Sistemul de management al bateriei (BMS) este o tehnologie special concepută pentru a supraveghea pachetele de baterii, care sunt componente ale celulelor bateriei care sunt organizate electric într-o configurație de matrice de coloană de rând pentru a oferi o gamă țintă de tensiune și curent pentru condițiile de sarcină așteptate pe o perioadă de timp. .
Supravegherea oferită de BMS include de obicei:
- Monitorizarea bateriei
- Asigurați protecție bateriei
- Estimați starea de funcționare a bateriei
- Optimizarea continuă a performanței bateriei
- Raportați starea operațională dispozitivelor externe
Aici, termenul 'baterie„ înseamnă întregul pachet de baterii; Cu toate acestea, funcțiile de monitorizare și control sunt aplicate în mod specific bateriilor individuale sau pachetelor de baterii denumite module din întregul ansamblu de acumulatori. Bateriile reîncărcabile cu litiu-ion au cea mai mare densitate de energie și sunt alegerea standard pentru multe pachete de baterii de consum, de la laptopuri la vehicule electrice. Deși funcționează bine, pot fi destul de nemilos dacă sunt operate în afara zonei de operare securizate (SOA), cu rezultate variind de la performanța dăunătoare a bateriei până la consecințe complet periculoase. Descrierea postului BMS este, fără îndoială, o provocare, deoarece complexitatea sa generală și domeniul de aplicare a supravegherii pot implica mai multe discipline, cum ar fi electrică, digitală, control, termică și hidraulică.
Cum funcționează sistemul de management al bateriei?
Nu există un standard fix sau unic care trebuie adoptat pentru sistemele de management al bateriei. Sfera de aplicare a proiectării tehnice și caracteristicile implementării sunt de obicei legate de următoarele:
- Costul, complexitatea și dimensiunea pachetelor de baterii
- Aplicarea bateriilor și orice probleme legate de siguranță, durată de viață și garanție
- Cerințele de certificare ale diferitelor reglementări guvernamentale, dacă măsurile de siguranță funcțională nu sunt în vigoare, costurile și penalitățile sunt cruciale
BMS are multe funcții de proiectare, iar managementul protecției acumulatorului și managementul capacității sunt două funcții de bază. Vom discuta aici cum funcționează aceste două funcții. Există două domenii cheie ale managementului protecției pachetului de baterii: protecția electrică, ceea ce înseamnă că bateriile nu au voie să fie deteriorate atunci când sunt utilizate în afara SOA; Protecție termică, care implică controlul pasiv și/sau activ al temperaturii pentru a menține sau aduce acumulatorul în SOA.
Protecția managementului electric: curent
Monitorizarea curentului acumulatorului și a tensiunii bateriei sau modulului este o modalitate de a obține protecție electrică. SOA electrică a oricărei celule de baterie este constrânsă de curent și tensiune. Figura 1 prezintă o baterie SOA tipică cu litiu-ion, în care un BMS bine proiectat va proteja acumulatorul împiedicându-l să funcționeze în afara valorii nominale a bateriei producătorului. În multe cazuri, o reducere suplimentară poate fi aplicată în zona de siguranță SOA pentru a prelungi durata de viață a bateriei.
Bateriile cu ioni de litiu au limite de curent de încărcare și limite de curent de descărcare diferite, iar ambele moduri pot face față curenților de vârf mai mari, chiar dacă timpul este scurt. Producătorii de baterii specifică în mod obișnuit limite maxime de curent continuu de încărcare și descărcare, precum și limite de tensiune maximă de încărcare și descărcare. BMS care oferă protecție curentă va aplica cu siguranță un curent continuu maxim. Cu toate acestea, modificările bruște ale condițiilor de încărcare pot fi luate în considerare înainte de aceasta; De exemplu, accelerarea bruscă a vehiculelor electrice. BMS poate combina monitorizarea curentului de vârf prin integrarea curentului și decizia de a reduce curentul disponibil sau de a întrerupe complet curentul de grup după timpul Δ. Acest lucru permite BMS să aibă o sensibilitate aproape instantanee la vârfurile extreme de curent, cum ar fi situațiile de scurtcircuit care nu atrag atenția niciunui siguranță rezidentă, dar poate, de asemenea, să tolereze solicitări de vârf ridicate, atâta timp cât acestea nu sunt excesive pentru prea mult timp.
