Роботизована плата BMS для моніторингу, балансування та безпеки літієвих акумуляторів

Друковані плати роботів BMS керують акумуляторними блоками, які живлять мобільних роботів, гуманоїдів, автоматичних моторних транспортних засобів (AMR), автоматичних транспортних засобів для транспортування автомобілів (AGV), сервісних роботів та інших платформ, що працюють на акумуляторах. Вони контролюють окремі елементи, вимірюють температуру та струм, балансують стан елементів, оцінюють залишковий заряд та стан акумулятора, а також забезпечують захист від небезпечних електричних та теплових умов.

У цьому посібнику пояснюються рішення щодо друкованих плат BMS з точки зору галузі: хімічний склад елементів, напруга в упаковці, точність моніторингу, метод балансування, захисні шари, ізоляція, зв'язок, охоплення тестами та виробнича документація. BMS – це плата, критично важлива для безпеки, тому проектування та виробнича дисципліна мають таке ж значення, як і схема.

Що насправді роблять друковані плати роботів BMS

Роль у робототехнічній системі

Друковані плати BMS роботів — плати системи керування акумуляторами — керують літій-іонними акумуляторними блоками, що використовуються в мобільних роботах. Вони контролюють напругу, температуру та струм на кожній комірці; балансують елементи для збереження ємності; захищають від перезаряджання, перерозряджання та короткого замикання; а також повідомляють про стан заряджання та справність керівнику робота. Що відрізняє плати BMS роботів:

• Моніторинг кожної комірки: вимірювання напруги окремих елементів акумуляторної батареї. Точність впливає на оцінку стану.
• Баланс клітини: Вирівнювання стану заряду елементів для збереження ємності акумуляторної батареї. Пасивне або активне балансування залежно від хімічного складу елементів та розміру акумуляторної батареї.
• Захист: багаторівневий захист: швидке спрацьовування апаратного забезпечення, повільніше спрацьовування прошивки, резервний контроль. Запобігає пошкодженню елементів та інцидентам безпеки.
• Оцінка стану: оцінка стану заряду, стану справності та залишкової ємності. Кулонівський підрахунок плюс оцінка на основі напруги.
• Спілкування: CAN, SMBus або RS-485 до системи керування роботом. Іноді резервні канали для безпеки.
• Ізоляція: Гальванічна розв'язка між стороною акумулятора та стороною транспортного засобу часто потрібна для безпеки.

Ризики проектування, які потрібно контролювати

Конструкція BMS також повинна враховувати старіння елементів протягом терміну служби акумулятора. Нові акумулятори відносно добре збалансовані; старі акумулятори мають накопичені варіації елементів. BMS повинна правильно обробляти обидва випадки — забезпечуючи точну оцінку стану та захист протягом усього діапазону старіння. Програми, які розробляють BMS виключно з урахуванням поведінки нових акумуляторів, іноді постачають продукти, які поводяться непослідовно з віком акумуляторів.

Архітектура програмного забезпечення BMS має таке ж значення, як і архітектура апаратного забезпечення для всієї системи. Алгоритми оцінки стану, автомати станів захисту та протоколи зв'язку знаходяться в мікропрограмі та визначають, як BMS фактично поводиться. Програми, які розглядають BMS як апаратне забезпечення та мікропрограмне забезпечення разом, створюють хороші системи; програми, які розглядають апаратне та мікропрограмне забезпечення як окремі аспекти, іноді створюють системи, де частини не узгоджуються.

На системному рівні плата повинна визначатися за функцією, середовищем, терміном служби та обсягом тестування, а не лише за схемою. Це запобігає поширеній помилці створення технічно правильної друкованої плати, яку важко кріпити, важко обслуговувати або вона недостатньо міцна після встановлення в робота.

Хімія клітин та проектування BMS

Критерії вибору для клітинної хімії та проектування BMS

Хімічний склад комірок впливає на конструкцію BMS. Різні хімічні склади мають різні криві напруги, безпечні робочі межі та вимоги до балансування. Основні хімічні склади, що використовуються в робототехніці:

• Літій-іонний (NMC, NCA): висока щільність енергії; поширений серед гуманоїдних та довготривалих роботів. Потребує точного контролю напруги.
• Літій-залізофосфат (ЛЗФ): безпечніший, ніж NMC; довший термін служби. Плоска крива напруги ускладнює оцінку SoC.
• Титанат літію (LTO): найдовший термін служби циклу; найнижча щільність енергії. Поширений у промислових застосуваннях з інтенсивним циклом.
• Твердотільний: Нова хімія з різними вимогами до BMS. Ще не поширена у виробничій робототехніці.

