عرض BMS’s مع EIS
بالإضافة إلى التكلفة والقلق النطاق وقدرة الشحن السريع ، تعتبر سلامة بطاريات Li-ion (LIBS) عاملاً مهمًا عند النظر في مركبة كهربائية (EV). يمكن أن تكمل حالات استخدام التطبيق العملي لطيفي المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) الخوارزميات التي تعتمد على البيانات (BMS) التي تعتمد على البيانات الحالية (BMS) ، مما يتيح الاستخدام الأفضل لـ LIB الحالي من خلال فهم حدوده بالكامل. يمكن لبيانات اندماج المستشعر ، إلى جانب خوارزميات التعلم المادي والتعلم الآلي وخوارزميات الذكاء الاصطناعي ، أن تزيد من تسريع قبول EVs دون المساس بصحة البطارية والسلامة.
الدقة والمراقبة
يحدث كهربة النقل بوتيرة سريعة بشكل متزايد ، مما يتيح خطوات مهمة نحو إزالة الكربون. كان من الضروري لهذا الانتقال تطور وابتكار LIBS المستمر الذي يعمل على معظم EVs. على الرغم من الفوائد البيئية لهذا الانتقال ، فإن الاعتماد على LIBS يشكل تحديات كبيرة ، مع مخاوف المستخدم النهائي بما في ذلك القلق النطاق والخوف من فشل البطارية ووقت الشحن. يتطلب تسهيل هذه المخاوف القدرة على مراقبة وتنبؤ أداء البطارية بدقة ، بالإضافة إلى الابتكارات في كيمياء الخلايا ، وهياكل النظام وخوارزميات الشحن.
يعد نظام إدارة البطارية أحد العناصر الأساسية التي تساعد على مراقبة معلمات البطارية الحرجة للتشغيل الآمن والفعال لبطارية EV. يوفر الشكل 1 نظرة عامة على المستوى الأعلى لـ BMS مع بعض مكوناته الرئيسية. تتمثل إحدى وظائفها الرئيسية في التأكد من أن كل خلية li-ion داخل حزمة البطارية تعمل في منطقة التشغيل الآمنة (SOA) ، حيث أن العملية خارج الخدمية يمكن أن تؤدي إلى عواقب وخيمة ، بما في ذلك الهرب الحراري.
الهرب الحراري في بطاريات لي أيون
على الرغم من الخدمية الاسمية التي يتم تعريفها على مجموعة من البطاريات الإحصائية ، تعمل كل خلية داخل الحزمة تحت ملف تعريف مهمة مختلفة ، اعتمادًا على السيارة و/أو ملف تعريف القيادة/الشحن. يمكن أن يؤدي الإجهاد المختلفة المطبقة على الخلايا إلى سيناريو يمكن أن يختلف فيه الحالة الداخلية لكل خلية ، بما في ذلك مدى طلاء الليثيوم أو تكسير الإلكترود ، بشكل كبير ، على مستوى حزمة وبين الحزم. وبالتالي ، يتطلب التقدير الدقيق لأداء البطارية والتنبؤ بفشل البطارية طريقة غير جراحية لجمع معلومات حول حالة الخلية في المجهر ، مما يكمل معلمات البطارية المتاحة بالفعل.
الهرب الحراري هو سلسلة من التفاعلات الكيميائية عنيفة من التفاعلات الكيميائية الطاردة التي تؤدي إلى زيادة لا يمكن السيطرة عليها في درجة حرارة النظام. وهذا بدوره يمكن أن يؤدي إلى ظاهرة انتشار والتي ، إن لم يتم التحكم فيها ، تؤدي إلى حريق بطارية.
في بطاريات LI-ion ، يمكن أن يكون النزول الحراري ناتجًا عن تلف ميكانيكي أو حرارة خارجية أو دائرة قصيرة أو شحن مفرط. يتميز الهرب الحراري بتقدم سريع للغاية ويمكن أن يؤدي إلى حريق بطارية أو حتى انفجار ، مما يؤدي في النهاية إلى التدمير الذاتي للبطارية.
مبدأ لهم
EIS هي تقنية قوية لتوصيف الأنظمة الكهروكيميائية ، مثل خلايا li-ion. يلتقط EIS استجابة الخلية على نطاق تردد واسع ، مع ترددات مختلفة ترتبط بالتغيرات الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية المميزة في المادة النشطة. يتطلب النهج الأساسي وجود تيار AC صغير (إشارة الإثارة) يتدفق عبر خلية LI-ion وبالتالي قياس استجابة جهد التيار المتردد. من التيار التيار المتردد والاستجابة الجهد التيار المتردد المقاسة ، يمكن تحديد مقاومة خلية li-ion.
