Система управления батареями (BMS) — это технология, специально разработанная для контроля аккумуляторных блоков, которые представляют собой компоненты аккумуляторных элементов, которые электрически организованы в матричную конфигурацию строк-столбцов для обеспечения целевого диапазона напряжения и тока для ожидаемых условий нагрузки в течение определенного периода времени. .
Надзор, осуществляемый BMS, обычно включает в себя:
- Мониторинг батареи
- Обеспечьте защиту аккумулятора
- Оцените рабочее состояние аккумулятора
- Постоянная оптимизация производительности аккумулятора
- Сообщать о рабочем состоянии внешним устройствам
Здесь термин 'батарея' означает весь аккумуляторный блок; Однако функции мониторинга и управления конкретно применяются к отдельным батареям или аккумуляторным блокам, называемым модулями в составе всего аккумуляторного блока. Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют самую высокую плотность энергии и являются стандартным выбором для многих потребительских аккумуляторов, от ноутбуков до электромобилей. Хотя они работают хорошо, они могут быть весьма безжалостными, если эксплуатировать их за пределами типично жесткой безопасной рабочей зоны (SOA), что приводит к самым разным последствиям: от снижения производительности аккумулятора до совершенно опасных последствий. Должностная инструкция BMS, несомненно, сложна, поскольку ее общая сложность и объем надзора могут включать в себя несколько дисциплин, таких как электрическое, цифровое, контрольное, тепловое и гидравлическое.
Как работает система управления аккумулятором?
Не существует фиксированного или уникального стандарта, который должен быть принят для систем управления батареями. Объем технического проектирования и особенности реализации обычно связаны со следующим:
- Стоимость, сложность и размер аккумуляторных блоков.
- Применение батарей и любые вопросы безопасности, срока службы и гарантии.
- Сертификационные требования различных государственных постановлений: если меры функциональной безопасности отсутствуют, решающее значение имеют затраты и штрафы.
BMS имеет множество конструктивных функций, а управление защитой аккумуляторных батарей и управление емкостью являются двумя основными функциями. Здесь мы обсудим, как работают эти две функции. Существует две ключевые области управления защитой аккумуляторных батарей: электрическая защита, которая означает, что батареи не могут быть повреждены при использовании за пределами SOA; Тепловая защита, которая включает пассивный и/или активный контроль температуры для поддержания или перевода аккумуляторной батареи в состояние SOA.
Защита электрического управления: ток
Мониторинг тока аккумуляторной батареи и напряжения батареи или модуля является способом обеспечения электрической защиты. Электрический SOA любого аккумуляторного элемента ограничен током и напряжением. На рисунке 1 показана типичная литий-ионная батарея SOA, в которой хорошо спроектированная BMS защитит аккумуляторную батарею, предотвращая ее работу за пределами номинальных характеристик батареи, указанных производителем. Во многих случаях в зоне безопасности SOA можно применить дальнейшее снижение номинальных характеристик, чтобы продлить срок службы батареи.
Литий-ионные аккумуляторы имеют разные пределы тока зарядки и тока разряда, и оба режима могут выдерживать более высокие пиковые токи, даже если время зарядки короткое. Производители аккумуляторов обычно указывают максимальные пределы тока непрерывной зарядки и разрядки, а также пределы пикового напряжения зарядки и разрядки. BMS, обеспечивающая токовую защиту, обязательно будет применять максимальный постоянный ток. Однако перед этим могут быть учтены резкие изменения условий нагрузки; Например, резкое ускорение электромобилей. BMS может комбинировать мониторинг пикового тока, интегрируя ток и принимая решение о снижении доступного тока или полном прерывании группового тока по истечении времени Δ. Это позволяет BMS иметь почти мгновенную чувствительность к экстремальным пикам тока, таким как ситуации короткого замыкания, которые не привлекают внимания резидентных предохранителей, но также может выдерживать высокие пиковые нагрузки, если они не являются чрезмерными в течение слишком долгого времени.
