Page 43 - Fister jr., Iztok, and Andrej Brodnik (eds.). StuCoSReC. Proceedings of the 2017 4th Student Computer Science Research Conference. Koper: University of Primorska Press, 2017
P. 43
ivni BMS sistem za litij-ionske celice
Primož Bencak Dušan Fister
Univerza v Mariboru Univerza v Mariboru
Fakulteta za strojništvo Fakulteta za strojništvo
Smetanova 17, Maribor Smetanova 17, Maribor
primoz.bencak@ dusan.fister@
student.um.si student.um.si
POVZETEK lic v obe smeri. Bonfiglio in Roessler sta v [5] izbrala po-
dobno zasnovo - zaporni pretvornik, vendar sta idejo dvo-
Litij-ionske baterije so s svojimi odliˇcnimi lastnostmi sko- smernih stikal, ki izbirajo med posameznimi celicami, nad-
raj povsem nadomestile ostale tipe baterij. Zaradi visoke gradila z uporabo transformatorskih navitij.
nazivne napetosti so primerne za zaporedno vezavo v bate-
rijske sklope, vendar se z naraˇsˇcanjem ˇstevila celic v paketu Predstavljen ˇclanek je rezultat zdruˇzitve dobrih lastnosti
zviˇsuje kompleksnost sistema ter poslediˇcno moˇznost napaˇc- obeh idej. Iz prvega smo vzeli zasnovo strojne opreme, med-
nega delovanja. V ta namen se za nadzor nad baterijskim tem ko iz drugega programsko opremo. Izdelali smo proto-
paketom in izravnavo napetosti na posameznih celicah, ki so tip aktivnega BMS sistema, ki je sposoben nadzorovati tri
posledica kemijske sestave, uporabljajo baterijski nadzorni nezaˇsˇcitene li-ion celice med delovanjem. Ob napaˇcnem de-
sistemi (angl. battery management system, krajˇse BMS). lovanju je zahtevan trenuten izklop povezave med BMS in
V tem ˇclanku je predstavljena izdelava prototipnega BMS porabnikom ter signaliziranje napake (reˇzim napake).
sistema, opisana je simulacija sistema v simulacijskem oko-
lju MATLAB/Simulink, kakor tudi fiziˇcna izdelava elektron- Struktura ˇclanka v nadaljevanju je naslednja: drugo po-
skega vezja. Doloˇcena je nadzorna in regulacijska funkcija glavje govori o simulacijah BMS sistema v MATLAB/Simulink,
blokovno programiranega digitalnega signalnega krmilnika tretje poglavje opisuje postopek naˇcrtovanja fiziˇcnega sis-
TMS320F28335. Predstavljeni so rezultati nadzorovanja re- tema, ˇcetrto poglavje pa blokovno programiranje omenje-
alnega delovanja aktivnega BMS sistema na treh zaporedno nega sistema. Cˇ lanek je zakljuˇcen s petim poglavjem, kjer
vezanih litij-ionskih celicah, ki kaˇzejo vzpodbudno delovanje so predstavljene moˇzne izboljˇsave naˇsega dela v prihodnje.
zasnovanega BMS sistema.
2. BATERIJSKI NADZORNI SISTEM
Kljucˇne besede
Baterijski nadzorni sistem zagotavlja varno in uˇcinkovito de-
digitalni signalni krmilnik, zaporni pretvornik, balansiranje, lovanje baterijskega sistema. Naslednje alineje predstavljajo
litij-ionske baterije, MATLAB/Simulink pogoje za varno in uˇcinkovito delovanje z li-ion baterijami:
1. UVOD • spremljanje napetosti na posamezni celici,
Izenaˇcevanje nivoja napetosti (balansiranje) zaporedno ve- • merjenje pritekajoˇcega in odtekajoˇcega toka,
zanih baterijskih celic (paketa) pomembno vpliva na odra-
ˇzanja celotnega napajanega sistema. Za uˇcinkovito odpravo • nadzor temperature,
motenj izhodne napetosti so ˇzelene minimalne ali niˇcne raz-
like med posameznimi litij-ionskimi (li-ion) celicami. V pri- • doloˇcanje stanja napolnjenosti (’SOC – state of charge’),
ˇcujoˇcem ˇclanku prikazujemo balansiranje treh zaporedno ve-
zanih Li-ion celic. razloˇzen je princip uporabe dveh zapornih • doloˇcanje dejanskega stanja paketa (’SOH - state of
pretvornikov za potrebe balansiranja. Delovanje smo najprej health ’).
preizkusili v simulacijskem okolju, nato pa ˇse v realnem.
Zbrani podatki so posredovani uporabniku, zagotovljeni pa
Ideja o uporabi prihaja od avtorjev Hoque-a, Hannan-a in so tudi ukrepi ob delovanju izven meja. Poleg spremlja-
Mohamed-a, ki so v [7] predvidili uporabo dveh zapornih nja omenjenih parametrov, BMS skrbi tudi za enakomerno
(angl. flyback ) pretvornikov za balansiranje posameznih ce- polnjenje in praznjenje celic, saj nobena izmed njih ne sme
preseˇci maksimalne, ki znaˇsa pribliˇzno 4.25 V, ali minimalne
napetosti (pribliˇzno 2.5 V). Postopku izravnavanja napetosti
posameznih celic pravimo balansiranje [8].
