- Mengapa kita membutuhkan Sistem Manajemen Baterai (BMS)?
- Pertimbangan Desain Sistem Manajemen Baterai (BMS)
- Building Block dari BMS
- Akuisisi Data BMS
- Multiplexed Analog Front End (AFE) untuk Pengukuran Suhu dan Tegangan Sel
- Estimasi status baterai
Pada 7 th Januari 2013, sebuah pesawat Boeing 787 diparkir untuk pemeliharaan, selama bahwa api diperhatikan mekanik dan asap yang berasal dari unit daya Auxiliary (Lithium baterai Pack) dari penerbangan, yang digunakan untuk daya sistem penerbangan elektronik. Upaya yang diambil untuk menempatkan api off, tetapi 10 hari kemudian sebelum masalah ini bisa diselesaikan, pada 16 th Januari kegagalan baterai lain terjadi dalam penerbangan 787 yang dioperasikan oleh All Nippon Airways yang menyebabkan pendaratan darurat di bandara Jepang. Dua kegagalan baterai yang sering menyebabkan bencana ini membuat penerbangan Boeing 787 Dreamliners di-ground-kan tanpa batas waktu yang menodai reputasi pabrikan yang menyebabkan kerugian finansial yang luar biasa.
Setelah serangkaian penyelidikan bersama oleh AS dan Jepang, Paket baterai Lithium B-787 menjalani CT scan dan mengungkapkan bahwa salah satu dari delapan sel Li-ion rusak menyebabkan korsleting yang memicu pelarian termal dengan api. Kejadian ini dapat dengan mudah dihindari jika sistem manajemen Baterai dari kemasan baterai Li-ion dirancang untuk mendeteksi / mencegah korsleting. Setelah beberapa perubahan desain dan peraturan keselamatan, B-787 mulai terbang lagi, tetapi insiden itu tetap sebagai bukti untuk membuktikan betapa berbahayanya baterai lithium jika tidak ditangani dengan benar.
Maju cepat 15 tahun, hari ini kita memiliki mobil listrik yang menggunakan baterai Li-ion yang sama yang dikemas bersama dalam jumlah ratusan bahkan ribuan. Paket baterai besar ini dengan tingkat tegangan sekitar 300V berada di dalam mobil dan memasok arus setinggi 300A (angka kasar) selama pengoperasian. Setiap kecelakaan di sini akan berakhir dengan bencana besar, itulah sebabnya sistem Manajemen Baterai selalu ditekankan di EV. Jadi dalam artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut tentang Sistem Manajemen Baterai (BMS) ini dan memecah untuk memahami desain dan fungsinya untuk memahaminya dengan lebih baik. Karena baterai dan BMS terkait erat, sangat disarankan untuk membaca artikel kami sebelumnya tentang Kendaraan Listrik dan baterai EV.
Mengapa kita membutuhkan Sistem Manajemen Baterai (BMS)?
Baterai Lithium-ion telah terbukti menjadi baterai yang diminati oleh produsen Kendaraan Listrik karena kepadatan muatannya yang tinggi dan bobot yang rendah. Meskipun baterai ini dikemas dengan sangat baik karena ukurannya, baterai ini sangat tidak stabil. Sangat penting bahwa baterai ini tidak boleh diisi secara berlebihan atau dalam keadaan apa pun yang memerlukan pemantauan tegangan dan arusnya. Proses ini menjadi sedikit lebih sulit karena ada banyak sel yang disatukan untuk membentuk paket baterai di EV dan setiap sel harus dipantau secara individual untuk keselamatan dan pengoperasian yang efisien yang memerlukan sistem khusus khusus yang disebut Sistem Manajemen Baterai. Juga untuk mendapatkan efisiensi maksimum dari paket baterai, kita harus mengisi penuh dan mengosongkan semua sel pada saat yang sama pada tegangan yang sama yang lagi-lagi membutuhkan BMS. Selain itu, BMS bertanggung jawab atas banyak fungsi lain yang akan dibahas di bawah ini.
Pertimbangan Desain Sistem Manajemen Baterai (BMS)
Ada banyak faktor yang harus dipertimbangkan saat mendesain BMS. Pertimbangan lengkap tergantung pada aplikasi akhir yang tepat di mana BMS akan digunakan. Selain EV, BMS juga digunakan di mana pun paket baterai lithium terlibat seperti susunan panel surya, kincir angin, dinding daya, dll. Terlepas dari aplikasinya, desain BMS harus mempertimbangkan semua atau banyak faktor berikut.
