Система керування батареями (BMS) — це технологія, спеціально розроблена для нагляду за акумуляторними блоками, які є компонентами батарейних елементів, електрично організованих у матричній конфігурації рядка-стовпця, щоб забезпечити цільовий діапазон напруги та струму для очікуваних умов навантаження протягом певного періоду часу. .
Контроль, який забезпечує BMS, зазвичай включає:
- Моніторинг батареї
- Забезпечити захист акумулятора
- Оцініть робочий стан батареї
- Постійна оптимізація роботи акумулятора
- Повідомляти про робочий стан на зовнішні пристрої
Тут термін "акумулятор' означає весь акумуляторний блок; Однак функції моніторингу та керування застосовуються виключно до окремих батарей або батарейних блоків, які називаються модулями в усьому акумуляторному блоку. Літій-іонні акумуляторні батареї мають найвищу щільність енергії і є стандартним вибором для багатьох споживчих акумуляторних батарей, від ноутбуків до електромобілів. Незважаючи на те, що вони добре працюють, вони можуть бути досить безжальними, якщо їх експлуатувати за межами зазвичай жорсткої захищеної робочої зони (SOA), із результатами від погіршення роботи батареї до цілком небезпечних наслідків. Посадова інструкція BMS, безсумнівно, є складною, оскільки її загальна складність і обсяг нагляду можуть включати кілька дисциплін, таких як електрика, цифрове обладнання, управління, термічне та гідравлічне.
Як працює система керування акумулятором?
Немає фіксованого або унікального стандарту, який необхідно прийняти для систем керування акумулятором. Обсяг технічного проекту та характеристики реалізації зазвичай пов'язані з наступним:
- Вартість, складність і розмір акумуляторних батарей
- Застосування батарей і будь-які питання безпеки, терміну служби та гарантії
- Сертифікаційні вимоги різних державних постанов, якщо заходи функціональної безпеки не впроваджені, вартість і штрафи є вирішальними
BMS має багато проектних функцій, а керування захистом акумуляторної батареї та керування ємністю є двома основними функціями. Тут ми обговоримо, як працюють ці дві функції. Існує дві ключові сфери управління захистом акумуляторної батареї: електричний захист, що означає, що батареї не можуть бути пошкоджені під час використання за межами SOA; Тепловий захист, який передбачає пасивний і/або активний контроль температури для підтримки або переведення акумуляторної батареї в SOA.
Захист електромережі: струм
Контроль струму акумуляторної батареї та напруги батареї чи модуля є способом досягнення електричного захисту. Електрична SOA будь-якої батареї обмежена струмом і напругою. На малюнку 1 показано типову літій-іонну батарею SOA, де добре розроблена BMS захищає акумуляторну батарею, запобігаючи її роботі за межами номінальних параметрів батареї виробника. У багатьох випадках для продовження терміну служби батареї можна застосувати подальше зниження номінальних характеристик у зоні безпеки SOA.
Літій-іонні батареї мають різні обмеження зарядного струму та обмеження струму розряду, і обидва режими можуть працювати з більш високими піковими струмами, навіть якщо час короткий. Виробники акумуляторів зазвичай вказують обмеження максимального тривалого струму заряджання та розряджання, а також обмеження пікової напруги заряджання та розряджання. BMS, який забезпечує захист від струму, обов’язково застосовуватиме максимальний безперервний струм. Однак перед цим можна врахувати раптові зміни умов навантаження; Наприклад, різке прискорення електромобілів. BMS може поєднувати моніторинг пікового струму, інтегруючи струм і вирішуючи зменшити доступний струм або повністю перервати груповий струм через час Δ. Це дозволяє BMS мати майже миттєву чутливість до екстремальних піків струму, таких як ситуації короткого замикання, які не привертають уваги запобіжників, але також можуть витримувати високі пікові навантаження, якщо вони не є надмірними протягом тривалого часу.
Захист електричного управління: напруга
На малюнку 2 показано, що літій-іонні акумулятори повинні працювати в певному діапазоні напруг. Ці межі SOA зрештою визначатимуться властивими хімічними властивостями вибраного літій-іонного акумулятора та температурою акумулятора в будь-який момент часу. Крім того, через велику кількість циклів струму, розрядження через навантаження та заряджання від різних джерел енергії, яким піддається будь-який акумулятор, ці обмеження напруги SOA часто додатково обмежуються для оптимізації терміну служби акумулятора. BMS повинна знати, які ці обмеження, і приймати рішення на основі близькості цих порогів. Наприклад, при наближенні до межі високої напруги BMS може запросити поступове зниження зарядного струму або, якщо межа досягнута, може запросити повне припинення зарядного струму. Однак це обмеження часто супроводжується додатковими міркуваннями щодо внутрішнього гістерезису напруги, щоб запобігти коливанням керування щодо порогу вимкнення. З іншого боку, при наближенні до межі низької напруги BMS запитуватиме критичні активні невідповідні навантаження, щоб зменшити їх поточне споживання. У випадку електромобілів цього можна досягти шляхом зменшення допустимого крутного моменту, доступного для тягового двигуна. Звичайно, BMS має надавати пріоритет безпеці водія та захистити акумуляторну батарею від незворотного пошкодження.