Protecția managementului electric: tensiune
Figura 2 arată că bateriile litiu-ion trebuie să funcționeze într-un anumit interval de tensiune. Aceste limite SOA vor fi determinate în cele din urmă de proprietățile chimice inerente ale bateriei litiu-ion selectate și de temperatura bateriei la un moment dat. În plus, datorită cantității mari de cicluri de curent, a descărcării din cauza cererii de sarcină și a încărcării din diverse surse de energie la care suferă orice acumulator, aceste limitări ale tensiunii SOA sunt adesea limitate și mai mult pentru a optimiza durata de viață a bateriei. BMS trebuie să știe care sunt aceste limitări și să ia decizii în funcție de proximitatea acestor praguri. De exemplu, atunci când se apropie de limita de înaltă tensiune, BMS poate solicita o scădere treptată a curentului de încărcare sau, dacă limita este atinsă, poate solicita oprirea completă a curentului de încărcare. Cu toate acestea, această limitare este adesea însoțită de considerații suplimentare legate de histerezisul tensiunii pentru a preveni oscilațiile de control privind pragul de oprire. Pe de altă parte, atunci când se apropie de limita de joasă tensiune, BMS va solicita sarcini critice active neconforme pentru a reduce cererea lor curentă. În cazul vehiculelor electrice, acest lucru se poate realiza prin reducerea cuplului permis disponibil pentru motorul de tracțiune. Desigur, BMS trebuie să acorde prioritate siguranței șoferului și să protejeze acumulatorul de deteriorarea permanentă.
Protecția managementului termic: Temperatură
La suprafață, bateriile litiu-ion au o gamă largă de temperatură de funcționare, dar datorită ratelor de reacție chimică semnificativ mai lente, capacitatea totală a bateriei scade la temperaturi scăzute. În ceea ce privește capacitatea la temperaturi scăzute, performanța lor este într-adevăr mult mai bună decât bateriile plumb-acid sau NiMh; Cu toate acestea, gestionarea temperaturii este crucială, deoarece încărcarea sub 0 grade C (32 grade F) este problematică din punct de vedere fizic. În timpul încărcării sub îngheț, fenomenul de galvanizare a litiului metalic poate apărea pe anod. Aceasta este o deteriorare permanentă care nu numai că duce la o scădere a capacității, dar crește și probabilitatea defecțiunii bateriei dacă este supus la vibrații sau la alte condiții de stres. BMS poate controla temperatura acumulatorului prin încălzire și răcire.
Implementarea managementului termic depinde în întregime de dimensiunea și costul pachetului de baterii, obiectivele de performanță, standardele de proiectare BMS și unitățile de produs, care pot include considerații pentru zona geografică țintă. Indiferent de tipul de încălzitor, este de obicei mai eficient să extragi energie dintr-o sursă externă de curent alternativ sau din bateriile rezidente alternative folosite pentru a opera încălzitorul atunci când este necesar. Cu toate acestea, dacă încălzitorul electric are un consum moderat de curent, energia din acumulatorul principal poate fi sifonată pentru a se încălzi. Dacă se folosește un sistem hidraulic cald, se folosește un încălzitor electric pentru a încălzi lichidul de răcire pompat și distribuit în întreaga componentă.