Як хімія клітин та конструкція BMS впливають на вартість та надійність

Вибір хімічного складу залежить від вимог застосування, включаючи щільність енергії, термін служби, безпеку та вартість. Не існує єдиного найкращого хімічного складу; правильний вибір залежить від того, які фактори є найважливішими для конкретного робота. Програми, які оцінюють хімічний склад відповідно до фактичних вимог застосування, забезпечують хороші збіги; програми, які вибирають хімічний склад за замовчуванням, іноді отримують неоптимальні результати.

Вибір комірок у межах хімічного складу також впливає на конструкцію BMS. Різні виробники комірок мають різні криві напруги, профілі старіння та поведінку безпеки. Програми, які кваліфікують певні комірки під час проектування, створюють системи, налаштовані на ці комірки; програми, які замінюють комірки пізніше, іноді виявляють, що параметри BMS потребують повторного налаштування.

Практичне правило полягає в тому, щоб вибрати найпростішу конструкцію, яка все ще відповідає вимогам щодо сигналу, безпеки, теплових та механічних характеристик. Надмірні специфікації збільшують вартість, тоді як недостатні специфікації призводять до переробки під час випробувань або польового розгортання.

Канали напруги, температури та струму елементів слід планувати з урахуванням базової плати керування батареєю та етапу розподілу живлення робота .

Моніторинг напруги, температури та струму

Електричні та теплові вимоги

Моніторинг напруги та температури є основою датчиків BMS. Основні міркування:

• Напруга на комірку: точність зазвичай ±5 мВ або краще. Стандартні мікросхеми BMS підтримують 12-16 елементів на кристал.
• Укладання клітин: кілька ІС BMS, об'єднаних у стек для створення більших пакетів. Зв'язок між стеками через ізоляцію.
• Температура на коміркову ділянку: Датчики NTC або на основі IC, розподілені по всій упаковці. Температура елементів впливає як на безпеку, так і на термін служби.
• Зчитування струму: шунт або ефект Холла на клемах акумулятора. Двонаправлене зондування підтримує як заряд, так і розряд.
• Наземний орієнтир: ізольоване заземлення з боку акумулятора; заземлення робота розділене. Ізоляція забезпечує безпеку.

Виробничі випробування та режими відмови

Точність вимірювання струму безпосередньо впливає на якість оцінки стану заряду за допомогою кулонівського підрахунку. Вимірювання струму з похибкою 1% накопичує похибку SoC на 1% за цикл; протягом сотень циклів цей дрейф може стати значним. Програми, які визначають точність вимірювання струму відносно частоти скидання кулонівського підрахунку, зберігають точність SoC; програми, які визначають точність окремо, іноді отримують дрейф оцінки SoC.

Розподіл вимірювань температури по всій упаковці має значення, оскільки температура комірок змінюється залежно від положення. Комірки в центрі упаковки можуть нагріватися сильніше, ніж комірки по краях; вимірювання температури лише в одному місці не враховує цю зміну. ​​Програми, які вимірюють температуру в кількох точках, виявляють теплові проблеми, які пропустило б вимірювання в одній точці.

Балансування комірок: пасивне, активне, часове

Ключові варіанти дизайну для балансування комірок

Балансування комірок зберігає ємність батареї, вирівнюючи стани заряду комірок. Основні підходи до балансування:

• Пасивне балансування: Резистори розряджають елементи SoC з вищим ступенем заряду. Простий спосіб, але енергія витрачається у вигляді тепла.
• Активне балансування: енергія, що передається від елементів SoC з вищим рівнем до SoC з нижчим. Більш ефективний, але складніший.
• Частота балансування: безперервний під час заряджання; іноді під час розряджання або відпочинку. Залежить від розміру акумулятора та типу елемента живлення.
• балансувальний струм: зазвичай 50-500 мА на елемент. Час балансування дорівнює дисбалансу, поділеному на струм.
• Теплове управління: балансування розсіювання на самій платі BMS. Важка мідь та термоконструкція забезпечують тепловіддачу.

Міркування щодо виробництва та надійності

Стратегія балансування впливає як на використання ємності акумулятора, так і на складність BMS. Агресивне балансування під час заряджання максимізує ємність, але додає складності BMS; консервативне балансування спрощує BMS, але залишає частину ємності невикористаною. Компроміс залежить від того, наскільки щільно потрібно збалансувати елементи для конкретного застосування.

Балансування розсіювання на самій платі BMS вимагає уваги до теплового проектування. Блок зі значним струмом балансування повинен кудись відводити балансуюче тепло; зазвичай це означає використання важкої міді та теплові перехідні масиви на платі BMS. Програми, які планують балансування теплового управління, отримують плати, які витримують безперервне балансування; програми, які іноді не стикаються з тепловими проблемами BMS під час інтенсивного балансування.

