O que é um sistema de gerenciamento de bateria (BMS)?

O Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) para Ailisheng ’ As máquinas de construção elétricas mini e compactas da s são uma tecnologia projetada especificamente para supervisionar uma bateria. Uma bateria é um componente de células de bateria que são eletricamente organizadas em uma configuração de matriz de linha x coluna para fornecer uma faixa alvo de tensões e correntes ao longo do tempo em resposta a um perfil de carga esperado.

A supervisão fornecida pelo BMS normalmente inclui:

eu  Ele monitora a bateria,

eu  fornece proteção da bateria,

eu  estima as condições de operação da bateria,

eu  otimiza continuamente o desempenho da bateria e relata o status operacional para dispositivos externos.

Neste contexto, o termo «bateria» implica todo o conjunto de baterias; no entanto, as funções de monitoramento e controle são aplicadas especificamente a células ou conjuntos individuais chamados módulos dentro do conjunto geral do conjunto de baterias. As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio têm a mais alta densidade de energia e são a escolha padrão para baterias em muitos produtos de consumo, de laptops a veículos elétricos. Embora tenham excelente desempenho, eles podem ser bastante implacáveis ​​se operados fora da normalmente restrita Área Operacional Segura (SOA), com resultados que variam desde desempenho comprometido da bateria até consequências perigosas. O papel de um BMS é sem dúvida desafiador, e a complexidade geral e o escopo da supervisão podem envolver uma ampla gama de disciplinas, incluindo elétrica, digital, controles, térmica e hidráulica.  

1. A funcionalidade dos sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) é crucial para a operação eficaz de equipamentos alimentados por bateria.

Não existe um conjunto de padrões universalmente aplicáveis ​​para BMS, com o escopo do projeto técnico e os recursos realizados normalmente influenciados por fatores como:

eu  custo, complexidade e tamanho das baterias;

eu  aplicação da bateria e quaisquer questões de segurança, longevidade e garantia;

eu  requisitos de certificação de vários regulamentos, custos e penalidades governamentais.

eu  Se não existirem medidas de segurança funcional, estas serão críticas.

Existem muitos recursos de design de um BMS, sendo o gerenciamento de proteção da bateria e o gerenciamento de capacidade as duas funções básicas. Discutiremos como essas duas funções funcionam aqui. As duas áreas principais do gerenciamento da proteção da bateria são as seguintes: proteção elétrica, o que significa não permitir que a bateria seja danificada pelo uso fora do SOA; e proteção térmica, que envolve controle de temperatura passivo e/ou ativo para manter ou trazer a bateria para o SOA.

1.1 Proteção de gerenciamento elétrico: corrente  

A maneira mais eficaz de obter proteção elétrica é monitorar a corrente da bateria e a tensão da célula ou módulo. O SOA elétrico de qualquer célula de bateria é limitado pela corrente e pela tensão. A Figura 1 ilustra uma SOA típica de bateria de íons de lítio, onde um BMS bem projetado protegerá a bateria, impedindo a operação fora das classificações de célula do fabricante. Em muitos casos, uma redução adicional pode ser aplicada dentro da zona de segurança SOA para prolongar a vida útil da bateria.

As baterias de íon-lítio têm diferentes limites de corrente de carga e descarga, e ambos os modos podem lidar com picos de corrente mais elevados, embora por breves períodos. Os fabricantes de baterias normalmente especificam limites máximos de corrente contínua de carga e descarga, bem como limites de tensão de pico de carga e descarga. Um BMS que fornece proteção contra corrente certamente aplicará a corrente contínua máxima. No entanto, alterações repentinas nas condições de carga, como a aceleração repentina de um veículo elétrico, podem ser tidas em conta antes de este limite ser atingido. O BMS pode incorporar monitoramento de pico de corrente integrando a corrente e, após um δ tempo, decidindo reduzir a corrente disponível ou interromper completamente a corrente do grupo. Isto permite que o BMS seja quase instantaneamente sensível a picos extremos de corrente, como condições de curto-circuito que não atraem a atenção de nenhum fusível residente, mas também pode tolerar picos elevados de demanda, desde que não sofram uma overdose por muito tempo.  