Fără îndoială, inginerii de proiectare BMS au unele abilități în industria de proiectare pentru a picura energie termică în pachetele de baterii. De exemplu, diferite dispozitive electronice de putere dedicate gestionării capacității în cadrul BMS pot fi pornite. Deși nu este la fel de eficientă ca încălzirea directă, poate fi utilizată indiferent de situație. Răcirea este deosebit de importantă pentru a minimiza pierderea de performanță a acumulatorilor litiu-ion. De exemplu, poate o anumită baterie funcționează cel mai bine la 20 de grade C; Dacă temperatura ambalajului crește la 30 de grade C, eficiența sa de performanță poate scădea cu 20%. Dacă acumulatorul este încărcat și reîncărcat continuu la o temperatură de 45 grade C (113 grade F), pierderea de performanță poate fi de până la 50%. Dacă este expus în mod continuu la medii supraîncălzite, în special în timpul ciclurilor rapide de încărcare și descărcare, durata de viață a bateriei se poate îmbătrâni și se poate degrada prematur. Răcirea se realizează de obicei prin două metode, pasivă sau activă, iar ambele tehnici pot fi utilizate. Răcirea pasivă se bazează pe mișcarea fluxului de aer pentru a răci bateria. În ceea ce privește vehiculele electrice, aceasta înseamnă că circulă doar pe șosea. Cu toate acestea, poate fi mai complex decât pare, deoarece senzorul de viteză a aerului poate fi integrat împreună pentru a regla strategic automat barajul de aer pentru a maximiza fluxul de aer. Implementarea ventilatoarelor active controlate de temperatură poate fi utilă la viteze mici sau când vehiculul este oprit, dar toate acestea sunt doar pentru a menține acumulatorul la aceeași temperatură cu mediul înconjurător. Dacă vremea este caldă, aceasta poate crește temperatura inițială a ambalajului. Răcirea activă hidraulică fierbinte poate fi proiectată ca un sistem suplimentar, utilizând, de obicei, lichid de răcire cu etilenglicol cu un raport de amestec specificat, care circulă prin țevi/furtunuri, galerii de distribuție, schimbătoare de căldură cu flux transversal (radiatoare) și plăci de răcire împotriva componentelor pachetului de baterii utilizând un dispozitiv electric. pompa. BMS monitorizează temperatura întregului pachet de baterii și deschide și închide diferite supape pentru a menține temperatura întregii baterii într-un interval de temperatură îngust pentru a asigura performanța optimă a bateriei.
Managementul capacitatii
Maximizarea capacității acumulatorului poate fi considerată una dintre cele mai importante caracteristici de performanță a bateriei oferite de BMS. Dacă această întreținere nu este efectuată, acumulatorul poate deveni în cele din urmă inutil. Rădăcina problemei constă în faptul că „stivuirea” pachetelor de baterii (matrice de serie de baterii) nu este complet egală și, în esență, are rate de scurgere sau autodescărcare ușor diferite. Scurgerea nu este un defect al producătorului, ci mai degrabă proprietățile chimice ale bateriei, deși pot fi afectate statistic de modificări minore ale procesului de fabricație. Inițial, bateriile pot avea baterii potrivite, dar în timp, asemănarea dintre baterii scade și mai mult, nu numai din cauza autodescărcării, ci și influențată de ciclurile de încărcare/descărcare, creșterea temperaturii și îmbătrânirea generală a calendarului. Având în vedere acest lucru, amintind discuția anterioară, bateriile litiu-ion funcționează bine, dar pot fi destul de nemilos dacă sunt operate în afara strictului SOA. Am aflat anterior despre protecția electrică necesară, deoarece bateriile cu litiu-ion nu pot face față bine supraîncărcării. Odată încărcate complet, nu pot accepta mai mult curent, orice energie suplimentară va fi convertită în căldură, iar tensiunea poate crește rapid, atingând potențial niveluri periculoase. Aceasta nu este o condiție sănătoasă pentru celule și, dacă persistă, poate provoca daune permanente și condiții de funcționare nesigure.
Conexiunea în serie a rețelelor de baterii determină tensiunea întregului pachet de baterii, iar nepotrivirea dintre bateriile adiacente poate cauza dificultăți atunci când încercați să încărcați orice acumulator. Figura 3 arată de ce se întâmplă acest lucru. Dacă o persoană are un set complet echilibrat de baterii, atunci totul este în regulă, deoarece fiecare baterie se va încărca în mod egal, iar curentul de încărcare poate fi întrerupt atunci când este atins pragul superior de tensiune 4.0. Cu toate acestea, într-o situație dezechilibrată, bateria de sus își va atinge limita de încărcare înainte de program, iar curentul de încărcare al ramificației trebuie să fie oprit înainte ca alte baterii inferioare să fie încărcate la capacitate maximă.