Архітектура захисту: шари та час відгуку

Вибір архітектури для архітектури захисту

Архітектура захисту запобігає пошкодженню комірок та інцидентам безпеки. Кілька рівнів захисту з різним часом реагування охоплюють різні категорії несправностей. Основні рівні захисту:

• Швидке перемикання між апаратним забезпеченням: Дискретний компаратор або захисна мікросхема реагує за мікросекунди. Обробляє короткі замикання та короткі замикання через глухе замикання.
• Захист ІС BMS: вбудований захист реагує за мілісекунди. Справляється з перевантаженням по струму та перенапругою.
• Захист прошивки: Програмний контроль реагує за десятки мілісекунд. Обробляє поступові збої.
• Надмірний нагляд: Незалежний другий канал захисту. Стандарт для застосувань, критично важливих для безпеки.
• Розмикання контактора або польового транзистора: фізичне відключення акумулятора у разі несправності. Польові транзистори стандартні для менших блоків; контактори для більших.
• Захист на клітинному рівні: інтегрований CID або PTC у самих комірках. Остання лінія захисту в кожній комірці.

Вимоги до перевірки архітектури захисту

Компроміси часу реагування захисту балансують між відхиленням помилкових спрацьовувань та реагуванням на реальні несправності. Швидша реакція виявляє швидші несправності, але відхиляє менше хибнопозитивних сигналів; повільніша реакція є більш вибірковою, але повільніше реагує на реальні несправності. Програми налаштовують компроміс на основі поведінки конкретного акумулятора та вимог застосування.

Резервні канали захисту запобігають тому, щоб відмови окремих точкових систем управління будівлею (BMS) спричиняли інциденти безпеки блоків. Блок з несправною BMS все одно не повинен переходити в небезпечний стан; резервний захист, що відповідає різним категоріям несправностей через різні шляхи, зберігає безпеку під час збоїв BMS. Стандарт для критично важливих для безпеки застосувань.

Оцінка стану заряду та стану здоров'я

Ключові варіанти проектування для оцінки стану заряду та стану справності

Оцінка стану заряду та стану здоров'я поєднує кілька режимів вимірювання. Основні підходи до оцінки:

• Кулонівський підрахунок: інтегрування струму з плином часу. Потрібне точне вимірювання струму та періодичне калібрування.
• На основі напруги: SoC на основі пошуку напруги холостого ходу. Точний у стані спокою, але вимагає моделі хімічного складу елемента.
• На основі моделі: Розширений фільтр Калмана, що поєднує напругу та струм з моделлю комірки. Вища точність за різних робочих умов.
• Оцінка стану здоров'я (SoH): відстеження згасання ємності протягом циклів. Потрібні тривалі спостереження та опорні вимірювання.
• Відстеження імпедансу: Оцінка внутрішнього опору. Корелює з рівнем міцності на нуль (SoH) та дозволяє знижувати номінальні характеристики залежно від віку.

Міркування щодо виробництва та надійності

Підхід до оцінки SoC залежить від кривої напруги хімічного складу елемента. Хімічні склади з чіткими залежностями напруги від SoC (NMC, NCA) дозволяють пряму оцінку на основі напруги; хімічні склади з плоскими кривими (LFP) потребують оцінки на основі кулонівського підрахунку з періодичними опорними вимірюваннями. Підхід до оцінки відповідає хімічному складу.

Оцінка стану заряду (SoH) вимагає тривалого спостереження за поведінкою акумуляторної батареї. Пряме вимірювання вимагає випробування еталонного розряду, що непрактично під час нормальної роботи; непряма оцінка за допомогою відстеження опору, відстеження спаду ємності або підрахунку циклів забезпечує корисне наближення. Програми, що використовують відстеження SoH, дозволяють проводити проактивну заміну; програми, які іноді не стикаються з неочікуваними збоями наприкінці терміну служби.

Щодо суміжних проектних рішень див. посібник з архітектури друкованої плати розподілу живлення робота та посібник з живлення від акумуляторів друкованих плат роботів AMR та AGV.

Для виробничих збірок записи BMS повинні підключатися до того ж робочого процесу тестових даних , що використовується для інтерфейсів безпеки, та до пакету електроніки AMR або AGV, коли пакет використовується в мобільних роботах.

Виробництво друкованих плат BMS у Highleap

Огляд DFM перед виробництвом

Highleap виробляє плати BMS з урахуванням потреб специфічних силових плат, критично важливих для безпеки. Конкретні можливості включають:

• Ізольована конструкція: гальванічна розв'язка між стороною акумулятора та стороною транспортного засобу. Схема підтримує ізоляційні бар'єри.
• Важка мідь: для сильнострумових клемних блоків. Змішані стеки поширені.
• Точність вимірювання: розміщення компонентів та дисципліна складання, що зберігає точність вимірювання напруги.
• Кваліфікація компонента захисту: особливу увагу приділяти компонентам, що забезпечують безпеку.
• Функціональний тест: моделювання напруги акумулятора та перевірка вимірювання струму під час виробничих випробувань.
• Підтримка сертифікації: виробничі докази, що підтверджують відповідність UL 2580, IEC 62619 та аналогічним сертифікатам, пов'язаним з акумуляторами.