1.2 Proteção de gerenciamento elétrico: tensão

Consulte a Figura 2, que ilustra a faixa de tensões nas quais uma bateria de íon de lítio deve operar. Deve-se notar que esses limites SOA serão determinados, em última análise, pela química inerente da bateria de íons de lítio selecionada e pela temperatura da bateria a qualquer momento. Dada a exposição da bateria a ciclos de corrente significativos, resultantes de demandas de carga e carregamento de diversas fontes de energia, esses limites de tensão SOA provavelmente serão ainda mais restringidos para maximizar a longevidade da bateria. O BMS deve estar ciente destes limites e utilizar este conhecimento para tomar decisões informadas com base na proximidade destes limites. Por exemplo, o BMS pode solicitar uma redução gradual da corrente de carga quando se aproxima de um limite de alta tensão ou pode solicitar uma terminação completa da corrente de carga se esse limite for atingido. No entanto, este limite é normalmente acompanhado por considerações adicionais de histerese de tensão inerentes para evitar interferências de controle sobre o limite de desligamento. Por outro lado, ao aproximar-se do limite de baixa tensão, o BMS solicitará a carga ativa crítica ofensiva para reduzir a sua demanda de corrente. No caso de um veículo eléctrico, isto pode ser conseguido reduzindo o binário admissível disponível para o motor de tracção. Naturalmente, o BMS deve dar a mais alta prioridade às considerações de segurança do condutor, protegendo ao mesmo tempo a bateria para evitar danos permanentes.

1.3 Proteção de gerenciamento térmico: temperatura

As baterias de íon-lítio têm uma ampla faixa de temperatura operacional, mas sua capacidade geral é reduzida em baixas temperaturas devido a uma diminuição significativa na taxa de reação química. Em termos de capacidade a baixas temperaturas, superam as baterias de chumbo-ácido e NiMH; no entanto, o gerenciamento eficaz da temperatura é essencial, pois o carregamento abaixo 0 ° C (32 ° F) é fisicamente desafiador. Durante o carregamento abaixo de zero, o metal de lítio pode formar placas no ânodo, resultando em danos permanentes que reduzem a capacidade e aumentam a suscetibilidade a falhas quando sujeito a vibrações ou outros fatores de estresse. O BMS pode regular a temperatura da bateria através de mecanismos de aquecimento e resfriamento.

A eficácia do sistema de gestão térmica depende de vários factores, incluindo o tamanho e o custo do conjunto de baterias, os objectivos de desempenho, os critérios de concepção do BMS e a célula do produto, que também pode considerar a área geográfica alvo. Independentemente do tipo de aquecedor, muitas vezes é mais eficiente extrair energia de uma fonte de alimentação CA externa ou de uma bateria residente alternativa usada para operar o aquecedor quando necessário. No entanto, se o aquecedor elétrico tiver um consumo moderado de corrente, a energia da bateria principal pode ser desviada para se aquecer. Se for usado um sistema termo-hidráulico, um aquecedor elétrico é usado para aquecer o líquido refrigerante que é bombeado e distribuído por toda parte. a assembléia.