Kontrol Pengosongan: Fungsi utama BMS adalah untuk menjaga sel litium dalam wilayah operasi yang aman. Misalnya sel Lithium 18650 khas akan memiliki peringkat tegangan di bawah sekitar 3V. Ini adalah tanggung jawab BMS untuk memastikan bahwa tidak ada sel dalam paket yang dibuang di bawah 3V.
Kontrol Pengisian: Selain pemakaian, proses pengisian juga harus dipantau oleh BMS. Sebagian besar baterai cenderung rusak atau berkurang umurnya jika diisi dengan tidak tepat. Untuk pengisi daya baterai lithium, pengisi daya 2-tahap digunakan. Tahap pertama disebut Arus Konstan (CC) di mana pengisi daya mengeluarkan arus konstan untuk mengisi baterai. Ketika baterai hampir penuh tahap kedua disebut Tegangan Konstan (CV)tahap digunakan selama tegangan konstan disuplai ke baterai pada arus yang sangat rendah. BMS harus memastikan tegangan dan arus selama pengisian tidak melebihi batas permeabel agar tidak mengisi daya secara berlebihan atau mengisi daya baterai dengan cepat. Tegangan pengisian dan arus pengisian maksimum yang diizinkan dapat ditemukan di lembar data baterai.
Penentuan State-of-Charge (SOC): Anda dapat menganggap SOC sebagai indikator bahan bakar EV. Ini sebenarnya memberi tahu kita kapasitas baterai paket dalam persentase. Persis seperti yang ada di ponsel kita. Tapi itu tidak semudah kedengarannya. Tegangan dan arus pengisian / pengosongan paket harus selalu dipantau untuk memprediksi kapasitas baterai. Setelah tegangan dan arus diukur, ada banyak algoritma yang dapat digunakan untuk menghitung SOC dari paket Baterai. Metode yang paling umum digunakan adalah metode penghitungan coulomb; kita akan membahas lebih lanjut tentang ini nanti di artikel. Mengukur nilai dan menghitung SOC juga menjadi tanggung jawab BMS.
Penentuan Status Kesehatan (SOC): Kapasitas baterai tidak hanya bergantung pada tegangan dan profil arusnya tetapi juga pada usia dan suhu pengoperasiannya. Pengukuran SOH memberi tahu kita tentang usia dan siklus hidup yang diharapkan dari baterai berdasarkan riwayat penggunaannya. Dengan cara ini kita dapat mengetahui seberapa jauh jarak tempuh (jarak yang ditempuh setelah pengisian penuh) dari EV berkurang seiring bertambahnya usia baterai dan juga kita dapat mengetahui kapan baterai harus diganti. SOH juga harus dihitung dan dipantau oleh BMS.
Penyeimbangan Sel: Fungsi penting lain dari BMS adalah untuk menjaga keseimbangan sel. Misalnya, dalam satu pak berisi 4 sel yang dihubungkan secara seri, tegangan keempat sel harus selalu sama. Jika satu sel kurang atau tegangan tinggi dari yang lain itu akan mempengaruhi seluruh paket, katakanlah jika satu sel pada 3,5V sedangkan tiga lainnya pada 4V. Selama pengisian daya, ketiga sel ini akan mencapai 4.2V sementara yang lain hanya mencapai 3.7V, demikian juga sel ini akan menjadi yang pertama melepaskan ke 3V sebelum tiga lainnya. Dengan cara ini, karena sel tunggal ini, semua sel lain di dalam kemasan tidak dapat digunakan secara maksimal sehingga mengganggu efisiensi.
Untuk mengatasi masalah ini, BMS harus mengimplementasikan sesuatu yang disebut penyeimbangan sel. Ada banyak jenis teknik penyeimbangan sel, tetapi yang umum digunakan adalah penyeimbangan sel tipe aktif dan pasif. Dalam penyeimbangan pasif idenya adalah bahwa sel dengan tegangan berlebih akan dipaksa keluar melalui beban seperti resistor untuk mencapai nilai tegangan sel lain. Sementara dalam penyeimbangan aktif, sel yang lebih kuat akan digunakan untuk mengisi daya sel yang lebih lemah untuk menyamakan potensi mereka. Kita akan mempelajari lebih lanjut tentang penyeimbangan sel nanti di artikel yang berbeda.
