1 Ce este echilibrarea activă BMS
Echilibrarea activă BMS este o metodă de transfer de energie de la celule individuale cu capacitate mai mare la celule individuale cu capacitate mai mică prin transfer de energie, obținând astfel consistență în pachetul de baterii și îmbunătățind performanța sistemului de stocare a energiei.
Echilibrarea activă BMS este diferită de echilibrarea pasivă. Echilibrarea pasivă, în general, descarcă energia bateriilor de înaltă tensiune prin rezistențe pentru a menține o stare egală cu puterea bateriilor de joasă tensiune. Această metodă are dezavantaje, cum ar fi eficiența scăzută a utilizării energiei, disiparea căldurii, curentul de echilibrare scăzut și eficiența lentă. Echilibrarea activă, pe de altă parte, este procesul de transfer de energie de la bateriile cu energie mare la bateriile cu energie scăzută, la fel ca tăierea punctelor forte și slabe ale unei plăci de lemn.
În prezent, există diverse soluții de echilibrare activă, cu excepția soluției de condensator Fit care nu a devenit curentă din cauza numărului redus de șiruri aplicabile și a limitărilor în transfer, există, de asemenea, soluții de transformator și cipuri de conversie DCDC specifice bateriei, proiectate de producătorii de semiconductori care au fost introduse pe piață. Beneficiile echilibrării active sunt evidente, cu eficiență ridicată, transfer de energie și doar pierderi în bobina transformatorului, reprezentând o proporție mică; Curentul echilibrat poate fi proiectat să fie mare, ajungând la câțiva amperi sau chiar la nivelul 10A, iar efectul de echilibrare este rapid.
Totuși, echilibrul activ aduce și noi probleme. În primul rând, structura este complexă, în special în schemele de transformatoare în care proiectarea și controlul matricelor de comutatoare și driverelor sunt provocatoare. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care funcția de echilibrare activă nu poate fi integrată complet în circuitele integrate dedicate. În al doilea rând, este problema costurilor. Structurile complexe duc inevitabil la circuite complexe, iar creșterea costului și a ratei de eșec este inevitabil, ceea ce limitează, de asemenea, promovarea BMS de echilibrare activă.
Pentru BMS, pe lângă funcția de echilibrare, strategia de echilibrare de bază este și mai importantă. Când diferența de consistență a celulelor bateriei este într-un anumit interval, capacitatea și tensiunea bateriei sunt corelate pozitiv; Dar atunci când consistența bateriei este departe de a fi bună, adică atunci când o baterie este într-o stare deteriorată, corelația dintre putere și tensiune nu este atât de puternică, iar baza de echilibru nu poate fi judecată numai pe baza datelor de tensiune. Dacă bateria nu este conștientă de deteriorarea sub starea critică și încă menține echilibrul de tensiune, poate cauza de fapt deteriorarea bateriei, mai ales în echilibrul activ, unde daunele cauzate de curentul ridicat sunt mai mari decât în echilibrul pasiv.
Echilibrarea activă este potrivită pentru aplicații cu baterii cu litiu cu un număr mare de șiruri și capacitate mare, în timp ce echilibrarea pasivă este potrivită pentru aplicațiile cu acumulatori cu litiu de capacitate mică și cu număr redus de șiruri. Consistența bateriei Tesla este foarte bună, iar echilibrarea pasivă este suficientă. Cu toate acestea, în China, există încă loc de îmbunătățire a materiilor prime pentru baterii și a proceselor de producție, iar gradul de dispersie a consistenței bateriei este relativ mare. Echilibrarea activă va fi mai potrivită pentru aplicarea pachetelor de baterii cu litiu de tip putere.
2 Rolul echilibrării active BMS în sistemele de stocare a energiei
(1) Îmbunătățiți performanța generală a acumulatorului
1. Eliminați dezechilibrul de putere cauzat de celulele individuale inconsecvente din acumulatorul și îmbunătățiți capacitatea generală și performanța energetică a acumulatorului.