Pentru a demonstra principiul său de funcționare, trebuie explicată o definiție cheie. Starea de încărcare (SOC) a unei baterii sau a unui modul la un moment dat este direct proporțională cu puterea disponibilă în raport cu puterea totală atunci când este complet încărcată. Prin urmare, o baterie la 50% SOC înseamnă că a fost încărcată 50%, similar cu factorul de calitate al unui contor de putere. Gestionarea capacității BMS este de a echilibra modificările SOC ale fiecărei stive din pachetul de baterii. Deoarece SOC nu este o cantitate direct măsurabilă, poate fi estimată prin diverse tehnici, iar schema de echilibrare în sine este de obicei împărțită în două categorii: pasiv și activ. Există multe variante de teme, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje. Inginerul proiectant BMS decide care dintre ele este cel mai potrivit pentru acumulatorul dat și pentru aplicarea acestuia. Echilibrul pasiv este cel mai ușor de realizat și poate explica, de asemenea, conceptul general de echilibru. Metodele pasive permit fiecărei baterii din pachetul de baterii să aibă aceeași capacitate de încărcare ca și cea mai slabă baterie. Utilizează un curent relativ scăzut pentru a transfera o cantitate mică de energie de la bateriile cu SOC ridicat în timpul ciclului de încărcare, astfel încât toate bateriile să poată fi încărcate la SOC maxim. Figura 4 ilustrează modul în care BMS realizează acest lucru. Monitorizează fiecare baterie și utilizează comutatoare cu tranzistori și rezistențe de descărcare de dimensiuni adecvate în paralel cu fiecare baterie. Când BMS detectează că o anumită baterie se apropie de limita sa de încărcare, va ghida excesul de curent din jurul ei într-un mod de sus în jos către următoarea baterie de mai jos.
Punctele finale ale procesului de echilibrare înainte și după sunt prezentate în Figura 5. În rezumat, BMS permite bateriilor sau modulelor din acumulator să vadă curenții de încărcare care sunt diferiți de curentul acumulatorului pentru a echilibra acumulatorul printr-una dintre următoarele: metode:
Îndepărtarea încărcării de la bateria cea mai încărcată oferă spațiu liber pentru curent de încărcare suplimentar pentru a preveni supraîncărcarea și permite bateriilor mai puțin încărcate să primească mai mult curent de încărcare
Repoziționarea unei părți sau aproape a întregului curent de încărcare în jurul celei mai încărcate baterii, permițând bateriilor mai puțin încărcate să primească curent de încărcare pentru o perioadă mai lungă de timp
Tipuri de sisteme de management al bateriei
Sistemul de management al bateriei poate adopta diverse tehnologii de la simplu la complex pentru a-și îndeplini principalele instrucțiuni de „a avea grijă de baterie”. Cu toate acestea, aceste sisteme pot fi clasificate în funcție de topologia lor, care este legată de instalarea și funcționarea lor pe bateriile sau modulele întregului pachet de baterii.
Arhitectură BMS centralizată
Există un BMS central în ansamblul acumulatorului. Toate bateriile sunt conectate direct la BMS central. Structura BMS centralizat este prezentată în Figura 6. BMS centralizat are unele avantaje. Este mai compact și adesea cel mai economic deoarece există un singur BMS. Cu toate acestea, BMS centralizat are și dezavantaje. Deoarece toate bateriile sunt conectate direct la BMS, BMS necesită multe porturi pentru a conecta toate pachetele de baterii. Aceasta înseamnă că există un număr mare de fire, cabluri, conectori etc. în pachetele mari de baterii, ceea ce face depanarea și întreținerea complexă.
Topologie BMS modulară
Similar implementării centralizate, BMS este împărțit în mai multe module repetitive, fiecare cu un pachet dedicat de fire și conectat la părțile desemnate adiacente ale pachetului de baterii. Vezi Figura 7. În unele cazuri, aceste submodule BMS pot fi sub supravegherea modulului principal BMS, a cărui funcție este de a monitoriza starea submodulelor și de a comunica cu dispozitivele periferice. Datorită modularizării repetate, depanarea și întreținerea sunt mai ușoare și, de asemenea, este ușor să se extindă la baterii mai mari. Dezavantajul este că costul total este puțin mai mare și pot exista funcții neutilizate duplicat, în funcție de aplicație.
BMS primar/secundar
Cu toate acestea, similar din punct de vedere conceptual cu topologia modulară, în acest caz, dispozitivele slave sunt mai limitate doar la transmiterea informațiilor de măsurare, în timp ce dispozitivele master sunt dedicate calculului și controlului, precum și comunicării externe. Prin urmare, deși este similar cu tipurile modulare, costul poate fi mai mic, deoarece funcționalitatea dispozitivului este adesea mai simplă, costul general poate fi mai mic și pot exista mai puține funcții neutilizate.