Захист від теплового керування: температура
Зовні літій-іонні батареї мають широкий діапазон робочих температур, але через значно нижчу швидкість хімічних реакцій загальна ємність батареї зменшується при низьких температурах. З точки зору здатності працювати при низьких температурах, їх продуктивність справді набагато краща, ніж у свинцево-кислотних або NiMH акумуляторів; Однак контроль температури є вирішальним, оскільки заряджати нижче 0 градусів C (32 градуси F) фізично проблематично. Під час заряджання при низькій температурі на аноді може виникнути явище гальванічного нанесення металевого літію. Це постійне пошкодження, яке не тільки призводить до зменшення ємності, але й збільшує ймовірність виходу з ладу батареї під час вібрації або інших стресових умов. BMS може контролювати температуру акумуляторної батареї шляхом нагрівання та охолодження.
Впровадження керування температурою повністю залежить від розміру та вартості акумуляторної батареї, цільової продуктивності, стандартів проектування BMS та одиниць продукту, які можуть включати міркування для цільової географічної області. Незалежно від типу обігрівача, зазвичай ефективніше отримувати енергію від зовнішнього джерела змінного струму або від альтернативних акумуляторів, які використовуються для роботи обігрівача, коли це необхідно. Однак, якщо електричний нагрівач має помірне споживання струму, енергію від основної батареї можна перекачувати для нагрівання. Якщо використовується гаряча гідравлічна система, електричний нагрівач використовується для нагрівання теплоносія, який перекачується та розподіляється по всьому компоненту.
Безсумнівно, інженери-конструктори BMS мають певні навички в індустрії дизайну, щоб передавати теплову енергію в акумуляторні блоки. Наприклад, можна ввімкнути різні силові електронні пристрої, призначені для керування потужністю в BMS. Незважаючи на те, що він не такий ефективний, як пряме нагрівання, його можна використовувати, незважаючи ні на що. Охолодження особливо важливо для мінімізації втрати продуктивності літій-іонних акумуляторів. Наприклад, певна батарея найкраще працює при 20 градусах C; Якщо температуру упаковки підвищити до 30 градусів Цельсія, її ефективність може знизитися на 20%. Якщо акумуляторну батарею постійно заряджати та заряджати за температури 45 градусів C (113 градусів F), втрата продуктивності може досягати 50%. Якщо акумулятор постійно перебуває в перегрітому середовищі, особливо під час швидких циклів заряджання та розряджання, термін служби батареї також може старіти та передчасно погіршуватися. Охолодження зазвичай досягається двома методами, пасивним або активним, і можна використовувати обидва методи. Пасивне охолодження залежить від руху повітряного потоку для охолодження акумулятора. Щодо електромобілів, то це означає, що вони їздять лише по дорозі. Однак це може бути складнішим, ніж здається, оскільки датчик швидкості повітря можна інтегрувати разом, щоб стратегічно автоматично регулювати відхиляючу повітряну гребінку для максимального збільшення потоку повітря. Впровадження вентиляторів з активним контролем температури може бути корисним на низьких швидкостях або під час зупинки автомобіля, але все це лише для того, щоб підтримувати температуру акумуляторної батареї на рівні навколишнього середовища. Якщо погода спекотна, це може підвищити початкову температуру упаковки. Гаряче гідравлічне активне охолодження може бути сконструйовано як додаткова система, як правило, з використанням охолоджуючої рідини з етиленгліколем із заданим співвідношенням змішування, що циркулює через труби/шланги, розподільні колектори, перехресні теплообмінники (радіатори) та охолоджуючі пластини проти компонентів акумуляторної батареї за допомогою електричного насос. BMS відстежує температуру всієї батареї та відкриває та закриває різні клапани, щоб підтримувати температуру всієї батареї у вузькому температурному діапазоні для забезпечення оптимальної роботи батареї.