Não há dúvida de que os engenheiros de projeto da BMS têm alguns truques na manga na indústria de design para pingar calor na bateria. Uma dessas estratégias envolve a ativação de vários sistemas eletrónicos de potência dentro do BMS dedicados à gestão de capacidade. Embora esta abordagem possa não atingir a eficiência ideal, a sua implementação é, no entanto, benéfica. O resfriamento desempenha um papel crucial na mitigação da perda de desempenho em baterias de íons de lítio. Por exemplo, uma bateria pode ter um desempenho ideal em 20 ° C; entretanto, se a temperatura da embalagem for elevada a 30 ° C, a sua eficiência poderá diminuir até 20%. Além disso, se a bateria for submetida a carga e descarga contínua em 45 ° C (113 ° F), a redução da eficiência poderá chegar a 50%. Além disso, se a bateria for exposta continuamente a calor excessivo, a sua vida útil pode ser reduzida. Este é especialmente o caso durante ciclos rápidos de carga e descarga. O resfriamento normalmente é obtido por dois métodos: passivo ou ativo. Ambas as tecnologias podem ser usadas. O resfriamento passivo depende do movimento do fluxo de ar para resfriar a bateria. No caso de um carro elétrico, isso significa que ele está apenas viajando pela estrada. No entanto, isso pode ser mais complexo, pois os sensores de velocidade no ar podem ser integrados para ajustar automaticamente a barragem de ar do defletor para maximizar o fluxo de ar. Em baixas velocidades ou quando o veículo está parado, um ventilador ativo com temperatura controlada pode ajudar a equalizar a bateria com a temperatura ambiente. , mas isso só aumenta a temperatura inicial da embalagem em climas quentes. Um sistema de resfriamento ativo termo-hidráulico pode ser projetado como um sistema suplementar, normalmente usando um refrigerante glicol com uma proporção de mistura especificada, que é circulado por meio de bombas elétricas através de tubos/mangueiras, coletores de distribuição, trocadores de calor de fluxo cruzado (radiadores) e painéis de resfriamento contra os componentes da bateria. O BMS monitora as temperaturas em toda a bateria e abre e fecha uma variedade de válvulas para manter as temperaturas em toda a bateria dentro de uma faixa estreita de temperatura para garantir o desempenho ideal da bateria.

1.4 Gerenciamento de capacidade

  Maximizar a capacidade de uma bateria é sem dúvida um dos recursos de desempenho de bateria mais importantes oferecidos por um BMS. Sem esta manutenção, a bateria pode eventualmente tornar-se inútil. A raiz do problema é que as 'pilhas' de baterias (matrizes de células em série) não são exatamente iguais e apresentam inerentemente taxas de vazamento ou autodescarga ligeiramente diferentes. Embora o vazamento não seja considerado um defeito, é uma característica química inerente às células. No entanto, pode ser influenciado por pequenas variações de fabricação. Inicialmente, uma bateria pode conter células com semelhanças próximas, mas com o tempo, essas células podem divergir devido a vários fatores, como autodescarga, ciclos de carga/descarga, temperaturas elevadas e envelhecimento geral do calendário. Conforme discutido anteriormente, embora as baterias de íon-lítio geralmente tenham um bom desempenho, elas podem ser bastante implacáveis ​​se operadas fora de uma SOA estrita. Aprendemos anteriormente sobre a proteção elétrica necessária porque as baterias de íons de lítio não respondem bem à sobrecarga. Depois de totalmente carregados, eles não podem aceitar corrente adicional; qualquer excesso de energia é convertido em calor e a tensão pode aumentar rapidamente, atingindo potencialmente níveis perigosos. Esta não é uma situação saudável para as células e, se mantida, pode causar danos permanentes e condições operacionais inseguras.

  O conjunto de células da série de baterias determina a tensão geral da bateria e incompatibilidades entre células vizinhas podem causar problemas ao tentar carregar qualquer bateria. A Figura 3 mostra por que isso acontece. Se alguém tiver um conjunto de células perfeitamente balanceado, tudo estará bem porque cada célula carregará de maneira igual e a corrente de carga poderá ser cortada quando o limite superior de tensão de 4,0 for atingido. No entanto, num cenário desequilibrado, a célula superior atingirá o seu limite de carga prematuramente, necessitando do término da corrente de carga no ramal antes que as células inferiores possam ser totalmente carregadas.

