela zásadní informace. Navíc by využítí baterie by mohlo být výrazně zvýšeno, pokud by bylo možné dostat přesnou hodnotu stavu nabití. Jenomže se jedná o komplikovaný problém. Už jsme si vysvětlili, proč tuto veličinu nelze prostě změřit a proč se musíme spoléhat na kvalifikované odhady. V dnešní době existují tři základní metody odhadu - ampérhodinová metoda, metoda napětí v otevřeném obvodu (open circuit method, či OCV) a metody založené na modelech.

Ampérhodinovou metodu je jednoduché a snadné implementovat. Nicméně aby správně fungovala, potřebuje znát zdraví baterie (které je také jen odhadem) a negativně ji ovlivňují akumulované chyby a chyby měření a po čase se tak stává nepraktickou. Metoda měření napětí v otevřeném obvodu je také považována za přesnou. Ale k tomu, aby bylo možné ji použít, je potřeba, aby byl vůz dlouhou dobu v klidu a tak je těžké ji využít v běžném provozu.

Odhady stavu nabití baterie pomocí různých modelů. Autor: Jack O'Grady. Zdroj: https://www.jackogrady.me/battery-management-system/state-of-charge

Kvůli všem zmíněným nedostatkům jsou tak metody založené na modelech nejčastějším řešením. Používá se jak měření napětí, tak i proudu. Změřený proud se vloží do daného modelu a vypočítá se napětí za použití současných a/nebo minulých hodnot a parametrů. Rozdíl mezi spočítaným a naměřeným napětím se poté vloží do algoritmu, který je schopný chytře aktualizovat odhadovaný stav.

Do budoucna se zkoumá využití inteligentních logaritmů, fuzzy logic, umělých neuronových sítí a dalších možností. Díky své skvělé schopnosti přiblížit se k nelineálním funkcím, dokáží tyto metody dosáhnout velice přesných odhadů, ale učící proces nutný k použití těchto možností je výpočetně náročný a složitý, což ztěžuje jejich použití v potřebných aplikacích.

Počítačové modely baterií

Vytvářet počítačové modely baterií, podle kterých by bylo možné potom vypočítat míru jejich nabití je komplikované, protože se jedná o silně nelineární systém. V zásadě existují dvě možnosti. První jsou elektrochemické modely, které využívají elektrochemických vlastností baterie. A ačkoliv je tato metoda relativně přesná, v praxi je výpočetně komplikovaná a tak se místo toho používá několik ekvivalentních obvodových modelů. Tyto obvodové modely jsou široce používané k odhadu stavu baterie, ale jejich problém je naopak to, že nejsou tolik přesné.

Současný výzkum se zaměřuje především na vyvinutí přesnějších modelů, či na kombinaci těch současných (elektrochemického a obvodového) takovým způsobem, aby nebyly tak výpočetně náročné a bylo možné je reálně použít v elektromobilech.

Vyrovnávání nabití bateriových článků

Na světě neexistují dvě úplně stejné baterie (nebo tedy dva úplně stejné bateriové články). Rozdíly mohou být ve vnitřním odporu, úrovni degradace, kapacity, teploty prostředí, a mnohé další. Tyto nevyhnutelné rozdíly mezi jednotlivými články mohou způsobit mnoho problémů a celková kapacita se kvůli tomu může dramaticky snížit. Tato nerovnováha pak způsobuje přílišné vybití či nabití jednotlivých článků, což je pro baterii nebezpečné a tak má vyrovnávání nabití mezi jednotlivými články zcela prvořadou důležitost, pro udržení výkonnosti a prodloužení života baterie.

Pasivní metody vyrovnávání nabití

Pasivní metoda spočívá v tom, že u článků, které mají více energie než ostatní se pomocí rezistorů tato energie vybije a je rozptýlena jako teplo. Vybitím přebytečné energie u těch plnějších článků dosílím snadno jejich vyrovnání.

Tato metoda ale příliš plýtvá energií a také komplikuje tepelnou kontrolu celé baterie. Navíc v tomto případě pracují pouze příliš nabité baterie a více energie by bylo vybito při vyrovnávání než při jízdě, pokud by se mezi všemi články našel jeden výrazně slabší.

Aktivní metody vyrovnávání nabití

Pro aktivní vyrovnávání se používají aktivní spínací obvody, které jsou schopné převést energii mezi jednotlivými články. Narozdíl od pasivních metod dochází k plýtvání pouze malého množství energie. Ale aby bylo možné tohoto dosáhnout, je potřeba do obvodu zabudovat více komponentů, což vede nejen k vyšší ceně, ale také ke snížení spolehlivosti.

Vyrovnaná a nevyrovnaná baterie. Zdroj: https://www.ionenergy.co/resources/blogs/cell-balancing-better-performance/

K aktivnímu vyrovnávání dochází pomocí různých strategií, které se nazývají topologie, a které berou v úvahu právě cenu, složitost a spolehlivost. Jako vždy je to něco za něco. U nejjednodušších a tím pádem i nejspolehlivějších topologií, může být článek vyrovnávám pouze články, které má vedle sebe, což je nedostatečné, pokud jsou nevyrovnané články dál od sebe.

K efektivnímu propojení všech článků, aby jejich vyrovnávání mohlo být flexibilní, je potřeba příliš součástek a stává se tak nespolehlivou a drahou. Třetí metoda, která umožňuje malý počet součástek a flexibilitu, je příliš pomalá, na to aby byla v praxi efektivní, protože dochází k postupnému vyrovnávání vždy dvou sousedících článků, dokud není docíleno homogenního nabití.

Jelikož se jedná o zcela zásadní funkci BMS, mnoho úsilí je věnováno právě návrhu, co nejefektivnějších topologií a využití nejlepších strategií, jak pasivního tak i aktivního vyrovnávání, za použití co nejmenšího množství součástek. V oblasti vyrovnávání a modelů se tak můžeme na mnoho těšit.

Závěrem

BMS je součást elektromobilů, o které sice neslyšíme mluvit tak často, jako třeba o baterii, ale jeho funkce je zcela nezastupitelná. Je to právě BMS, který chrání baterii před špatným používáním a poškozením, prodlužuje život baterie a zajišťuje, že baterie je vždy připravena k použití.

Každý návrh vždy přináší ale nutnost vyvážit cenu, efektivitu a dlouhověkost každého systému. Jediná veličina, na které se nikdy neslevuje, je bezpečnost. Všechny součástky musí splňovat bezpečnostní normy ISO 26262 a tak každý systém BMS musí být zabezpečený proti jakémukoliv selhání a musí obsahovat redundantní zdroje, jako procesorové jednotky, z nich z nichž každá musí mít vlastní vyhrazená zařízení, jako je paměť a další.

Z hlediska důležitosti a bezpečnosti vozu a posádky, je BMS rozhodně podceňovanou částí elektromobilu a zaslouží si stejnou pozornost, jako samotná baterie (ne-li větší).