Arhitectură BMS distribuită
Spre deosebire de alte topologii, în alte topologii, hardware-ul și software-ul electronic sunt încapsulate în module, care sunt conectate la baterie prin cablaje. BMS distribuit integrează tot hardware-ul electronic pe o placă de control plasată direct pe bateria sau modulul monitorizat. Acest lucru reduce cablarea extinsă a câtorva fire de senzori și fire de comunicație între modulele BMS adiacente. Prin urmare, fiecare BMS este mai independent și se ocupă de calcul și comunicare după cum este necesar. Cu toate acestea, în ciuda acestei simplități evidente, această formă integrată face ca depanarea și întreținerea să fie o problemă potențială, deoarece este localizată adânc în componentele modulului ecranat. Costul este adesea mai mare, deoarece există mai multe BMS în întreaga structură a pachetului de baterii.
Importanța sistemului de management al bateriei
În BMS, siguranța funcțională este cea mai importantă. Este esențial să preveniți ca tensiunea, curentul și temperatura oricărei baterii sau module aflate sub supraveghere și control să depășească limitele SOA specificate în timpul operațiunilor de încărcare și descărcare. Dacă limita este depășită pentru o perioadă de timp, nu numai că pachetele de baterii potențial scumpe vor fi afectate, dar pot exista și situații de evadare termică periculoase. În plus, pentru a proteja bateriile litiu-ion și pentru a asigura siguranța funcțională, este necesară și monitorizarea strictă a limitelor de prag de tensiune inferioară. Dacă bateriile litiu-ion sunt menținute în această stare de joasă tensiune, dendritele de cupru pot crește în cele din urmă pe anod, ceea ce ar putea duce la o creștere a ratei de autodescărcare și la potențiale probleme de siguranță. Costul densității mari de energie în sistemele de alimentare cu litiu-ion este că aproape nu există loc pentru erori de gestionare a bateriei. Datorită îmbunătățirilor aduse bateriilor BMS și litiu-ion, aceasta este una dintre cele mai de succes și mai sigure substanțe chimice ale bateriei disponibile astăzi.
Performanța acumulatorului este a doua cea mai importantă funcție a BMS, care implică managementul electric și termic. Pentru a optimiza electric capacitatea totală a bateriei, toate bateriile din pachetul de baterii trebuie echilibrate, ceea ce înseamnă că SOC al bateriilor adiacente din întreaga componentă este aproximativ egală. Acest lucru este foarte important pentru că nu numai că obține o capacitate optimă a bateriei, dar ajută și la prevenirea degradării pe scară largă și la reducerea potențialelor hotspot-uri pentru supraîncărcarea bateriilor slabe. Bateriile cu ioni de litiu ar trebui să evite descărcarea sub limita de joasă tensiune, deoarece acest lucru poate duce la efecte de memorie și pierderi semnificative de capacitate. Procesele electrochimice sunt foarte sensibile la temperatură, iar bateriile nu fac excepție. Când temperatura ambientală scade, capacitatea și energia disponibilă a bateriei vor scădea semnificativ. Prin urmare, BMS poate conecta încălzitoare externe online situate pe sisteme de răcire cu lichid, cum ar fi bateriile de vehicule electrice, sau poate activa plăcile de încălzire rezidente instalate sub modulele pachetelor de baterii din elicoptere sau alte avioane. În plus, deoarece încărcarea bateriilor cu litiu-ion la temperatură joasă nu este favorabilă duratei de viață a bateriei, este important să creșteți mai întâi complet temperatura bateriei. Majoritatea bateriilor litiu-ion nu pot fi încărcate rapid sub 5 grade C și nu trebuie încărcate deloc sub 0 grade C. Pentru a obține performanțe optime în timpul utilizării operaționale tipice, managementul termic BMS asigură de obicei că bateria funcționează în o zonă îngustă de operare Goldilocks (de ex. 30-35 grad C). Acest lucru poate proteja performanța, poate prelungi durata de viață și poate cultiva pachete de baterii sănătoase și fiabile.
