Плата BMS для роботов, предназначенная для мониторинга, балансировки и обеспечения безопасности литиевых батарей.

Платы управления батареями (BMS) роботов управляют аккумуляторными батареями, питающими мобильных роботов, человекоподобных роботов, автономных мобильных роботов (AMR), автоматизированных транспортных средств (AGV), сервисных роботов и другие платформы с батарейным питанием. Они контролируют отдельные ячейки, измеряют температуру и ток, балансируют состояние ячеек, оценивают оставшийся заряд и состояние батареи, а также обеспечивают защиту от небезопасных электрических и тепловых условий.

В этом руководстве рассматриваются решения по выбору печатной платы для систем управления батареями (BMS) с точки зрения отрасли: химический состав ячеек, напряжение блока, точность мониторинга, метод балансировки, защитные слои, изоляция, связь, охват тестирования и производственная документация. BMS — это плата, критически важная для безопасности, поэтому принципы проектирования и производства имеют такое же значение, как и принципиальная схема.

Что на самом деле делают платы управления батареями роботов (BMS)?

Роль в робототехнической системе

Платы управления батареями (BMS) для роботов — это платы, которые управляют литий-ионными аккумуляторными батареями, используемыми в мобильных роботах. Они контролируют напряжение, температуру и ток каждой ячейки; балансируют ячейки для сохранения емкости; защищают от перезаряда, переразряда и короткого замыкания; и передают информацию о состоянии заряда и работоспособности контроллеру робота. Чем отличаются платы BMS для роботов:

• Мониторинг отдельных клеток: Измерение напряжения отдельных ячеек на всем аккумуляторном блоке. Точность влияет на оценку состояния.
• Балансировка ячеек: Выравнивание заряда элементов для сохранения емкости аккумуляторного блока. Пассивное или активное выравнивание заряда зависит от химического состава элементов и размера блока.
• Степень защиты: Многоуровневая защита: аппаратное быстрое срабатывание, встроенное более медленное срабатывание, резервный контроль. Предотвращает повреждение ячеек и инциденты, связанные с безопасностью.
• Оценка состояния: Оценка уровня заряда, состояния работоспособности и оставшейся емкости. Подсчет кулонов плюс оценка на основе напряжения.
• Общение: Подключение к контроллеру робота осуществляется через CAN, SMBus или RS-485. Иногда используются резервные каналы для обеспечения безопасности.
• изоляция: Гальваническая изоляция между стороной аккумулятора и стороной автомобиля часто необходима для обеспечения безопасности.

Риски проектирования, подлежащие контролю

При проектировании BMS также необходимо учитывать старение элементов на протяжении всего срока службы аккумуляторного блока. Новые блоки относительно хорошо сбалансированы; в старых блоках накапливаются различия в характеристиках элементов. BMS должна корректно обрабатывать оба случая, обеспечивая точную оценку состояния и защиту во всем диапазоне старения. Программы, в которых BMS проектируется исключительно с учетом поведения новых блоков, иногда выпускают продукцию, которая ведет себя непоследовательно по мере старения блоков.

Архитектура программного обеспечения BMS имеет такое же значение для всей системы, как и архитектура аппаратного обеспечения. Алгоритмы оценки состояния, автоматы состояний защиты и протоколы связи — все это находится во встроенном программном обеспечении и определяет фактическое поведение BMS. Программы, которые рассматривают BMS как единое целое, объединяя аппаратное и программное обеспечение, создают хорошие системы; программы, которые рассматривают аппаратное и программное обеспечение как отдельные компоненты, иногда создают системы, в которых эти компоненты не согласуются.

На системном уровне печатная плата должна определяться по функциям, условиям эксплуатации, сроку службы и охвату тестирования, а не только по принципиальной схеме. Это предотвращает распространенную ошибку, когда технически корректная печатная плата с трудом крепится, сложно обслуживается или оказывается недостаточно надежной после установки в робота.