Управління потужністю
Збільшення ємності акумуляторної батареї можна вважати однією з найважливіших характеристик продуктивності батареї, яку забезпечує BMS. Якщо це технічне обслуговування не проводити, акумуляторна батарея може стати непридатною. Корінь проблеми полягає в тому, що «стосування» батарейних блоків (матриць серії батарей) не є абсолютно однаковим і, по суті, має дещо різну швидкість витоку або саморозряду. Витік не є дефектом виробника, а радше хімічними властивостями батареї, хоча статистично на неї можуть вплинути незначні зміни виробничого процесу. Спочатку акумуляторні блоки можуть мати добре підібрані батареї, але з часом подібність між батареями ще більше зменшується не лише через саморозряд, але й під впливом циклів заряджання/розряджання, підвищення температури та загального старіння календаря. Маючи це на увазі, нагадуючи попереднє обговорення, літій-іонні батареї працюють добре, але можуть бути досить безжальними, якщо експлуатуватись поза суворими SOA. Раніше ми дізналися про необхідний електричний захист, оскільки літій-іонні батареї не можуть добре перезаряджатися. Після повного заряду вони не можуть прийняти більше струму, будь-яка додаткова енергія буде перетворена на тепло, а напруга може швидко зрости, потенційно досягнувши небезпечного рівня. Це нездоровий стан для клітин, і якщо воно не зникає, це може призвести до незворотного пошкодження та небезпечних умов роботи.
Послідовне з’єднання батарейних масивів визначає напругу всієї батареї, і невідповідність між сусідніми батареями може спричинити труднощі під час спроби зарядити будь-яку батарею. Малюнок 3 показує, чому це відбувається. Якщо у людини повністю збалансований набір батарей, то все добре, тому що кожна батарея заряджається однаково, і зарядний струм може бути відключений, коли досягнуто верхнього порогу напруги 4.0. Однак у незбалансованій ситуації верхня батарея досягне ліміту зарядки раніше запланованого часу, і зарядний струм гілки потрібно припинити, перш ніж інші нижні батареї зарядяться до повної ємності.
Щоб продемонструвати принцип роботи, потрібно пояснити ключове визначення. Ступінь заряду (SOC) батареї або модуля в певний момент часу прямо пропорційний доступній потужності відносно загальної потужності під час повного заряду. Таким чином, батарея з 50% SOC означає, що вона була заряджена на 50%, подібно до добротності вимірювача потужності. Управління ємністю BMS полягає в балансуванні змін SOC кожного стека в акумуляторній батареї. Оскільки SOC не є величиною, що піддається безпосередньому вимірюванню, її можна оцінити за допомогою різних методів, а саму схему балансування зазвичай поділяють на дві категорії: пасивну та активну. Існує багато варіацій тем, кожна з яких має свої переваги та недоліки. Інженер-конструктор BMS вирішує, який з них найбільше підходить для даного акумулятора та його застосування. Найлегше досягти пасивного балансу, який також може пояснити загальну концепцію балансу. Пасивні методи дозволяють кожному акумулятору в акумуляторній батареї мати таку саму зарядну ємність, як і найслабший акумулятор. Він використовує відносно низький струм для передачі невеликої кількості енергії від акумуляторів з високим SOC під час циклу заряджання, щоб усі батареї можна було зарядити до максимального SOC. Рисунок 4 ілюструє, як BMS досягає цього. Він контролює кожну батарею та використовує транзисторні перемикачі та розрядні резистори відповідного розміру паралельно з кожною батареєю. Коли BMS виявляє, що дана батарея наближається до ліміту заряду, вона направляє надлишковий струм навколо неї зверху вниз до наступної батареї нижче.
Кінцеві точки процесу балансування до і після показані на малюнку 5. Підсумовуючи, BMS дозволяє батареям або модулям акумуляторної батареї бачити зарядні струми, які відрізняються від струму батареї, щоб збалансувати акумуляторну батарею за допомогою одного з наступних способів: методи:
Зняття заряду з найбільш зарядженого акумулятора забезпечує запас для додаткового зарядного струму, щоб запобігти перезаряду, і дозволяє менш зарядженим акумуляторам отримувати більший зарядний струм
Переміщення частини або майже всього зарядного струму навколо найбільш зарядженої батареї, що дозволяє менш зарядженим батареям отримувати зарядний струм протягом більш тривалого періоду часу
Типи систем керування акумуляторами
Система керування батареєю може використовувати різні технології, від простих до складних, щоб досягти своїх основних інструкцій щодо «догляду за батареєю». Однак ці системи можна класифікувати на основі їх топології, яка пов’язана з їх установкою та роботою на батареях або модулях усієї батареї.