Защита электрического управления: напряжение
На рисунке 2 показано, что литий-ионные аккумуляторы должны работать в определенном диапазоне напряжений. Эти границы SOA в конечном итоге будут определяться химическими свойствами выбранной литий-ионной батареи и температурой батареи в любой момент времени. Кроме того, из-за большого количества циклических циклов тока, разрядки из-за нагрузки и зарядки от различных источников энергии, которым подвергается любой аккумуляторный блок, эти ограничения по напряжению SOA часто дополнительно ограничиваются для оптимизации срока службы аккумулятора. BMS должна знать, каковы эти ограничения, и принимать решения, исходя из близости этих пороговых значений. Например, при приближении к пределу высокого напряжения BMS может запросить постепенное снижение зарядного тока или, если предел достигнут, может запросить полное прекращение зарядного тока. Однако это ограничение часто сопровождается дополнительными соображениями, связанными с гистерезисом напряжения, чтобы предотвратить колебания регулирования относительно порога выключения. С другой стороны, при приближении к нижнему пределу напряжения BMS будет запрашивать критические активные, не соответствующие требованиям нагрузки, чтобы снизить их потребляемый ток. В случае электромобилей этого можно достичь за счет снижения допустимого крутящего момента тягового двигателя. Конечно, BMS должна уделять приоритетное внимание безопасности водителя и защищать аккумуляторную батарею от необратимого повреждения.
Защита терморегулирования: Температура
На первый взгляд литий-ионные аккумуляторы имеют широкий диапазон рабочих температур, но из-за значительно более медленной скорости химических реакций общая емкость аккумулятора снижается при низких температурах. Что касается способности работать при низких температурах, их производительность действительно намного лучше, чем у свинцово-кислотных или NiMh аккумуляторов; Однако контроль температуры имеет решающее значение, поскольку зарядка при температуре ниже 0 градуса C (32 градуса F) физически проблематична. Во время зарядки при температуре ниже нуля на аноде может возникнуть гальваническое явление металлического лития. Это необратимое повреждение, которое не только приводит к снижению емкости, но и увеличивает вероятность выхода аккумулятора из строя при воздействии вибрации или других стрессовых условиях. BMS может контролировать температуру аккумуляторной батареи посредством нагрева и охлаждения.
Реализация управления температурным режимом полностью зависит от размера и стоимости аккумуляторной батареи, целей производительности, стандартов проектирования BMS и единиц продукции, которые могут включать в себя соображения для целевой географической области. Независимо от типа обогревателя, обычно более эффективно извлекать энергию из внешнего источника переменного тока или из альтернативных стационарных батарей, используемых для работы обогревателя, когда это необходимо. Однако, если электронагреватель имеет умеренное потребление тока, энергия от основного аккумуляторного блока может быть перекачана для нагрева самого себя. Если используется горячая гидравлическая система, для нагрева охлаждающей жидкости, перекачиваемой и распределяемой по всему компоненту, используется электрический нагреватель.
Несомненно, инженеры-конструкторы BMS обладают некоторыми навыками в области проектирования, позволяющими подавать тепловую энергию в аккумуляторные блоки. Например, можно включить различные силовые электронные устройства, предназначенные для управления мощностью в BMS. Хотя он и не так эффективен, как прямое отопление, его все же можно использовать, несмотря ни на что. Охлаждение особенно важно для минимизации потери производительности литий-ионных аккумуляторов. Например, возможно, данная батарея работает лучше всего при температуре 20 градусов Цельсия; Если температура упаковки увеличивается до 30 градусов C, эффективность ее работы может снизиться на 20%. Если аккумуляторный блок постоянно заряжается и перезаряжается при температуре 45 градусов C (113 градусов F), потеря производительности может достигать 50%. При постоянном воздействии перегретой среды, особенно во время быстрых циклов зарядки и разрядки, срок службы батареи также может возрасти и преждевременно ухудшиться. Охлаждение обычно достигается двумя методами: пассивным или активным, и можно использовать оба метода. Пассивное охлаждение основано на движении воздушного потока для охлаждения аккумулятора. Что касается электромобилей, то это означает, что они ездят только по дороге. Однако это может быть сложнее, чем кажется, поскольку датчик скорости воздуха может быть интегрирован вместе, чтобы стратегически автоматически регулировать отклоняющую воздушную заслонку для максимизации потока воздуха. Использование вентиляторов с активной регулировкой температуры может оказаться полезным на низких скоростях или когда автомобиль остановлен, но все это делается только для того, чтобы поддерживать температуру аккумуляторной батареи такой же, как и окружающая среда. Если погода жаркая, это может повысить начальную температуру упаковки. Горячее гидравлическое активное охлаждение может быть спроектировано как дополнительная система, обычно с использованием охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля с заданным соотношением смешивания, циркулирующей по трубам/шлангам, распределительным коллекторам, перекрестноточным теплообменникам (радиаторам) и охлаждающим пластинам против компонентов аккумуляторной батареи с использованием электрического насос. BMS контролирует температуру всей аккумуляторной батареи и открывает и закрывает различные клапаны, чтобы поддерживать температуру всей батареи в узком температурном диапазоне, чтобы обеспечить оптимальную производительность батареи.