Potreba po balansiranju se pojavi zaradi notranje, oz. kemij-
ske strukture li-ion baterij. Ta je odraˇzena s karakteristiko
polnjenja in praznjenja. Pogosto se zgodi, da se nekatere
celice polnijo (ali praznijo) nekoliko hitreje, kar povzroˇca
StuCoSReC Proceedings of the 2017 4th Student Computer Science Research Conference DOI: https://doi.org/10.26493/978-961-7023-40-4.43-48 43
Ljubljana, Slovenia, 11 October
Primož Bencak Dušan Fister
Univerza v Mariboru Univerza v Mariboru
Fakulteta za strojništvo Fakulteta za strojništvo
Smetanova 17, Maribor Smetanova 17, Maribor
primoz.bencak@ dusan.fister@
student.um.si student.um.si
POVZETEK lic v obe smeri. Bonfiglio in Roessler sta v [5] izbrala po-
dobno zasnovo - zaporni pretvornik, vendar sta idejo dvo-
Litij-ionske baterije so s svojimi odliˇcnimi lastnostmi sko- smernih stikal, ki izbirajo med posameznimi celicami, nad-
raj povsem nadomestile ostale tipe baterij. Zaradi visoke gradila z uporabo transformatorskih navitij.
nazivne napetosti so primerne za zaporedno vezavo v bate-
rijske sklope, vendar se z naraˇsˇcanjem ˇstevila celic v paketu Predstavljen ˇclanek je rezultat zdruˇzitve dobrih lastnosti
zviˇsuje kompleksnost sistema ter poslediˇcno moˇznost napaˇc- obeh idej. Iz prvega smo vzeli zasnovo strojne opreme, med-
nega delovanja. V ta namen se za nadzor nad baterijskim tem ko iz drugega programsko opremo. Izdelali smo proto-
paketom in izravnavo napetosti na posameznih celicah, ki so tip aktivnega BMS sistema, ki je sposoben nadzorovati tri
posledica kemijske sestave, uporabljajo baterijski nadzorni nezaˇsˇcitene li-ion celice med delovanjem. Ob napaˇcnem de-
sistemi (angl. battery management system, krajˇse BMS). lovanju je zahtevan trenuten izklop povezave med BMS in
V tem ˇclanku je predstavljena izdelava prototipnega BMS porabnikom ter signaliziranje napake (reˇzim napake).
sistema, opisana je simulacija sistema v simulacijskem oko-
lju MATLAB/Simulink, kakor tudi fiziˇcna izdelava elektron- Struktura ˇclanka v nadaljevanju je naslednja: drugo po-
skega vezja. Doloˇcena je nadzorna in regulacijska funkcija glavje govori o simulacijah BMS sistema v MATLAB/Simulink,
blokovno programiranega digitalnega signalnega krmilnika tretje poglavje opisuje postopek naˇcrtovanja fiziˇcnega sis-
TMS320F28335. Predstavljeni so rezultati nadzorovanja re- tema, ˇcetrto poglavje pa blokovno programiranje omenje-
alnega delovanja aktivnega BMS sistema na treh zaporedno nega sistema. Cˇ lanek je zakljuˇcen s petim poglavjem, kjer
vezanih litij-ionskih celicah, ki kaˇzejo vzpodbudno delovanje so predstavljene moˇzne izboljˇsave naˇsega dela v prihodnje.
zasnovanega BMS sistema.
2. BATERIJSKI NADZORNI SISTEM
Kljucˇne besede
Baterijski nadzorni sistem zagotavlja varno in uˇcinkovito de-
digitalni signalni krmilnik, zaporni pretvornik, balansiranje, lovanje baterijskega sistema. Naslednje alineje predstavljajo
litij-ionske baterije, MATLAB/Simulink pogoje za varno in uˇcinkovito delovanje z li-ion baterijami:
1. UVOD • spremljanje napetosti na posamezni celici,
Izenaˇcevanje nivoja napetosti (balansiranje) zaporedno ve- • merjenje pritekajoˇcega in odtekajoˇcega toka,
zanih baterijskih celic (paketa) pomembno vpliva na odra-
ˇzanja celotnega napajanega sistema. Za uˇcinkovito odpravo • nadzor temperature,
motenj izhodne napetosti so ˇzelene minimalne ali niˇcne raz-
like med posameznimi litij-ionskimi (li-ion) celicami. V pri- • doloˇcanje stanja napolnjenosti (’SOC – state of charge’),
ˇcujoˇcem ˇclanku prikazujemo balansiranje treh zaporedno ve-
zanih Li-ion celic. razloˇzen je princip uporabe dveh zapornih • doloˇcanje dejanskega stanja paketa (’SOH - state of
pretvornikov za potrebe balansiranja. Delovanje smo najprej health ’).
preizkusili v simulacijskem okolju, nato pa ˇse v realnem.
Zbrani podatki so posredovani uporabniku, zagotovljeni pa
Ideja o uporabi prihaja od avtorjev Hoque-a, Hannan-a in so tudi ukrepi ob delovanju izven meja. Poleg spremlja-
Mohamed-a, ki so v [7] predvidili uporabo dveh zapornih nja omenjenih parametrov, BMS skrbi tudi za enakomerno
(angl. flyback ) pretvornikov za balansiranje posameznih ce- polnjenje in praznjenje celic, saj nobena izmed njih ne sme
preseˇci maksimalne, ki znaˇsa pribliˇzno 4.25 V, ali minimalne
napetosti (pribliˇzno 2.5 V). Postopku izravnavanja napetosti
posameznih celic pravimo balansiranje [8].
Potreba po balansiranju se pojavi zaradi notranje, oz. kemij-
ske strukture li-ion baterij. Ta je odraˇzena s karakteristiko
polnjenja in praznjenja. Pogosto se zgodi, da se nekatere
celice polnijo (ali praznijo) nekoliko hitreje, kar povzroˇca
StuCoSReC Proceedings of the 2017 4th Student Computer Science Research Conference DOI: https://doi.org/10.26493/978-961-7023-40-4.43-48 43
Ljubljana, Slovenia, 11 October