În sistemele de stocare a energiei, datorită diferențelor de material și procese de fabricație, precum și variațiilor în mediile de utilizare și nivelurile de îmbătrânire, există anumite diferențe în caracteristicile chimice și electrice între celulele individuale, manifestate prin neconcordanțe de capacitate, rezistență internă DC, deschidere. tensiunea circuitului, starea de încărcare (SOC) și alte aspecte. Această inconsecvență poate duce la o capacitate neuniformă a bateriei între celulele individuale din acumulator, afectând capacitatea generală și performanța energetică a acumulatorului. BMS echilibrează în mod activ transferul de energie de la celulele individuale cu capacitate mai mare la celulele individuale cu capacitate mai mică prin transferul de energie, atenuând astfel acest fenomen de dezechilibru de putere și îmbunătățind capacitatea generală și performanța de putere a acumulatorului.
De exemplu, transformatoarele sunt utilizate pe scară largă în echilibrarea activă pentru a echilibra distribuția energiei în cadrul pachetului de baterii prin strategii de echilibrare de jos și de sus. Există și metode de echilibrare bazate pe componente de stocare a energiei, cum ar fi condensatoare și inductori, sau bazate pe convertoare DC-DC. Aceste metode de echilibrare care nu consumă energie transferă în principal energie între celule individuale sau între celule individuale și întregul pachet de baterii prin condensatori, inductori sau convertoare DC-DC. În comparație cu structurile de echilibrare consumatoare de energie, acestea sunt mai complexe, dar au o eficiență mai mare în utilizarea energiei, un transfer flexibil de energie și pot îmbunătăți eficient performanța generală a acumulatorului.
2. Prin detectarea stării fiecărei celule individuale din acumulator, utilizați metode de echilibrare pentru a menține tensiunea sau starea de încărcare între celulele individuale într-un anumit interval.
Sistemul de echilibrare activă BMS evaluează starea de funcționare a bateriei prin monitorizarea continuă a parametrilor cheie, cum ar fi tensiunea, curentul și temperatura fiecărei celule a bateriei. Când este detectată o diferență de tensiune sau de stare de încărcare între bateriile individuale, metoda de echilibrare este activată. De exemplu, folosind un convertor DC-DC bidirecțional înainte ca circuit principal de echilibrare, atunci când energia este transferată din partea de înaltă tensiune pe partea de joasă tensiune, cele patru tranzistoare de comutare funcționează în funcție de sincronizarea specifică a conducției semnalului de comandă pentru a realiza transferul de energie bidirecțional de la partea de joasă tensiune U1 a unității la partea de înaltă tensiune U2 și de la partea de înaltă tensiune U2 la partea de joasă tensiune U1 a unității, menținând astfel tensiunea sau starea de încărcare între unitate bateriile într-un anumit interval.
În același timp, circuitul de control al microcontrolerului, ca nucleu al întregului sistem de echilibrare, controlează modulul de achiziție a tensiunii prin magistrala CAN pentru a colecta tensiunea fiecărei celule individuale din modulul bateriei. Informațiile despre baterie sunt rezumate și utilizate pentru a dezvolta un plan de echilibrare. Matricea de comutatoare este utilizată pentru a selecta celulele care trebuie echilibrate, iar apoi comanda de echilibrare este trimisă la circuitul de control al echilibrării pentru a se asigura că starea fiecărei celule individuale din pachetul de baterii se află într-un interval rezonabil.
(2) Extindeți durata de viață a acumulatorului
1. Inhibați apariția consistenței între celulele bateriei și reduceți impactul dispersării bateriei asupra duratei de viață a acumulatorului.
Inconsecvența dintre celulele bateriei se va acumula treptat odată cu creșterea timpului de utilizare, formând un dezechilibru în cantitatea de energie electrică dintre celulele bateriei, care nu numai că afectează capacitatea generală și performanța de putere a acumulatorului, ci și limitează durata de viață a bateriei. ambalaj. BMS echilibrează în mod activ transferul de energie de la celulele individuale cu capacitate mai mare la celulele individuale cu capacitate mai mică prin transferul de energie, suprimând astfel apariția consistenței între celule.