Управление мощностями
Увеличение емкости аккумуляторной батареи можно считать одной из наиболее важных характеристик производительности батареи, обеспечиваемых BMS. Если не провести данное техническое обслуживание, аккумуляторная батарея со временем может прийти в негодность. Корень проблемы заключается в том, что «укладка» аккумуляторных блоков (батарейных массивов) не полностью одинакова и по существу имеет несколько разные скорости утечки или саморазряда. Утечка – это не дефект производителя, а скорее химические свойства батареи, хотя статистически на нее могут влиять незначительные изменения производственного процесса. Первоначально аккумуляторные блоки могут иметь хорошо подобранные батареи, но со временем сходство между батареями еще больше уменьшается не только из-за саморазряда, но также из-за циклов зарядки/разрядки, повышения температуры и общего календарного старения. Имея это в виду, вспоминая предыдущее обсуждение, литий-ионные батареи работают хорошо, но могут быть весьма безжалостными, если эксплуатироваться за пределами строгих требований SOA. Ранее мы узнали о необходимой электрической защите, поскольку литий-ионные аккумуляторы плохо переносят перезарядку. После полной зарядки они не могут принимать больший ток, любая дополнительная энергия будет преобразована в тепло, а напряжение может быстро возрасти, потенциально достигая опасного уровня. Это нездоровое состояние для аккумуляторов, и если оно сохранится, это может привести к необратимому повреждению и небезопасным условиям эксплуатации.
Последовательное соединение аккумуляторных блоков определяет напряжение всего аккумуляторного блока, а несоответствие между соседними аккумуляторными батареями может вызвать трудности при попытке зарядить любой аккумуляторный блок. На рисунке 3 показано, почему это происходит. Если у человека полностью сбалансированный комплект аккумуляторов, то все в порядке, поскольку каждый аккумулятор будет заряжаться одинаково, а зарядный ток можно отключить при достижении верхнего порога напряжения 4.0. Однако в несбалансированной ситуации верхняя батарея достигнет предела зарядки раньше запланированного срока, и зарядный ток ветви необходимо прекратить до того, как другие нижние батареи зарядятся до полной емкости.
Чтобы продемонстрировать принцип его работы, необходимо объяснить ключевое определение. Состояние заряда (SOC) батареи или модуля в данный момент прямо пропорционально доступной мощности относительно общей мощности при полной зарядке. Таким образом, аккумулятор с уровнем SOC 50 % означает, что он заряжен на 50 %, что соответствует добротности измерителя мощности. Управление емкостью BMS заключается в балансировке изменений SOC каждого стека в аккумуляторном блоке. Поскольку SOC не является непосредственно измеримой величиной, его можно оценить с помощью различных методов, а саму схему балансировки обычно делят на две категории: пассивную и активную. Существует множество вариаций тем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Инженер-конструктор BMS решает, какой из них наиболее подходит для данного аккумуляторного блока и его применения. Пассивного баланса достичь проще всего, и он также может объяснить общую концепцию баланса. Пассивные методы позволяют каждой батарее в аккумуляторном блоке иметь такую же зарядную емкость, как и самая слабая батарея. Он использует относительно низкий ток для передачи небольшого количества энергии от батарей с высоким SOC во время цикла зарядки, так что все батареи могут быть заряжены до максимального SOC. Рисунок 4 иллюстрирует, как BMS достигает этого. Он контролирует каждую батарею и использует транзисторные переключатели и разрядные резисторы соответствующего размера параллельно с каждой батареей. Когда BMS обнаруживает, что данная батарея приближается к пределу заряда, она направляет избыточный ток вокруг нее сверху вниз к следующей батарее ниже.
Конечные точки процесса балансировки до и после показаны на рисунке 5. Вкратце, BMS позволяет батареям или модулям в аккумуляторном блоке видеть зарядные токи, которые отличаются от тока аккумуляторного блока, чтобы сбалансировать аккумуляторный блок одним из следующих способов. методы:
Снятие заряда с наиболее заряженной батареи обеспечивает запас для дополнительного зарядного тока во избежание перезарядки и позволяет менее заряженным батареям получать больший зарядный ток.
Перемещение части или почти всего зарядного тока вокруг наиболее заряженной батареи, что позволяет менее заряженным батареям получать зарядный ток в течение более длительного периода времени.
Типы систем управления батареями
Система управления аккумулятором может использовать различные технологии, от простых до сложных, для выполнения основных задач «заботы о аккумуляторе». Однако эти системы можно классифицировать по топологии, связанной с их установкой и работой на батареях или модулях всего аккумуляторного блока.