Химия клеток и проектирование систем управления батареями

Критерии отбора для проектирования системы управления батареями и анализа клеточной химии

Химический состав ячеек влияет на конструкцию системы управления батареями (BMS). Различные химические составы имеют разные вольт-амперные характеристики, безопасные пределы работы и требования к балансировке. Основные химические составы, используемые в робототехнике, следующие:

• Литий-ионные (NMC, NCA): Высокая плотность энергии; часто встречается у человекоподобных и долгоживущих роботов. Требует точного контроля напряжения.
• Литий-железофосфат (ЛЖФ): Безопаснее, чем NMC; более длительный срок службы. Плоская кривая напряжения затрудняет оценку уровня заряда.
• Титанат лития (LTO): Самый длительный срок службы; самая низкая плотность энергии. Часто используется в промышленных условиях с интенсивным циклом работы.
• Твердотельный: Новая химическая технология с различными требованиями к системам управления батареями. Пока еще не получила широкого распространения в производственной робототехнике.

Как химический состав ячеек и конструкция системы управления батареями влияют на стоимость и надежность.

Выбор химического состава зависит от требований к применению, включая плотность энергии, срок службы, безопасность и стоимость. Единого оптимального химического состава не существует; правильный выбор зависит от того, какие факторы наиболее важны для конкретного робота. Программы, которые оценивают химический состав на основе реальных требований к применению, дают хорошие результаты; программы, которые выбирают химический состав по умолчанию, иногда дают неоптимальные результаты.

Выбор элементов в рамках химического состава также влияет на конструкцию системы управления батареей (BMS). Разные производители элементов используют разные кривые напряжения, профили старения и характеристики безопасности. Программы, которые квалифицируют конкретные элементы на этапе проектирования, создают системы, настроенные под эти элементы; программы, которые впоследствии заменяют элементы, иногда обнаруживают, что параметры BMS нуждаются в повторной настройке.

Практическое правило заключается в выборе простейшей конструкции, которая при этом отвечает требованиям к передаче сигналов, безопасности, тепловым характеристикам и механическим свойствам. Избыточные характеристики увеличивают стоимость, а недостаточные — приводят к необходимости доработок во время испытаний или эксплуатации в полевых условиях.

При планировании каналов измерения напряжения, температуры и тока элементов питания следует учитывать базовую конфигурацию печатной платы управления батареей и схему распределения питания робота .

Мониторинг напряжения, температуры и тока

Электрические и тепловые требования

Мониторинг напряжения и температуры является основой работы системы управления батареей (BMS). Основные моменты, которые следует учитывать:

• Напряжение на одну ячейку: Точность обычно составляет ±5 мВ или лучше. Стандартные микросхемы BMS поддерживают от 12 до 16 ячеек на чипе.
• Складывание клеток: Несколько микросхем BMS, установленных друг на друга для создания более крупных блоков. Связь между блоками осуществляется через изоляцию.
• Температура в каждой ячейке: Датчики NTC или IC распределены по всему блоку. Температура элемента влияет как на безопасность, так и на срок службы.
• Измерение тока: Шунтирование или эффект Холла на клеммах блока. Двунаправленное измерение поддерживает как зарядку, так и разрядку.
• Ориентир на местности: Изолированное заземление со стороны батареи; заземление робота отделено. Изоляция обеспечивает безопасность.

Производственные испытания и виды отказов

Точность измерения тока напрямую влияет на качество оценки состояния заряда посредством подсчета кулонов. При измерении тока с погрешностью в 1% за цикл накапливается 1% ошибки оценки состояния заряда; за сотни циклов этот дрейф может стать существенным. Программы, которые задают точность измерения тока относительно частоты сброса подсчета кулонов, сохраняют точность оценки состояния заряда; программы, которые задают точность отдельно, иногда получают дрейф в оценке состояния заряда.

Распределение температуры по всему блоку имеет значение, поскольку температура элементов питания меняется в зависимости от их положения. Элементы питания в центре блока могут нагреваться сильнее, чем элементы питания по краям; измерение температуры только в одной точке не позволяет выявить это изменение. Программы, измеряющие температуру в нескольких точках, обнаруживают проблемы с температурой, которые невозможно обнаружить при измерении в одной точке.