Централізована архітектура BMS
У комплекті акумуляторної батареї є центральний BMS. Усі акумуляторні блоки безпосередньо підключені до центральної BMS. Структура централізованої BMS показана на рисунку 6. Централізована BMS має деякі переваги. Він більш компактний і часто найекономічніший, оскільки є лише одна BMS. Однак централізована BMS має і недоліки. Через те, що всі батареї безпосередньо підключені до BMS, BMS вимагає багато портів для підключення всіх батарейних блоків. Це означає, що у великих акумуляторних блоках є велика кількість проводів, кабелів, роз’ємів тощо, що ускладнює пошук несправностей і обслуговування.
Модульна топологія BMS
Подібно до централізованої реалізації, BMS розділено на кілька повторюваних модулів, кожен із яких має окремий пучок проводів і підключений до суміжних визначених частин акумуляторної батареї. Див. рисунок 7. У деяких випадках ці підмодулі BMS можуть перебувати під наглядом головного модуля BMS, функція якого полягає в моніторингу стану підмодулів і зв’язку з периферійними пристроями. Завдяки повторюваній модульній системі усунення несправностей і технічне обслуговування простіше, а також легко розширити до більших акумуляторів. Недоліком є те, що загальна вартість дещо вища, і залежно від програми можуть бути дублікати невикористаних функцій.
Первинна/вторинна BMS
Однак, концептуально схожий на модульну топологію, у цьому випадку підпорядковані пристрої більш обмежені лише ретрансляцією вимірювальної інформації, тоді як головні пристрої призначені для обчислень і керування, а також зовнішнього зв’язку. Тому, незважаючи на подібність до модульних типів, вартість може бути нижчою, оскільки функціональність пристрою часто простіша, накладні витрати можуть бути нижчими, і може бути менше невикористаних функцій.
Розподілена архітектура BMS
На відміну від інших топологій, в інших топологіях електронні апаратні та програмні засоби інкапсульовані в модулі, які з’єднані з акумулятором через джгути проводів. Розподілена BMS інтегрує все електронне обладнання на плату керування, розміщену безпосередньо на контрольованому акумуляторі або модулі. Це зменшує велику кількість проводів кількох датчиків і комунікаційних проводів між сусідніми модулями BMS. Таким чином, кожна BMS є більш незалежною та обробляє обчислення та зв’язок за потреби. Однак, незважаючи на таку очевидну простоту, ця інтегрована форма робить пошук несправностей і технічне обслуговування потенційною проблемою, оскільки вона розташована глибоко всередині компонентів екранованого модуля. Вартість часто вища, оскільки у всій структурі акумуляторної батареї більше BMS.
Важливість системи керування акумулятором
У BMS функціональна безпека є найважливішою. Дуже важливо запобігти перевищенню напругою, струмом і температурою будь-якої батареї або модуля, що перебувають під наглядом і контролем, зазначених обмежень SOA під час операцій заряджання та розряджання. Якщо ліміт буде перевищено протягом певного періоду часу, це вплине не лише на потенційно дорогі акумуляторні блоки, але й може виникнути небезпечна ситуація з перегріванням. Крім того, щоб захистити літій-іонні батареї та забезпечити функціональну безпеку, також потрібен суворий контроль нижніх порогових меж напруги. Якщо літій-іонні батареї зберігаються в цьому стані низької напруги, дендрити міді можуть з часом вирости на аноді, що може призвести до збільшення швидкості саморозряду та потенційних проблем з безпекою. Ціна високої щільності енергії в літій-іонних системах живлення полягає в тому, що в ній практично немає місця для помилок керування акумулятором. Завдяки вдосконаленням BMS і літій-іонних акумуляторів, це одна з найуспішніших і безпечних хімікатів для акумуляторів, доступних сьогодні.
Ефективність акумуляторної батареї є другою за важливістю функцією BMS, яка включає електричне та теплове управління. Щоб оптимізувати загальну ємність батареї в електричному плані, усі батареї в акумуляторній батареї мають бути збалансовані, що означає, що SOC суміжних батарей у всьому компоненті є приблизно однаковим. Це дуже важливо, оскільки це не тільки забезпечує оптимальну ємність батареї, але й допомагає запобігти повсюдному погіршенню якості та зменшити потенційні гарячі точки для перезаряджання слабких батарей. Літій-іонні батареї слід уникати розряду нижче низької межі напруги, оскільки це може призвести до ефекту пам’яті та значної втрати ємності. Електрохімічні процеси дуже чутливі до температури, і батареї не є винятком. При зниженні температури навколишнього середовища ємність і доступна енергія акумулятора значно зменшуються. Таким чином, BMS може підключати зовнішні онлайн-нагрівачі, розташовані на системах рідинного охолодження, таких як акумуляторні батареї електромобілів, або вмикати резидентні нагрівальні пластини, встановлені під модулями акумуляторних батарей у вертольотах чи інших літаках. Крім того, оскільки заряджання низькотемпературних літій-іонних акумуляторів не сприяє тривалому терміну служби акумулятора, важливо спочатку повністю підвищити температуру акумулятора. Більшість літій-іонних акумуляторів не можна заряджати швидко при температурі нижче 5 градусів C і взагалі не слід заряджати при температурі нижче 0 градусів C. Щоб досягти оптимальної продуктивності під час звичайного робочого використання, керування температурою BMS зазвичай гарантує, що батарея працює в межах вузька робоча зона Золотовласки (наприклад, 30-35 градус С). Це може захистити продуктивність, подовжити термін служби та створити здорові та надійні акумулятори.