De exemplu, adoptarea tehnologiei de echilibrare activă poate evita îmbătrânirea prematură a unor baterii cauzată de celulele individuale inconsistente. Produsele BMS dezvoltate de Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. cu funcții tehnologice de bază de „echilibrare activă și transmisie fără fir” pot monitoriza cu acuratețe energia fiecărei baterii individuale și pot realiza în mod activ un transfer eficient de energie între bateriile individuale, atingând obiectivul echilibrului energetic între bateriile individuale, îmbunătățind semnificativ performanța bateriei, suprimând apariția consistenței între celulele bateriei și reducând impactul dispersării bateriei asupra duratei de viață a acumulatorului.
2. Poate crește capacitatea disponibilă a sistemului de baterii și poate îmbunătăți semnificativ durata ciclului de viață.
Tehnologia de echilibrare activă BMS elimină eficient problema dezechilibrului capacității dintre celulele bateriei prin transferul de energie, îmbunătățind performanța întregului pachet de baterii. Adoptând cipul de echilibrare activ DC-DC dezvoltat independent de către Kelie, în comparație cu cipurile tradiționale de echilibrare, algoritmul inteligent avansat inovator încorporat compensează rapid și eficient diferențele generate de acumulatorul prin transferul de energie, asigurând consistența bateriei, prelungind durata de viață. și timpul mediu dintre defecțiunile acumulatorului și îmbunătățirea efectivă a beneficiilor economice ale întregului ciclu de viață al produsului. Datele de testare ciclică pe termen lung arată că această tehnologie de echilibrare activă poate crește capacitatea disponibilă a sistemului de baterii cu mai mult de 10%, poate îmbunătăți durata de viață a ciclului cu mai mult de 20% și cu cât mai multe serii sunt conectate, cu atât este mai semnificativ efectul de îmbunătățire.
3 Principiul de funcționare al echilibrării active BMS
(1) Compoziția sistemului de echilibru
Sistemul activ de echilibrare BMS constă în principal dintr-un modul de baterie în serie, un pachet de baterii de 12 V, o matrice de comutatoare, un circuit principal de echilibrare, un circuit de achiziție a tensiunii și un circuit de control al microcontrolerului.
1. Comutare matrice:
Matricea de comutatoare constă din comutatoare de blocare a celulelor bateriei și comutatoare de blocare a polarității bateriei, care pot realiza blocarea celulelor care trebuie echilibrate. De exemplu, pentru un acumulator conectat în serie de 7-celule, există combinații specifice de comutatoare pentru a selecta diferite baterii. Luând ca exemplu selecția bateriei 1 și a bateriei 2, când este selectată bateria 1, comutatoarele K1, K2, KP3 și KP4 sunt pornite și alte comutatoare sunt oprite, formând un circuit specific de încărcare și descărcare; La selectarea bateriei 2, comutatoarele K2, K3, KP1 și KP2 sunt pornite și alte comutatoare sunt oprite, formând un circuit de încărcare și descărcare corespunzător. Activarea celulelor impare se poate referi la combinația de comutator de deschidere a bateriei 1, iar acționarea chiar a celulei se poate referi la combinația de comutator de deschidere a bateriei 2.
2. Circuit principal echilibrat:
Adoptarea unui convertor bidirecțional înainte DC-DC pentru a realiza transferul de energie bidirecțional. Această topologie include în principal un transformator T, două rezistențe de eșantionare R1 și R2, două condensatoare de filtrare C1 și C2, un condensator de fixare C3, un inductor de filtrare L și patru tranzistoare de comutare Q1 la Q4.
(2) Modul de lucru
1. Energia este transferată din partea de joasă presiune a unei singure unități către partea de înaltă presiune.
2. Energia este transferată din partea de înaltă tensiune în partea de joasă tensiune a unei singure unități, care este împărțită în patru etape. Transferul și eliberarea energiei se realizează prin conducerea și deconectarea tubului comutatorului:
Etapa 1: De la momentul t1 la t2, tuburile de comutare Q2 și Q3 sunt pornite. În acest moment, curentul de intrare I1 curge în aceeași bornă a înfășurării laterale de înaltă tensiune a transformatorului, iar curentul de ieșire I2 curge din aceeași bornă a înfășurării laterale de joasă tensiune a transformatorului. Partea de înaltă tensiune U2 transferă simultan energie către partea de joasă tensiune U1 și inductorul L.