Kontrol Termal: Masa pakai dan efisiensi paket baterai Lithium sangat bergantung pada suhu pengoperasian. The baterai cenderung untuk melepaskan lebih cepat di iklim panas dibandingkan dengan suhu ruangan normal. Selain itu konsumsi arus tinggi akan semakin meningkatkan suhu. Ini membutuhkan sistem Thermal (kebanyakan minyak) dalam kemasan baterai. Sistem termal ini seharusnya hanya mampu menurunkan suhu tetapi juga harus dapat meningkatkan suhu di iklim dingin jika diperlukan. BMS bertanggung jawab untuk mengukur suhu sel individu dan mengontrol sistem termal yang sesuai untuk menjaga suhu keseluruhan paket baterai.
Didukung dari Baterai itu sendiri: Satu-satunya sumber daya yang tersedia di EV adalah baterai itu sendiri. Jadi BMS harus dirancang untuk didukung oleh baterai yang sama yang seharusnya dilindungi dan dipelihara. Ini mungkin terdengar sederhana tetapi meningkatkan kesulitan desain BMS.
Daya Kurang Ideal: BMS harus aktif dan berjalan meskipun mobil sedang berjalan atau mengisi daya atau dalam mode ideal. Hal ini membuat rangkaian BMS dialiri daya secara terus menerus dan oleh karena itu BMS wajib mengkonsumsi daya yang sangat sedikit agar tidak banyak menguras baterai. Ketika EV dibiarkan tidak terisi selama berminggu-minggu atau berbulan-bulan, BMS dan sirkuit lainnya cenderung menguras baterainya sendiri dan pada akhirnya perlu dihidupkan atau diisi daya sebelum digunakan berikutnya. Masalah ini masih umum terjadi bahkan dengan mobil populer seperti Tesla.
Isolasi Galvanis: BMS bertindak sebagai jembatan antara paket Baterai dan ECU EV. Semua informasi yang dikumpulkan oleh BMS harus dikirim ke ECU untuk ditampilkan di cluster instrumen atau di dashboard. Jadi BMS dan ECU harus terus berkomunikasi melalui protokol standar seperti komunikasi CAN atau bus LIN. Desain BMS harus mampu memberikan isolasi galvanik antara paket baterai dan ECU.
Pencatatan Data: Penting bagi BMS untuk memiliki bank memori yang besar karena harus menyimpan banyak data. Nilai seperti Sate-of-health SOH dapat dihitung hanya jika riwayat pengisian baterai diketahui. Jadi BMS harus melacak siklus pengisian dan waktu pengisian paket baterai dari tanggal pemasangan, dan menghentikan data ini bila diperlukan. Ini juga membantu dalam memberikan layanan purna jual atau menganalisis masalah dengan EV untuk para insinyur.
Akurasi: Ketika sebuah sel sedang diisi atau dikosongkan, tegangan yang melewatinya meningkat atau menurun secara bertahap. Sayangnya kurva pelepasan (Voltase vs waktu) baterai lithium memiliki daerah datar sehingga perubahan voltase sangat kecil. Perubahan ini harus diukur secara akurat untuk menghitung nilai SOC atau menggunakannya untuk penyeimbangan sel. BMS yang dirancang dengan baik dapat memiliki akurasi setinggi ± 0.2mV tetapi harus memiliki akurasi minimal 1mV-2mV. Biasanya ADC 16-bit digunakan dalam proses tersebut.
Kecepatan Proses: BMS dari EV harus melakukan banyak perhitungan untuk menghitung nilai SOC, SOH dll. Ada banyak algoritma untuk melakukan ini, dan beberapa bahkan menggunakan pembelajaran mesin untuk menyelesaikan tugas. Hal ini membuat BMS menjadi perangkat yang membutuhkan pemrosesan. Selain itu, ia juga harus mengukur tegangan sel di ratusan sel dan segera menyadari perubahan halusnya.
Building Block dari BMS
Ada banyak jenis BMS yang tersedia di pasaran, Anda dapat mendesainnya sendiri atau bahkan membeli IC Terpadu yang sudah tersedia. Dari segi struktur perangkat keras hanya terdapat tiga jenis BMS berdasarkan topologinya yaitu BMS Terpusat, BMS Terdistribusi dan BMS Modular. Namun fungsi BMS ini semuanya serupa. Sistem Manajemen Baterai generik diilustrasikan di bawah ini.