Beneficiile sistemului de management al bateriei
Un sistem complet de stocare a energiei bateriei, cunoscut sub numele de BESS, poate fi asamblat strategic din zeci, sute sau chiar mii de baterii litiu-ion, în funcție de aplicație. Tensiunea nominală a acestor sisteme poate fi mai mică de 100 V, dar poate ajunge până la 800 V, cu o gamă de curent de alimentare a bateriei de până la 300 A sau mai mare. Orice gestionare defectuoasă a pachetelor de baterii de înaltă tensiune poate duce la dezastre catastrofale care pun vieți în pericol. Prin urmare, BMS este esențial pentru asigurarea funcționării în siguranță. Beneficiile BMS pot fi rezumate după cum urmează.
Siguranta functionala.Este de la sine înțeles că pentru bateriile litiu-ion de dimensiuni mari, acest lucru este deosebit de precaut și necesar. Dar, după cum se știe, chiar și formatele mai mici utilizate în laptopuri pot lua foc și pot provoca daune semnificative. Siguranța personală a utilizatorilor produselor care conțin sisteme de alimentare cu litiu-ion lasă puțin loc pentru erori de gestionare a bateriei.
Durata de viata si fiabilitate.Managementul protecției pachetului de baterii, electrice și termice, asigurându-se că toate bateriile sunt utilizate în conformitate cu cerințele SOA declarate. Această supraveghere subtilă asigură utilizarea în siguranță și ciclurile rapide de încărcare și descărcare ale bateriei și generează inevitabil un sistem stabil care poate oferi ani de funcționare fiabilă.
Performanță și amploare.Gestionarea capacității bateriei BMS, care utilizează echilibrarea între baterii pentru a echilibra SOC-ul bateriilor adiacente pe componentele pachetului de baterii, permițând capacitatea optimă a bateriei. Fără această funcție BMS care să ia în considerare modificările de autodescărcare, ciclurile de încărcare/descărcare, efectele temperaturii și îmbătrânirea generală, acumulatorul poate deveni în cele din urmă inutil.
Diagnosticare, colectare de date și comunicare externă.Sarcina de supraveghere include monitorizarea continuă a tuturor celulelor bateriei, unde înregistrarea datelor în sine poate fi utilizată pentru diagnosticare, dar este utilizată de obicei pentru sarcini de calcul pentru a prezice SOC-ul tuturor bateriilor din componentă. Aceste informații sunt utilizate pentru algoritmii de echilibrare, dar pot fi partajate cu dispozitive și afișaje externe pentru a indica energia rezidentă disponibilă, a estima intervalul așteptat sau intervalul/durata de viață pe baza utilizării curente și pentru a furniza starea de sănătate a acumulatorului.
Reduceți costurile și garanția.Introducerea BMS în BESS crește costurile, iar acumulatorul este scump și potențial periculos. Cu cât sistemul este mai complex, cu atât sunt mai mari cerințele de securitate, necesitând astfel mai multă supraveghere BMS. Cu toate acestea, protecția și întreținerea preventivă ale BMS în ceea ce privește siguranța funcțională, durata de viață și fiabilitatea, performanța și domeniul de aplicare, diagnosticul etc. asigură că va reduce costurile totale, inclusiv costurile legate de garanție.
Concluzie
Simularea este un aliat valoros în proiectarea BMS, mai ales atunci când este aplicată pentru a explora și rezolva provocările de proiectare în dezvoltarea hardware, prototipare și testare. Cu un model precis de baterie litiu-ion, modelul de simulare al arhitecturii BMS este recunoscut ca o specificație executabilă pentru prototipuri virtuale. În plus, simularea permite investigarea nedureroasă a variantelor de funcții de monitorizare BMS pentru diferite scenarii de funcționare a bateriei și a mediului. Problemele de implementare pot fi identificate și investigate din timp, permițând validarea îmbunătățirilor performanței și a siguranței funcționale înainte de implementarea pe prototipurile hardware reale. Acest lucru reduce timpul de dezvoltare și vă ajută să vă asigurați că primul prototip hardware este robust. În plus, atunci când sunt efectuate în aplicații de sistem încorporat, multe teste de autentificare pot fi efectuate pe BMS și baterii, inclusiv în cele mai defavorabile scenarii.