Балансировка клеток: пассивный, активный, синхронный методы.

Ключевые конструктивные решения для балансировки клеток

Балансировка элементов сохраняет емкость аккумуляторного блока за счет выравнивания состояний заряда элементов. Основные методы балансировки:

• Пассивная балансировка: Резисторы разряжают элементы с более высоким уровнем заряда. Простое решение, но оно приводит к потере энергии в виде тепла.
• Активная балансировка: Передача энергии от ячеек с более высоким уровнем заряда к ячейкам с более низким уровнем заряда. Более эффективно, но более сложно.
• Частота балансировки: Непрерывно во время зарядки; иногда во время разрядки или в состоянии покоя. Зависит от размера аккумуляторного блока и типа элементов.
• Балансирующий ток: Обычно 50-500 мА на ячейку. Время балансировки равно дисбалансу, деленному на ток.
• Управление температурным режимом: Балансировка теплоотдачи осуществляется непосредственно на плате BMS. Для отвода тепла используется массивная медная изоляция и продуманная тепловая конструкция.

Вопросы производства и надежности

Стратегия балансировки влияет как на использование емкости аккумуляторного блока, так и на сложность системы управления батареей (BMS). Агрессивная балансировка во время зарядки максимизирует емкость, но увеличивает сложность BMS; консервативная балансировка упрощает BMS, но оставляет часть емкости неиспользованной. Компромисс зависит от того, насколько точно необходимо балансировать элементы для конкретного применения.

Для эффективного отвода тепла при балансировке необходимо уделить внимание тепловому проектированию самой платы BMS. Аккумулятор с большим током балансировки должен отводить тепло, выделяемое при балансировке; как правило, это означает использование большого количества меди и массивов тепловых переходных отверстий на плате BMS. Программы, которые планируют управление тепловым режимом при балансировке, получают платы, которые выдерживают непрерывную балансировку; программы, которые этого не делают, иногда сталкиваются с проблемами перегрева BMS во время интенсивной балансировки.

Архитектура защиты: уровни и время отклика

Выбор архитектурных решений для защиты

Архитектура защиты предотвращает повреждение ячеек и инциденты, связанные с безопасностью. Многоуровневая защита с различным временем отклика охватывает различные категории неисправностей. Основные уровни защиты:

• Аппаратная быстрая передача данных: Дискретный компаратор или микросхема защиты, реагирующая за микросекунды. Обрабатывает короткие замыкания и замыкания на землю.
• Защита микросхемы BMS: Встроенная защита, срабатывающая за миллисекунды. Предотвращает перегрузки по току и перенапряжение.
• Защита прошивки: Программное обеспечение для мониторинга реагирует за десятки миллисекунд. Обрабатывает постепенно возникающие сбои.
• Избыточный контроль: независимый второй канал защиты. Стандартная функция для критически важных систем.
• Разъединитель на основе контактора или полевого транзистора: Физическое отключение батареи при неисправности. В небольших батареях используются полевые транзисторы (FET), в больших — контакторы.
• Защита на клеточном уровне: Встроенные CID или PTC в сами клетки. Последняя линия защиты внутри каждой клетки.

Требования к проверке архитектуры защиты

Компромисс между временем срабатывания защиты и реагированием на реальные неисправности заключается в балансе между отклонением ложных срабатываний и реагированием на них. Более быстрое срабатывание обнаруживает более быстрые неисправности, но отклоняет меньше ложных срабатываний; более медленное срабатывание более избирательно, но медленнее реагирует на реальные неисправности. Программы настраивают этот компромисс в зависимости от конкретного поведения блока и требований приложения.

Резервные каналы защиты предотвращают возникновение аварийных ситуаций, связанных с безопасностью блока, из-за отказов отдельных элементов системы управления батареей (BMS). Блок с вышедшей из строя BMS не должен переходить в опасное состояние; резервная защита, срабатывающая при различных категориях неисправностей по разным путям, обеспечивает безопасность при отказах BMS. Стандартная функция для критически важных приложений.