Akuisisi Data BMS
Mari kita analisis blok fungsi di atas dari intinya. Fungsi utama BMS adalah untuk memonitor Baterai yang membutuhkan tiga parameter penting seperti tegangan, arus, dan suhu dari setiap sel dalam kemasan baterai.. Kita tahu bahwa paket Baterai dibentuk dengan menghubungkan banyak sel dalam konfigurasi seri atau paralel, seperti Tesla memiliki 8.256 sel di mana 96 sel dihubungkan secara seri dan 86 sel dihubungkan secara paralel untuk membentuk satu paket. Jika satu set sel dihubungkan secara seri maka kita harus mengukur tegangan di setiap sel tetapi arus untuk seluruh set akan sama karena arus akan sama dalam rangkaian seri. Demikian pula ketika satu set sel dihubungkan secara paralel, kita harus mengukur hanya seluruh tegangan karena tegangan di setiap sel akan sama bila dihubungkan secara paralel. Gambar di bawah ini menunjukkan sekumpulan sel yang terhubung secara seri, Anda dapat melihat tegangan dan suhu yang diukur untuk masing-masing sel dan arus paket diukur secara keseluruhan.
“Bagaimana cara mengukur voltase sel di BMS?”
Karena EV tipikal memiliki sejumlah besar sel yang terhubung bersama, maka agak sulit untuk mengukur voltase sel individu dari paket baterai. Tetapi hanya jika kita mengetahui tegangan sel individu, kita dapat melakukan penyeimbangan sel dan memberikan perlindungan sel. Untuk membaca nilai tegangan sel digunakan ADC. Tetapi kompleksitas yang terlibat tinggi karena baterai dihubungkan secara seri. Artinya terminal di mana tegangan diukur harus diubah setiap waktu. Ada banyak cara untuk melakukan ini yang melibatkan relai, muxes dll. Selain itu ada juga beberapa IC manajemen baterai seperti MAX14920 yang dapat digunakan untuk mengukur tegangan sel individu dari beberapa sel (12-16) yang dihubungkan secara seri.
“Bagaimana cara mengukur Suhu sel untuk BMS?”
Selain temperatur sel, terkadang BMS juga harus mengukur temperatur bus dan temperatur motor karena semuanya bekerja dengan arus tinggi. Unsur paling umum yang digunakan untuk mengukur suhu disebut NTC, yang merupakan singkatan dari Negative temperature Co-efisien (NTC). Ini mirip dengan resistor tetapi ia mengubah (mengurangi) resistansinya berdasarkan suhu di sekitarnya. Dengan mengukur tegangan pada perangkat ini dan dengan menggunakan hukum ohm sederhana kita dapat menghitung hambatan dan suhu.
Multiplexed Analog Front End (AFE) untuk Pengukuran Suhu dan Tegangan Sel
Mengukur voltase sel bisa menjadi rumit karena membutuhkan akurasi tinggi dan mungkin juga menyuntikkan suara switching dari mux selain itu setiap sel terhubung ke resistor melalui sakelar untuk penyeimbangan sel. Untuk mengatasi masalah tersebut digunakan AFE - Analog Front end IC. AFE memiliki modul Mux, buffer, dan ADC bawaan dengan akurasi tinggi. Ini dapat dengan mudah mengukur tegangan dan suhu dengan mode umum dan mentransfer informasi ke mikrokontroler utama.
“Bagaimana cara mengukur arus paket untuk BMS?”
EV Battery Pack dapat mengalirkan arus dalam jumlah besar hingga 250A atau bahkan tinggi, selain itu kita juga harus mengukur arus setiap modul dalam kemasan untuk memastikan beban didistribusikan secara merata. Saat merancang elemen penginderaan saat ini kita juga harus memberikan isolasi antara alat pengukur dan penginderaan. Metode yang paling umum digunakan untuk merasakan arus adalah metode Shunt dan metode berbasis sensor Hall. Kedua metode tersebut memiliki pro dan kontra. Metode shunt sebelumnya dianggap kurang akurat, tetapi dengan ketersediaan desain shunt presisi tinggi baru-baru ini dengan amplifier dan modulator yang terisolasi, metode ini lebih disukai daripada metode berbasis sensor hall.
Estimasi status baterai
Kekuatan komputasi utama BMS didedikasikan untuk memperkirakan status Baterai. Ini termasuk pengukuran SOC dan SOH. SOC dapat dihitung menggunakan tegangan sel, arus, profil pengisian dan profil pemakaian. SOH dapat dihitung dengan menggunakan jumlah siklus pengisian daya dan kinerja baterai.
“Bagaimana cara mengukur SOC Baterai?”
Ada banyak algoritma untuk mengukur SOC baterai, masing-masing memiliki nilai inputnya sendiri. Metode yang paling umum digunakan untuk SOC disebut Metode Penghitungan Coulomb alias pembukuan. Kami akan membahas