Para ilustrar este processo, é essencial definir o estado de carga (SOC) de uma bateria ou módulo num determinado momento como a proporção da potência disponível com carga total em relação à potência total. Portanto, uma bateria com 50% de SOC é 50% carregada, o que é semelhante ao fator de qualidade de um medidor de energia. O gerenciamento de capacidade do BMS consiste em equilibrar a mudança no SOC para cada pilha da bateria. quantidade, por isso pode ser estimada por uma variedade de técnicas, e os próprios esquemas de equilíbrio normalmente se enquadram em duas grandes categorias: passivo e ativo. Existem muitas variações sobre o tema e cada tipo tem vantagens e desvantagens, portanto o engenheiro de projeto da BMS deve decidir qual é o mais adequado para uma determinada bateria e sua aplicação. O balanceamento passivo é o mais fácil de implementar e explica o conceito geral de balanceamento: a abordagem passiva permite que cada célula da bateria tenha a mesma capacidade de carga que a célula mais fraca. Ele usa uma corrente relativamente baixa para transferir uma pequena quantidade de energia das células com alto SOC durante o ciclo de carregamento, de modo que todas as células sejam carregadas com seu SOC máximo.   Conforme ilustrado na Figura 4, o BMS emprega um sofisticado sistema de monitoramento que utiliza interruptores transistorizados e resistores de descarga de tamanho apropriado em paralelo com cada célula. Quando o BMS detecta que uma célula está se aproximando do seu limite de carga, ele direciona estrategicamente o excesso de corrente para a próxima célula, de cima para baixo.

Conforme ilustrado na Figura 5, os pontos finais do processo de balanceamento antes e depois são os seguintes. Em resumo, o BMS equilibra a bateria permitindo que células ou módulos na bateria vejam uma corrente de carga diferente da corrente da bateria de uma das seguintes maneiras:

1). remover a carga das células mais carregadas, o que fornece espaço para corrente de carga adicional para evitar sobrecarga e permite que células menos carregadas recebam mais corrente de carga; ou

2). Redireciona parte ou quase toda a corrente de carga em torno da célula mais carregada, permitindo assim que a célula menos carregada receba corrente de carga por um longo período de tempo.

2  Tipos de sistemas de gerenciamento de bateria

Os sistemas de gerenciamento de baterias variam de simples a complexos e podem empregar uma variedade de tecnologias diferentes para cumprir sua diretiva principal de “cuidar da bateria”. No entanto, esses sistemas podem ser categorizados de acordo com sua topologia, que se relaciona à forma como são instalados. e operado em células ou módulos em toda a bateria.

2.1 Arquitetura BMS centralizada

  O conjunto de baterias possui um BMS central, com todas as baterias diretamente conectadas a ele. A Figura 6 ilustra a arquitetura do BMS centralizado, que oferece diversas vantagens, incluindo maior compacidade e eficiência de custos devido ao uso de um único BMS. No entanto, é importante notar que o BMS centralizado também apresenta certas desvantagens. Como todas as baterias estão diretamente conectadas ao BMS, o BMS requer inúmeras portas para conectar todas as baterias, resultando em um número substancial de fios, cabos, conectores, etc. em baterias grandes, o que complica a solução de problemas e a manutenção.

2.2 Topologia BMS Modular

Uma abordagem semelhante à implementação centralizada vê o BMS dividido em vários módulos repetidos. Cada módulo possui um feixe de fios dedicado e é conectado a seções adjacentes da bateria (ver Fig. 7). Em alguns casos, estes submódulos BMS podem estar localizados sob a supervisão do módulo BMS principal. A função do módulo BMS principal é monitorar o status dos submódulos e comunicar-se com dispositivos periféricos. A modularidade repetitiva facilita a solução de problemas e a manutenção, ao mesmo tempo que acomoda facilmente a expansão para conjuntos de baterias maiores. As desvantagens desta abordagem são um custo geral ligeiramente mais elevado e, dependendo da aplicação, funcionalidade potencialmente duplicada não utilizada.

2.3 BMS primário/secundário

O conceito é semelhante ao da topologia modular. Neste caso, os dispositivos escravos estão limitados a retransmitir apenas informações de medição, enquanto o dispositivo mestre é dedicado à computação, controle e comunicações externas. Como resultado, o custo pode ser menor, já que os dispositivos escravos tendem a ter funções mais simples, ter menos sobrecarga e ter menos recursos não utilizados.