Etapa 2: Din momentul t2 la t3, comutatoarele Q2 și Q3 sunt oprite, I2 este continuat de diodele corpului comutatoarelor Q1 și Q2, IT2 scade treptat, IQ1 crește treptat, iar energia stocată în inductor L și energia magnetică reziduală ale înfășurării de joasă tensiune sunt eliberate pe partea de joasă tensiune.
Etapa 3: Din momentul t3 la t4, comutatorul Q1 este pornit, I2 este continuat de comutatorul Q1, iar energia stocată în inductorul L este eliberată pe partea de joasă tensiune U1.
Etapa 4: Din momentul t4 la t5, comutatorul Q1 este oprit, I2 este continuat de dioda corpului comutatorului Q1, iar energia stocată în inductorul L continuă să fie eliberată pe partea de joasă tensiune U1. Printre acestea, etapa a doua și etapa a patru sunt ambele etape de zonă moartă, pentru a preveni ca Q1 să scurtcircuite înfășurarea de joasă tensiune atunci când Q2 și Q3 conduc. Comutatorul Q4 este conectat în serie cu condensatorul de strângere C3 și conectat în paralel la ambele capete ale comutatorului Q3 pentru prinderea activă și resetarea magnetică a transformatorului.
4 Starea actuală de aplicare a echilibrării active BMS în sistemele de stocare a energiei
(1) Întreprinderi participante la piață
În prezent, există trei tipuri principale de participanți pe piață în echilibrarea activă a BMS în sistemele de stocare a energiei: producători de vehicule, producători de baterii cu litiu de putere și producători independenți de BMS.
Capacitatea instalată a BMS produsă de producătorii de vehicule reprezintă aproximativ 21,3% din total, capacitatea instalată a BMS produsă de fabricile de baterii cu litiu de putere reprezintă aproximativ 45,4%, iar producătorii profesioniști de BMS reprezintă aproximativ 33,3% din cotă. Deși producătorii de vehicule și producătorii de baterii dețin încă poziții importante, odată cu tendința de avansare tehnologică și diviziunea specializată a muncii, producătorii profesioniști de BMS cresc puternic și au devenit dominanti în domeniul vehiculelor comerciale și se așteaptă să aibă un impact mare în domeniul energiei. câmp de depozitare.
De exemplu, CATL și BYD dețin cote semnificative de piață în domeniul bateriilor cu litiu de putere, având în același timp o anumită influență pe piața BMS de stocare a energiei. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power și alți producători de mașini, precum și producători de baterii precum BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd. și Beijing Plaid, participă activ la stocarea energiei. Piața BMS. În plus, producătorii profesioniști de BMS, cum ar fi Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology și Sci Tech Electronics, explorează în mod constant domeniul de stocare a energiei BMS.
(2) Probleme existente
1. BMS-ul de stocare a energiei din China a început relativ târziu, cu standarde incomplete și fără o strategie de control unificată. Deși există standarde cadru în vigoare, fiecare companie are cerințe diferite pentru cutiile de înaltă tensiune și cablajele de stocare a energiei, ceea ce duce la costuri ridicate de instalare și punere în funcțiune, defecțiuni multiple și operare și întreținere dificilă a sistemelor de stocare a energiei. Departamentele relevante ale țării formulează standarde legate de industrie, care se așteaptă să reglementeze în continuare industria BMS, să asigure siguranța și durata de viață a bateriilor și să reducă costul sistemelor de stocare a energiei prin standardizare și scalare.
2. Fiabilitatea tehnologiei de echilibrare activă trebuie încă îmbunătățită, iar costurile trebuie reduse în continuare. În prezent, structura echilibrului activ este complexă, iar costul este mult mai mare decât cel al echilibrului pasiv. De exemplu, metoda comună de echilibrare activă folosind transformatoare pentru încărcarea și descărcarea DC-DC este complexă ca structură, iar proiectarea și controlul matricelor și driverelor de comutatoare sunt dificile, ceea ce limitează, de asemenea, integrarea completă a funcției de echilibrare activă în circuitele integrate dedicate. Mai mult decât atât, structurile complexe duc inevitabil la circuite complexe, iar creșterea costului și a ratei de eșec este inevitabilă, ceea ce limitează, de asemenea, promovarea BMS de echilibrare activă.