Тестування, відстеження та передача збірки

Виробництво систем управління будівництвом (BMS) компанії Highleap охоплює широкий спектр систем, від невеликих робототехнічних установок для обслуговування споживачів до промислових мобільних робототехнічних установок та установок для спеціалізованого застосування. Дисципліна виробничого процесу включає увагу до ізоляційних бар'єрів, кваліфікації захисних компонентів та калібрування під час виробництва.

Виробничі докази, пов'язані з безпекою, для плат BMS зазвичай включають перевірку кожного блоку схеми захисту, випробування ізоляції кожного блоку та записи виробничого процесу, що підтверджують подання заявок на сертифікацію замовниками. Програми, що створюють пакети, пов'язані з безпекою, отримують цю документацію як частину стандартної виробничої продукції.

Найчастіші питання щодо друкованих плат роботів BMS

Що таке друкована плата BMS робота?

Плата керування акумулятором робота BMS — це плата керування акумулятором, яка контролює напругу, температуру та струм елементів; контролює межі заряду та розряду; балансує елементи; оцінює стан заряду та справності; а також передає стан акумулятора роботу. Вона захищає як акумуляторний блок, так і робота від небезпечних умов експлуатації.

Як хімія клітин впливає на дизайн BMS?

Хімічний склад елементів впливає на обмеження напруги, обмеження температури, стратегію балансування, оцінку стану заряду та пороги захисту. Батарейки NMC та NCA наголошують на щільності енергії та ретельному контролі напруги. Батарейки LFP пропонують переваги безпеки та терміну служби, але мають більш пологішу криву напруги. Батарейки LTO витримують велику кількість циклів, але потребують інших припущень щодо оцінки.

Яка різниця між пасивним та активним балансуванням?

Пасивне балансування видаляє надлишкову енергію з високовольтних елементів у вигляді тепла, зазвичай за допомогою резисторів. Це простий і поширений процес. Активне балансування передає енергію між елементами або модулями, підвищуючи ефективність більших батарей, але збільшуючи вартість і складність. Найкращий метод залежить від розміру батареї, варіації елементів, цільового часу роботи та очікуваного терміну служби.

Чому ізоляція BMS важлива в роботах?

Ізоляція відокремлює високоенергетичні ланцюги акумуляторів від низьковольтної керуючої електроніки та комунікаційних інтерфейсів. Вона захищає користувачів, техніків та електроніку, що знаходиться нижче за течією, від перепадів енергії та напруги, що виникають внаслідок несправності. Ізоляція особливо важлива для високовольтних блоків живлення, роботів із зовнішніми інтерфейсами заряджання та систем, де дані акумуляторів перетинаються в області безпеки або керування.

Як оцінюється стан заряду акумуляторів роботів?

Стан заряду зазвичай оцінюється за допомогою кулонівського підрахунку, моделювання напруги холостого ходу, температурної компенсації та історії акумулятора. Хороша оцінка також враховує старіння елементів, точність датчика струму та профіль навантаження. Роботам потрібні надійні оцінки, оскільки вони повинні повернутися до заряджання, перш ніж акумулятор досягне шкідливого або небезпечного низького стану.

Які захисні функції повинна включати робот BMS?

Роботизована система управління будівлею (BMS) повинна захищати від перенапруги, зниженої напруги, перевантаження по струму, короткого замикання, перегріву, перегріву під час заряджання, збою зв'язку та внутрішніх помилок вимірювання. Системи, критично важливі для безпеки, часто використовують багаторівневий захист: швидку реакцію обладнання, контроль мікропрограмного забезпечення, резервне вимірювання температури та визначений безпечний стан у разі виявлення невизначеності.

Як слід тестувати друковані плати BMS під час виробництва?

Виробниче випробування має перевірити точність вимірювання напруги, температурні входи, вимірювання струму, схеми балансування, пороги захисту, ізоляцію, де це можливо, зв'язок, програмування прошивки та реакції на несправності. Результати випробування повинні бути записані за серійним номером, оскільки проблеми з акумуляторною системою можуть потребувати відстеження протягом усього терміну служби акумуляторної батареї.

Яка інформація потрібна перед виготовленням друкованої плати робота BMS?

Повний комплект повинен включати напругу батареї, кількість елементів, хімічний склад, обмеження струму, профіль заряду, карту теплового датчика, пороги захисту, протокол зв'язку, розташування роз'ємів, інструкції з прошивки, вимоги до тестування та очікувану документацію. Плати BMS тісно пов'язані з конструкцією батареї, тому інформацію про елементи та джгут проводів слід надавати заздалегідь.

Надсилайте файли друкованої плати BMS робота для перевірки DFM та захисту