Централизованная архитектура BMS
В аккумуляторном блоке имеется центральная BMS. Все аккумуляторные блоки напрямую подключены к центральной BMS. Структура централизованной BMS показана на рисунке 6. Централизованная BMS имеет некоторые преимущества. Он более компактен и зачастую наиболее экономичен, поскольку BMS всего один. Однако централизованная BMS имеет и недостатки. Поскольку все батареи напрямую подключаются к BMS, для подключения всех аккумуляторных блоков BMS требуется множество портов. Это означает, что в больших аккумуляторных блоках имеется большое количество проводов, кабелей, разъемов и т. д., что усложняет поиск и устранение неисправностей и техническое обслуживание.
Модульная топология BMS
Подобно централизованной реализации, BMS разделена на несколько повторяющихся модулей, каждый из которых имеет выделенный пучок проводов и подключен к соседним назначенным частям аккумуляторной батареи. См. рисунок 7. В некоторых случаях эти субмодули BMS могут находиться под контролем основного модуля BMS, функция которого заключается в контроле состояния субмодулей и обмене данными с периферийными устройствами. Благодаря повторяющейся модульности упрощается устранение неполадок и техническое обслуживание, а также легко расширяется до более крупных аккумуляторных блоков. Недостатком является то, что общая стоимость немного выше, и в зависимости от приложения могут быть дублирующиеся неиспользуемые функции.
Первичная/вторичная BMS
Однако, концептуально аналогично модульной топологии, в этом случае ведомые устройства более ограничены только передачей измерительной информации, в то время как ведущие устройства предназначены для вычислений и управления, а также внешней связи. Таким образом, несмотря на схожесть с модульными типами, стоимость может быть ниже, поскольку функциональность устройства часто проще, накладные расходы могут быть ниже и может быть меньше неиспользуемых функций.
Распределенная архитектура BMS
В отличие от других топологий, в них электронное оборудование и программное обеспечение инкапсулированы в модули, которые подключаются к аккумулятору посредством жгутов проводов. Распределенная BMS объединяет все электронное оборудование на плате управления, расположенной непосредственно на контролируемой батарее или модуле. Это уменьшает необходимость в обширной проводке нескольких проводов датчиков и проводов связи между соседними модулями BMS. Таким образом, каждая BMS более независима и выполняет вычисления и обмен данными по мере необходимости. Однако, несмотря на очевидную простоту, такая интегрированная форма делает поиск и устранение неисправностей и техническое обслуживание потенциальной проблемой, поскольку она расположена глубоко внутри компонентов экранированного модуля. Стоимость часто выше, поскольку во всей конструкции аккумуляторного блока больше BMS.
Важность системы управления батареями
В BMS функциональная безопасность является наиболее важной. Крайне важно не допускать превышения напряжения, тока и температуры любой батареи или модуля, находящихся под наблюдением и контролем, указанных пределов SOA во время операций зарядки и разрядки. Если лимит будет превышен в течение определенного периода времени, это повлияет не только на потенциально дорогие аккумуляторные блоки, но также может возникнуть опасная ситуация, связанная с перегревом. Кроме того, для защиты литий-ионных аккумуляторов и обеспечения функциональной безопасности необходим также строгий контроль нижних пороговых значений напряжения. Если литий-ионные батареи хранятся в состоянии низкого напряжения, на аноде могут со временем вырасти медные дендриты, что может привести к увеличению скорости саморазряда и потенциальным проблемам с безопасностью. Цена высокой плотности энергии в литий-ионных энергосистемах заключается в том, что здесь практически нет места ошибкам управления батареями. Благодаря усовершенствованиям в BMS и литий-ионных батареях, это один из самых успешных и безопасных химикатов для аккумуляторов, доступных сегодня.
Производительность аккумуляторной батареи — вторая по важности функция BMS, которая включает в себя электрическое и температурное управление. Чтобы электрически оптимизировать общую емкость батареи, все батареи в аккумуляторном блоке должны быть сбалансированы, что означает, что SOC соседних батарей во всем компоненте примерно одинаков. Это очень важно, поскольку это не только обеспечивает оптимальную емкость батареи, но также помогает предотвратить широкомасштабную деградацию и уменьшить потенциальные точки перезарядки слабых батарей. Литий-ионные аккумуляторы следует избегать разрядки ниже нижнего предела напряжения, поскольку это может привести к эффекту памяти и значительной потере емкости. Электрохимические процессы очень чувствительны к температуре, и аккумуляторы не являются исключением. Когда температура окружающей среды падает, емкость и доступная энергия аккумулятора значительно уменьшаются. Таким образом, BMS может подключать внешние онлайн-нагреватели, расположенные в системах жидкостного охлаждения, таких как аккумуляторные блоки электромобилей, или включать резидентные нагревательные пластины, установленные под модулями аккумуляторных блоков в вертолетах или других летательных аппаратах. Кроме того, поскольку зарядка низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов не способствует увеличению срока их службы, важно сначала полностью повысить температуру аккумулятора. Большинство литий-ионных аккумуляторов нельзя быстро заряжать при температуре ниже 5 градусов Цельсия, и их вообще не следует заряжать при температуре ниже 0 градусов Цельсия. Для достижения оптимальной производительности при обычном эксплуатационном использовании система управления температурой BMS обычно обеспечивает работу батареи в пределах узкая рабочая зона Златовласки (например, 30-35 градус C). Это может защитить производительность, продлить срок службы и создать здоровые и надежные аккумуляторные блоки.