Переваги системи керування акумулятором
Повну систему накопичення енергії акумулятора, широко відому як BESS, можна стратегічно зібрати з десятків, сотень або навіть тисяч літій-іонних батарей, залежно від застосування. Номінальна напруга цих систем може бути меншою за 100 В, але може досягати до 800 В із діапазоном струму джерела живлення акумуляторної батареї до 300 А або більше. Будь-яке погане поводження з високовольтними акумуляторними блоками може призвести до катастрофічних наслідків, які становлять загрозу для життя. Тому BMS має вирішальне значення для забезпечення безпечної роботи. Переваги BMS можна підсумувати таким чином.
Функціональна безпека.Зрозуміло, що для великогабаритних літій-іонних акумуляторів це особливо обережно та необхідно. Але, як відомо, навіть менші формати, які використовуються в ноутбуках, можуть спалахнути та завдати значної шкоди. Особиста безпека користувачів продуктів, що містять літій-іонні системи живлення, залишає мало місця для помилок у управлінні акумулятором.
Термін служби і надійність.Управління захистом акумуляторної батареї, електричним і тепловим, гарантує, що всі батареї використовуються відповідно до заявлених вимог SOA. Цей тонкий нагляд забезпечує безпечне використання та швидкі цикли заряджання та розряджання батареї та неминуче генерує стабільну систему, яка може забезпечувати надійну роботу протягом багатьох років.
Продуктивність і сфера застосування.Управління ємністю акумуляторної батареї BMS, яке використовує балансування між батареями, щоб збалансувати SOC суміжних батарей на компонентах батареї, що забезпечує оптимальну ємність батареї. Без цієї функції BMS для врахування змін саморозряду, циклів заряджання/розряджання, впливу температури та загального старіння акумуляторна батарея може остаточно стати марною.
Діагностика, збір даних та зовнішня комунікація.Завдання нагляду включає постійний моніторинг усіх елементів батареї, де сам запис даних може використовуватися для діагностики, але зазвичай використовується для обчислювальних завдань для прогнозування SOC усіх батарей у компоненті. Ця інформація використовується для балансування алгоритмів, але може надаватися зовнішнім пристроям і дисплеям, щоб вказувати доступну постійну енергію, оцінювати очікуваний діапазон або діапазон/термін служби на основі поточного використання, а також відображати стан працездатності акумуляторної батареї.
Зниження витрат і гарантії.Впровадження BMS у BESS збільшує витрати, а акумуляторна батарея є дорогою та потенційно небезпечною. Чим складніша система, тим вищі вимоги до безпеки, отже, потрібно більше контролю BMS. Проте захист і профілактичне обслуговування BMS з точки зору функціональної безпеки, терміну служби та надійності, продуктивності та обсягу, діагностики тощо гарантують, що це зменшить загальні витрати, включаючи витрати, пов’язані з гарантією.
Висновок
Симуляція є цінним союзником у проектуванні BMS, особливо коли вона використовується для дослідження та вирішення проектних завдань у розробці обладнання, створенні прототипів і тестуванні. З точною моделлю літій-іонної батареї імітаційна модель архітектури BMS розпізнається як виконувана специфікація для віртуальних прототипів. Крім того, моделювання дозволяє безболісно досліджувати варіанти функцій моніторингу BMS для різних сценаріїв експлуатації батареї та середовища. Проблеми впровадження можна виявити та дослідити на ранній стадії, дозволяючи перевірити покращення продуктивності та функціональної безпеки перед впровадженням на фактичних прототипах обладнання. Це скорочує час розробки та гарантує, що перший апаратний прототип є надійним. Крім того, при проведенні у вбудованих системних додатках багато тестів автентифікації можна виконати на BMS і акумуляторних блоках, включаючи найгірші сценарії.