Оценка состояния заряда и состояния здоровья

Ключевые проектные решения для оценки уровня заряда и состояния системы.

Оценка уровня заряда и состояния работоспособности объединяет несколько режимов измерения. Основные подходы к оценке следующие:

• Кулоновский счет: Интегрирование тока по времени. Требует точного измерения тока и периодической перекалибровки.
• На основе напряжения: Определение состояния заряда (SoC) на основе анализа напряжения разомкнутой цепи. Точно в состоянии покоя, но требует модели химического состава ячейки.
• На основе модели: Расширенный фильтр Калмана, объединяющий напряжение и ток с моделью ячейки. Более высокая точность в различных условиях эксплуатации.
• Оценка SoH: Отслеживание снижения емкости в течение циклов. Требует долговременного наблюдения и эталонных измерений.
• Отслеживание импеданса: Оценка внутреннего сопротивления. Коррелирует с SoH и позволяет снижать номинальные характеристики в зависимости от возраста.

Вопросы производства и надежности

Подход к оценке состояния заряда (SoC) зависит от вольт-амперной характеристики ячейки. Для ячеек с четко выраженной зависимостью напряжения от SoC (NMC, NCA) возможна прямая оценка на основе напряжения; для ячеек с плоскими кривыми (LFP) требуется оценка на основе подсчета кулонов с периодическими эталонными измерениями. Подход к оценке соответствует типу ячейки.

Для оценки состояния здоровья (SoH) требуется длительное наблюдение за поведением аккумуляторного блока. Прямое измерение требует эталонного тестирования разряда, что нецелесообразно при нормальной эксплуатации; косвенная оценка с помощью отслеживания сопротивления, отслеживания снижения емкости или подсчета циклов дает полезные приближения. Программы, включающие мониторинг состояния здоровья с помощью приборов, позволяют осуществлять упреждающую замену; программы, которые этого не делают, иногда сталкиваются с неожиданными отказами по истечении срока службы.

Для принятия решений по смежным вопросам см. руководство по архитектуре печатной платы распределения питания робота и руководство по питанию от батареи печатной платы робота AMR и AGV.

При сборке серийных образцов записи BMS должны быть связаны с тем же рабочим процессом обработки тестовых данных, который используется для интерфейсов безопасности, а также с электронным блоком AMR или AGV, если этот блок используется в мобильных роботах.

Производство печатных плат BMS на заводе Highleap

Проверка DFM перед началом производства

Компания Highleap производит платы управления батареями (BMS), отвечающие специфическим требованиям, предъявляемым к платам управления питанием, имеющим критически важное значение для безопасности. К таким особенностям относятся:

• Отдельно стоящая постройка: Гальваническая изоляция между стороной с батареей и стороной с автомобилем. Конструкция предусматривает наличие изоляционных барьеров.
• Тяжелая медь: Для сильноточных клеммных блоков. Часто встречаются смешанные конфигурации.
• Точность измерения: Правильное размещение компонентов и точность сборки обеспечивают точность измерения напряжения.
• Квалификация защитных компонентов: Особое внимание следует уделить компонентам, обеспечивающим защиту.
• Функциональный тест: Имитация напряжения аккумуляторной батареи и проверка результатов измерения тока в ходе производственных испытаний.
• Поддержка сертификации: Производственные документы, подтверждающие соответствие стандартам UL 2580, IEC 62619 и аналогичным сертификатам, касающимся батарей.

Передача результатов тестирования, отслеживаемости и сборки

Производственный комплекс BMS компании Highleap выпускает системы самого разного типа: от небольших комплектов для бытовых сервисных роботов до комплектов для промышленных мобильных роботов и специализированных решений. В процессе производства особое внимание уделяется изоляционным барьерам, квалификации защитных компонентов и калибровке.

Документация, подтверждающая безопасность производства плат BMS, обычно включает проверку защитных цепей для каждого блока, тестирование изоляции для каждого блока и производственные технологические записи, подтверждающие заявки на сертификацию от заказчика. Программы, разрабатывающие пакеты, связанные с безопасностью, получают эту документацию в рамках стандартного производственного процесса.