Преимущества системы управления батареями
Полная аккумуляторная система хранения энергии, широко известная как BESS, может быть стратегически собрана из десятков, сотен или даже тысяч литий-ионных батарей, в зависимости от применения. Номинальное напряжение этих систем может быть менее 100 В, но может достигать 800 В, с диапазоном тока питания аккумуляторной батареи до 300 А или выше. Любое ненадлежащее обращение с высоковольтными аккумуляторными блоками может привести к катастрофическим катастрофам, ставящим под угрозу жизнь людей. Таким образом, BMS имеет решающее значение для обеспечения безопасной эксплуатации. Преимущества BMS можно резюмировать следующим образом.
Функциональная безопасность.Само собой разумеется, что для крупногабаритных литий-ионных аккумуляторов это особенно важно и необходимо. Но, как известно, даже меньшие форматы, используемые в ноутбуках, могут загореться и нанести значительный ущерб. Личная безопасность пользователей продуктов, содержащих литий-ионные системы питания, не оставляет места для ошибок при управлении батареями.
Срок службы и надежность.Управление защитой аккумуляторных батарей, электрической и тепловой, обеспечивающее использование всех батарей в соответствии с заявленными требованиями SOA. Этот тонкий контроль обеспечивает безопасное использование и быстрые циклы зарядки и разрядки аккумулятора, а также неизбежно создает стабильную систему, которая может обеспечить долгие годы надежной службы.
Производительность и сфера применения.Управление емкостью аккумуляторной батареи BMS, которое использует балансировку между батареями для балансировки SOC соседних батарей на компонентах аккумуляторной батареи, обеспечивая оптимальную емкость батареи. Без этой функции BMS, учитывающей изменения в саморазряде, циклах зарядки/разрядки, температурных эффектах и общем старении, аккумуляторная батарея в конечном итоге может стать бесполезной.
Диагностика, сбор данных и внешняя связь.Задача контроля включает в себя непрерывный мониторинг всех элементов батареи, при этом сама запись данных может использоваться для диагностики, но обычно используется для вычислительных задач по прогнозированию SOC всех батарей в компоненте. Эта информация используется для алгоритмов балансировки, но может передаваться внешним устройствам и дисплеям для указания доступной внутренней энергии, оценки ожидаемого радиуса действия или радиуса действия/срока службы на основе текущего использования, а также предоставления информации о состоянии аккумуляторной батареи.
Уменьшите затраты и гарантию.Внедрение BMS в BESS увеличивает затраты, а аккумуляторный блок дорог и потенциально опасен. Чем сложнее система, тем выше требования к безопасности, следовательно, требуется больший контроль BMS. Однако защита и профилактическое обслуживание BMS с точки зрения функциональной безопасности, срока службы и надежности, производительности и объема, диагностики и т. д. гарантируют снижение общих затрат, включая затраты, связанные с гарантией.
Заключение
Моделирование является ценным союзником в проектировании BMS, особенно когда оно применяется для изучения и решения проблем проектирования при разработке оборудования, прототипировании и тестировании. Благодаря точной модели литий-ионной батареи имитационная модель архитектуры BMS считается исполняемой спецификацией для виртуальных прототипов. Кроме того, моделирование позволяет безболезненно исследовать варианты функций мониторинга BMS для различных сценариев эксплуатации батареи и окружающей среды. Проблемы реализации могут быть выявлены и исследованы на ранней стадии, что позволяет проверить улучшения производительности и функциональной безопасности перед внедрением на реальных прототипах оборудования. Это сокращает время разработки и помогает гарантировать надежность первого прототипа оборудования. Кроме того, при проведении во встроенных системных приложениях многие тесты аутентификации могут выполняться на BMS и аккумуляторных блоках, включая сценарии наихудшего случая.