2.4 Arquitetura BMS Distribuída

A arquitetura distribuída do BMS é distinta de outras topologias nas quais o hardware e o software eletrônicos são encapsulados em módulos conectados à bateria por meio de um chicote conectado. O BMS Distribuído integra todo o hardware eletrônico em uma placa de controle colocada diretamente na célula ou módulo que está sendo monitorado. Esta abordagem elimina a necessidade de extensas ligações de múltiplos sensores e fios de comunicação entre módulos BMS vizinhos, aumentando a independência e autonomia de cada BMS, que pode realizar cálculos e comunicar conforme necessário. No entanto, apesar desta aparente simplicidade, esta forma de integração torna a resolução de problemas e a manutenção potencialmente problemáticas, uma vez que está localizada profundamente no conjunto do módulo blindado. Os custos também tendem a ser mais elevados porque há mais BMSs em toda a estrutura da bateria.  

3  A importância de um sistema de gerenciamento de bateria

 O Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) para garantir a segurança funcional durante as operações de carga e descarga não pode ser exagerado. O BMS desempenha um papel crucial na prevenção de que a tensão, a corrente e a temperatura das células ou módulos sob controle de supervisão excedam os limites SOA especificados. Exceder esses limites por qualquer período pode não apenas resultar no comprometimento de baterias caras, mas também levar a condições perigosas de fuga térmica. Além disso, os limites de tensão mais baixos são monitorados meticulosamente para proteger a bateria de íons de lítio e manter a segurança funcional. É imperativo que as baterias de íons de lítio sejam mantidas nos níveis de tensão corretos. Não fazer isso pode resultar no crescimento de dendritos de cobre no ânodo, o que pode levar ao aumento das taxas de autodescarga e potenciais preocupações de segurança. A alta densidade de energia dos grupos motopropulsores de íons de lítio é alcançada às custas de espaço limitado para erros de gerenciamento da bateria. No entanto, os avanços nas células BMS e de íons de lítio contribuíram para o sucesso e a segurança da química desta bateria.

  O desempenho da bateria representa a segunda função mais importante do BMS, abrangendo o gerenciamento elétrico e térmico. Para otimizar eletricamente a capacidade geral da célula, é essencial equilibrar todas as células da bateria. Isto envolve garantir que os SOCs das células vizinhas em toda a montagem sejam aproximadamente iguais. Isto é fundamental, pois não só permite a capacidade ideal das células, mas também evita a degradação geral e reduz potenciais pontos de acesso para sobrecarga de células fracas. É imperativo evitar a descarga de baterias de íons de lítio abaixo do limite de baixa tensão, pois isso pode levar a efeitos de memória e perda significativa de capacidade. Os processos eletroquímicos são altamente sensíveis à temperatura e as baterias não são exceção. À medida que a temperatura ambiente cai, a capacidade da bateria e a energia disponível diminuem significativamente. Para resolver isso, o BMS pode acionar um aquecedor externo em linha, como um localizado no sistema de refrigeração líquida de uma máquina de construção elétrica, ou ligar uma placa de aquecimento residente instalada embaixo de um módulo de uma bateria dentro de um veículo elétrico ou outro dispositivo elétrico. Além disso, como carregar baterias de íons de lítio em baixas temperaturas é prejudicial ao desempenho de sua vida útil, é importante, em primeiro lugar, aumentar adequadamente a temperatura da bateria. A maioria das baterias de íon de lítio não pode ser carregada rapidamente em temperaturas abaixo 5°C e não deve ser carregado em temperaturas abaixo 0°C. Para garantir o desempenho ideal durante o uso operacional típico, o gerenciamento térmico do BMS geralmente garante que a bateria seja operada dentro da estreita região operacional Cachinhos Dourados (por exemplo, 30-35°C). Isso protege o desempenho, prolonga a vida útil e garante uma bateria saudável e confiável.