3. Algoritmul BMS de stocare a energiei abia începe și mai este loc de îmbunătățire în estimarea progresului, convergența algoritmului și robustețea. În special algoritmul de avertizare a bateriei este foarte important în sistemele de stocare a energiei, dar este încă aproape un gol în industria din China. În general, industria BMS în domeniul stocării energiei are un nivel general scăzut, cu o varietate de întreprinderi de producție BMS și o calitate neuniformă a produselor. Unele întreprinderi au o înțelegere insuficientă a sistemelor de stocare a energiei. Acest lucru duce la BMS întotdeauna pe locul înalt în clasamentul defecțiunilor componentelor întregului sistem de stocare a energiei.
5 Tendința de dezvoltare a echilibrării active BMS în sistemele de stocare a energiei
(1) Tehnologia de echilibrare activă devine o tendință viitoare
Odată cu îmbunătățirea continuă a cerințelor de performanță pentru sistemele de stocare a energiei, avantajele tehnologiei de echilibrare activă devin din ce în ce mai importante. Poate îmbunătăți în mod eficient consistența pachetului de baterii, îmbunătățind astfel performanța generală a sistemului de stocare a energiei. În aplicațiile practice, tehnologia de echilibrare activă poate transfera energie de la bateriile cu energie ridicată la bateriile cu consum redus de energie, realizând echilibrul energetic în pachetul de baterii, la fel ca tăierea punctelor forte și a punctelor slabe ale plăcilor de lemn. Această tehnologie nu numai că are eficiență ridicată și pierderi reduse, dar are și un curent echilibrat mare și rezultate rapide. Prin urmare, tehnologia de echilibrare activă va fi aplicată pe scară largă în sistemele de gestionare a bateriilor de stocare a energiei și va deveni o tendință de dezvoltare viitoare.
(2) Localizarea componentelor cheie
Dezvoltarea industriei interne BMS trebuie să se concentreze pe localizarea componentelor cheie. În prezent, BMS-ul de stocare a energiei din China a început relativ târziu, iar componentele cheie se bazează pe importuri, ceea ce nu numai că crește costurile, dar se poate confrunta și cu riscul unei aprovizionări instabile. Îmbunătățirea capacităților independente de cercetare și dezvoltare și realizarea localizării componentelor cheie sunt cruciale pentru creșterea competitivității industriei BMS din China. De exemplu, un raport de cercetare publicat de China International Capital Corporation (CICC) a subliniat că există mare loc de îmbunătățire a ratei de localizare a cipurilor de gestionare a bateriilor, iar producătorii locali se confruntă cu oportunități semnificative de afaceri. Odată cu creșterea spațiului de pe piața internă din aval și creșterea ponderii producătorilor locali din aval, se așteaptă ca producătorii locali de cipuri de gestionare a bateriilor să aducă noi oportunități.
(3) Integrare îmbunătățită a produsului
În viitor, combinația de algoritmi de stare a bateriei și big data bazate pe cloud va deveni mainstream, iar algoritmii de inteligență artificială vor fi, de asemenea, aplicați pe scară largă în BMS. Acest lucru va îmbunătăți fiabilitatea și securitatea sistemului. De exemplu, brevetul pentru „Convertor de stocare a energiei și sistem de stocare a energiei” aplicat de Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. simplifică designul, reduce complexitatea și numărul de componente ale sistemului și reduce semnificativ designul cost și dificultate de integrare. În același timp, designul unității de control permite dispozitivului să aloce inteligent puterea, îmbunătățind eficiența operațională a sistemului de stocare a energiei. Odată cu progresul continuu al tehnologiei, integrarea produselor BMS va continua să se îmbunătățească, oferind un sprijin mai puternic pentru dezvoltarea sistemelor de stocare a energiei.