Часто задаваемые вопросы о печатной плате BMS робота

Что такое плата управления системой управления роботом (BMS PCB)?

Плата управления батареей (BMS) робота — это плата управления батареей, которая контролирует напряжение, температуру и ток элементов; управляет пределами заряда и разряда; балансирует элементы; оценивает уровень заряда и состояние батареи; и передает информацию о состоянии батареи роботу. Она защищает как аккумуляторный блок, так и робота от небезопасных условий эксплуатации.

Как химический состав клеток влияет на конструкцию системы управления батареями (BMS)?

Химический состав элементов влияет на предельные значения напряжения, температурные ограничения, стратегию балансировки, оценку состояния заряда и пороговые значения защиты. В батареях NMC и NCA акцент делается на плотность энергии и тщательный контроль напряжения. Батареи LFP обеспечивают преимущества в плане безопасности и срока службы, но имеют более пологую кривую напряжения. Батареи LTO выдерживают большое количество циклов, но требуют других предположений при оценке.

В чём разница между пассивной и активной балансировкой?

Пассивная балансировка отводит избыточную энергию от высоковольтных элементов в виде тепла, обычно через резисторы. Это простой и распространенный метод. Активная балансировка перераспределяет энергию между элементами или модулями, повышая эффективность в более крупных батареях, но увеличивая стоимость и сложность. Наилучший метод зависит от размера батареи, разновидностей элементов, целевого времени работы и ожидаемого срока службы.

Почему изоляция BMS важна в роботах?

Изоляция отделяет цепи высоковольтных батарей от низковольтной управляющей электроники и интерфейсов связи. Она защищает пользователей, технических специалистов и последующую электронику от энергии неисправностей и перепадов напряжения. Изоляция особенно важна для высоковольтных батарей, роботов с внешними интерфейсами зарядки и систем, где данные о батарее передаются в зону безопасности или управления.

Как определяется уровень заряда батарей роботов?

Уровень заряда обычно оценивают с помощью подсчета кулонов, моделирования напряжения холостого хода, температурной компенсации и истории работы аккумуляторного блока. Точная оценка также учитывает старение элементов, точность датчика тока и профиль нагрузки. Роботам необходимы надежные оценки, поскольку они должны вернуться к зарядке до того, как уровень заряда достигнет опасного или вредного состояния.

Какие функции защиты должна включать в себя система управления батареей робота (BMS)?

Система управления батареей (BMS) робота должна обеспечивать защиту от перенапряжения, пониженного напряжения, перегрузки по току, короткого замыкания, перегрева, пониженной температуры во время зарядки, сбоев связи и внутренних ошибок измерений. В критически важных с точки зрения безопасности системах часто используется многоуровневая защита: быстрая реакция оборудования, контроль со стороны встроенного программного обеспечения, резервное измерение температуры и определенное безопасное состояние при обнаружении неопределенности.

Как следует тестировать печатные платы BMS в процессе производства?

В ходе производственных испытаний необходимо проверить точность измерения напряжения, температурные входы, датчики тока, балансировочные цепи, пороговые значения защиты, изоляцию (где это применимо), связь, программирование встроенного ПО и реакцию на неисправности. Результаты испытаний следует регистрировать по серийному номеру, поскольку проблемы с аккумуляторной системой могут потребовать отслеживания на протяжении всего срока службы блока.

Какая информация необходима перед изготовлением печатной платы системы управления роботом (BMS)?

Полный комплект должен включать в себя напряжение батареи, количество элементов, химический состав, ограничения тока, профиль заряда, карту термодатчиков, пороговые значения защиты, протокол связи, распиновку разъема, инструкции по прошивке, требования к тестированию и ожидаемые требования к документации. Платы BMS тесно связаны с конструкцией батареи, поэтому информация об элементах и ​​жгутах проводов должна быть предоставлена ​​на раннем этапе.

Отправьте файлы печатной платы BMS робота для проверки DFM и защиты.