4  Os benefícios dos sistemas de gerenciamento de bateria

Os sistemas de armazenamento de energia de bateria, muitas vezes chamados de BESS, podem consistir em dezenas, centenas ou até milhares de baterias de íons de lítio estrategicamente montadas juntas, dependendo da aplicação. Esses sistemas podem ser classificados em menos de 100 V, mas podem chegar a 800 V, com correntes de alimentação de baterias variando de até 300 A ou mais. As consequências da má gestão de um conjunto de baterias de alta tensão podem ser catastróficas, até mesmo fatais, enfatizando a importância crítica de um BMS para garantir uma operação segura. Os principais benefícios de um BMS podem ser descritos a seguir:

4.1  Segurança funcional:  Isto é especialmente crucial e necessário para baterias de íons de lítio de grande porte, embora mesmo os formatos menores usados ​​em laptops possam representar um risco significativo de incêndio e danos. A segurança pessoal dos usuários de produtos que contêm sistemas de energia de íons de lítio deixa pouco espaço para erros no gerenciamento da bateria.

4. 2. Longevidade e confiabilidade. O gerenciamento de proteção da bateria, elétrica e térmica, garante que todas as baterias sejam usadas dentro dos requisitos SOA declarados. Este descuido sutil garante o uso seguro de baterias e ciclos rápidos de carga e descarga e produz inevitavelmente um sistema estável com potencial para fornecer anos de serviço confiável.

4.3  Desempenho e alcance: O gerenciamento da capacidade da bateria BMS, onde o balanceamento entre células é empregado para equalizar o SOC das células vizinhas no conjunto da bateria, permite que a capacidade ideal da bateria seja alcançada. Sem esta funcionalidade do BMS para ter em conta variações na autodescarga, ciclos de carga/descarga, efeitos de temperatura e envelhecimento geral, a bateria pode eventualmente tornar-se inútil.

4. 4 Diagnóstico, coleta de dados e comunicação externa.   As tarefas de supervisão incluem monitoramento contínuo de todas as células da bateria, onde o registro de dados pode ser usado para diagnóstico, mas normalmente é usado em tarefas computacionais para prever o SOC de todas as células na montagem. Essas informações são usadas em algoritmos de balanceamento, mas podem ser encaminhadas para dispositivos externos e monitores para indicar a energia residente disponível, estimar o alcance esperado ou alcance/vida útil com base no uso atual e fornecer um estado de saúde para o banco de baterias.

4. 5. Redução de custos e garantia.   A introdução de um BMS em um BESS aumenta os custos e as baterias são caras e potencialmente perigosas. Quanto mais complexo for o sistema, maiores serão os requisitos de segurança e, portanto, será necessária mais supervisão do BMS. No entanto, a proteção e manutenção preventiva do BMS em termos de segurança funcional, longevidade e fiabilidade, desempenho e autonomia, e diagnóstico garantem que reduzirá os custos globais, incluindo os associados à garantia.

5. Conclusão

A simulação é uma aliada inestimável para o projeto de BMS, especialmente quando aplicada para explorar e resolver desafios de projeto no desenvolvimento, prototipagem e testes de hardware. Com um modelo preciso da bateria de íons de lítio, um modelo de simulação da arquitetura BMS é reconhecido como uma especificação executável para prototipagem virtual. Além disso, as simulações permitem a investigação fácil de variantes das funções de supervisão do BMS para diferentes cenários operacionais ambientais e de bateria. Os problemas de implementação podem ser identificados e investigados muito cedo, o que permite que melhorias no desempenho e na segurança funcional sejam verificadas antes da implementação em protótipos de hardware reais. Isto reduz o tempo de desenvolvimento e ajuda a garantir que o primeiro protótipo de hardware seja robusto. Além disso, quando realizados em um aplicativo de sistema incorporado, muitos testes de verificação de identidade podem ser realizados no BMS e na bateria, incluindo os piores cenários.