أول حالة استخدام تطبيق محتملة من EIS في EVs هي التنبؤ الحراري لخلايا LI-ion المبكر.
الشكل 1: نظرة عامة على BMS مع مكوناته الرئيسية
وفقًا لمعيار GB 38031-2020 (ساري المفعول من يناير 2021) لجميع EVs التي سيتم بيعها في الصين ، قبل خمس دقائق من الحدوث في مقصورة الركاب بسبب الانتشار الحراري ، كنتيجة للركوب الحراري لبطارية واحدة ، يجب أن توفر حزمة البطارية أو النظام إشارة تحذير للحدث الحراري.
مراقبة درجة حرارة الخلية أمر بالغ الأهمية لسلامة LIB ومتانة. إن وضع مستشعر درجة الحرارة على كل خلية في حزمة البطارية ليس حلاً ممكنًا. علاوة على ذلك ، يتم تثبيت أجهزة استشعار درجة الحرارة عادة على سطح الخلية ، وبالتالي توفر فقط قياسًا غير مباشر لدرجة حرارة الوصلات الداخلية. يمكن أن تمكن EIS من تحقيق ذلك دون استخدام الأجهزة الداخلية أو الخارجية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة فهم الخدمية الخلية ، مما يؤدي إلى تعزيز قابلية الاستخدام لكل خلية داخل الحزمة. لذلك ، قد يسمح الاستخدام الأكثر كفاءة لطاقة الخلية إلى الوصول إلى نفس نطاق القيادة ، ولكن مع وجود خلايا أقل محتملة داخل الحزمة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين تكلفة النظام عن طريق طلب مستشعرات في درجة الحرارة أقل.
تحسن الشحن السريع
حالة استخدام أخرى تتعلق بالشحن. في كثير من الأحيان يضع موردو الخلايا هوامش سلامة صارمة يتعين على خلية LI-ion أن تعمل. يمكن أن يقتصر ذلك على توفير أفضل أداء ممكن ، خاصةً أثناء شحن XEV (أي EVs والمتغيرات).
يوفر EIS مؤشراً عادلًا على معلمات حالة خلية LI-ion واعتمادًا على حالة الخلية ، يمكن تكييف ملف تعريف الشحن السريع أثناء وجوده في محطة شحن.
في التطبيقات الواقعية ، يمكن أن تشمل مقترحات تنفيذ EIS المحتملة ، على سبيل المثال لا الحصر ، ما يلي:
* الإثارة المركزية والقياس المركزي: حزمة البطارية متحمسة بمصدر تيار مركزي ، مثل عاكس الجر. يمكن قياس تيار الإثارة وإسقاط الجهد المقابل بواسطة شريحة مراقبة الخلية والمستشعر الحالي. ثم يقوم MCU بحساب المعاوقة باستخدام الجهد والتيار. يتمتع هذا النهج بميزة إعادة استخدام بيانات المستشعر المتوفرة بالفعل من خلال تكييف الخوارزميات ، ولكن قد يقتصر على أوضاع قيادة محددة.
* الإثارة المحلية والقياس المحلي: كل وحدة خلية فردية داخل الحزمة متحمسة باستخدام دوائر الإثارة المحلية. يمكن قياس انخفاض الجهد المقابل عن طريق الواجهة الأمامية التناظرية ويتم حساب المقتنان محليًا على الرقاقة.
الشكل 2: LIB التخطيطي ، دائرةها المكافئة ومنحنى NYQUIST
من ناحية ، يمكن لهذا النهج على جانب واحد أن ينقذ حمل ناقل الاتصال على MCU ، ولكن على الجانب الآخر قد يأتي بتكلفة أعلى لأنه يتطلب مكونات إضافية لتعديل تيار الإثارة والتوازن بالحرارة.
تنفيذ EIS المقترح
لقياس مقاومة البطارية ، هناك مكونان ضروريان: نظام الإثارة لتحفيز البطارية ونظام الاستحواذ لاكتساب جهد الخلايا والتيار بشكل متزامن. تتم معالجة البيانات التي تم جمعها من خلال MCU المخصصة التي تعمل ككيان BMS ، وتغطي وظائف BMS لتحقيق التوازن بين الأداء والمتانة والتكلفة مع التشخيصات المتقدمة القائمة على EIS.
عن المؤلف
أكشاي ميسرا هو التسويق التقني ، BMS ، stmicroelectronics. مساهمات من فيليبو بوناكورسو وكاوشيك سالفر ، كلاهما stmicroelectronics
