Что такое система управления батареями (BMS)?

Система управления батареями (BMS) для Айлишэна ’ Миниатюрная и компактная электрическая строительная техника — это технология, специально разработанная для управления аккумуляторной батареей. Аккумуляторная батарея — это компонент аккумуляторных элементов, которые электрически организованы в матричную конфигурацию строка-х-столбец для обеспечения заданного диапазона напряжений и токов с течением времени в ответ на ожидаемый профиль нагрузки.

Надзор, обеспечиваемый BMS, обычно включает в себя:

л  Он контролирует батарею,

л  обеспечивает защиту аккумулятора,

л  оценивает условия работы аккумулятора,

л  постоянно оптимизирует производительность аккумулятора и сообщает о рабочем состоянии внешним устройствам.

В этом контексте термин «батарея» подразумевает весь аккумуляторный блок; однако функции мониторинга и управления конкретно применяются к отдельным элементам или блокам, называемым модулями, в составе всего аккумуляторного блока. Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют самую высокую плотность энергии и являются стандартным выбором для аккумуляторов во многих потребительских товарах, от ноутбуков до электромобилей. Несмотря на то, что они превосходно работают, они могут быть весьма неумолимы, если эксплуатировать их за пределами обычно ограниченной безопасной рабочей зоны (SOA), что приводит к самым разным последствиям: от снижения производительности аккумулятора до откровенно опасных последствий. Роль BMS, несомненно, сложна, а общая сложность и объем надзора могут охватывать широкий спектр дисциплин, включая электротехнику, цифровую технику, системы управления, тепловые системы и гидравлику.  

1. Функциональность систем управления батареями (BMS) имеет решающее значение для эффективной работы оборудования с батарейным питанием.

Не существует универсально применимого набора стандартов для BMS, а объем технического проектирования и реализованные функции обычно зависят от таких факторов, как:

л  стоимость, сложность и размер аккумуляторных блоков;

л  применение аккумулятора и любые вопросы безопасности, долговечности и гарантии;

л  сертификационные требования различных государственных постановлений, затрат и штрафов.

л  Если меры функциональной безопасности отсутствуют, они имеют решающее значение.

Существует множество конструктивных особенностей BMS, двумя основными функциями которых являются управление защитой аккумуляторных батарей и управление емкостью. Здесь мы обсудим, как работают эти две функции. Двумя ключевыми областями управления защитой аккумуляторной батареи являются следующие: электрическая защита, что означает недопущение повреждения батареи при использовании за пределами SOA; и тепловая защита, которая включает в себя пассивный и/или активный контроль температуры для поддержания или помещения аккумуляторной батареи в SOA.

1.1 Защита электрического управления: ток  

Наиболее эффективным способом обеспечения электрической защиты является контроль тока аккумуляторной батареи и напряжения ячейки или модуля. Электрический SOA любого аккумуляторного элемента ограничен как током, так 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 значений, указанных производителем. Во многих случаях в зоне безопасности SOA можно применить дальнейшее снижение номинальных характеристик, чтобы продлить срок службы батареи.

Литий-ионные батареи имеют разные пределы тока заряда и разряда, и оба режима могут выдерживать более высокие пиковые токи, хотя и в течение коротких периодов времени. Производители аккумуляторов обычно указывают максимальные пределы тока непрерывной зарядки и разрядки, а также пределы пикового напряжения зарядки и разрядки. BMS, обеспечивающая токовую защиту, безусловно, будет применять максимальный постоянный ток. Однако внезапные изменения условий нагрузки, такие как внезапное ускорение электромобиля, могут быть приняты во внимание до достижения этого предела. BMS может включать мониторинг пикового тока путем интегрирования тока и, после δ время, принимая решение либо уменьшить доступный ток, либо вообще отключить групповой ток. Это позволяет BMS почти мгновенно быть чувствительной к экстремальным скачкам тока, таким как условия короткого замыкания, которые не привлекают внимания какого-либо постоянного предохранителя, но также может выдерживать высокие пиковые нагрузки, если они не подвергаются слишком долгой передозировке.  

1.2 Защита электрооборудования: напряжение

См. рисунок 2, на котором показан диапазон напряжений, в которых должна работать литий-ионная батарея. Следует отметить, что эти границы SOA в конечном итоге будут определяться химическим составом выбранной литий-ионной батареи и температурой батареи в любой момент времени. Учитывая подверженность аккумуляторной батареи значительным циклическим изменениям тока в результате нагрузки и зарядки от различных источников энергии, эти пределы напряжения SOA, вероятно, будут дополнительно ограничены, чтобы максимизировать срок службы батареи. BMS должна знать об этих ограничениях и использовать эти знания для принятия обоснованных решений, основанных на близости этих пороговых значений. Например, BMS может запросить постепенное снижение зарядного тока при приближении к верхнему пределу напряжения или может запросить полное прекращение зарядного тока, если этот предел достигнут. Однако этот предел обычно сопровождается дополнительными соображениями по поводу гистерезиса напряжения, чтобы предотвратить колебания системы управления относительно порога отключения. И наоборот, при приближении к нижнему пределу напряжения BMS запросит критическую активную нарушающую нагрузку, чтобы снизить потребление тока. В случае с электромобилем этого можно достичь за счет снижения допустимого крутящего момента тягового двигателя. Естественно, BMS должна уделять первостепенное внимание соображениям безопасности водителя, одновременно защищая аккумуляторную батарею, чтобы предотвратить необратимые повреждения.

1.3 Защита от терморегулирования: температура

Литий-ионные аккумуляторы имеют широкий диапазон рабочих температур, однако их общая емкость снижается при низких температурах из-за значительного снижения скорости химической реакции. По емкости при низких температурах они превосходят свинцово-кислотные и NiMH аккумуляторы; однако эффективный контроль температуры имеет важное значение, поскольку зарядка ниже 0 ° C (32 ° F) физически сложно. Во время зарядки при температуре ниже нуля металлический литий может отложиться на аноде, что приведет к необратимому повреждению, которое снижает емкость и увеличивает вероятность отказа при воздействии вибрации или других стрессовых факторов. BMS может регулировать температуру аккумуляторной батареи с помощью механизмов нагрева и охлаждения.

Эффективность системы управления температурным режимом зависит от различных факторов, включая размер и стоимость аккумуляторной батареи, целевые показатели производительности, критерии проектирования BMS и производственную ячейку, которая также может учитывать целевую географическую область. Независимо от типа обогревателя, зачастую более эффективно получать энергию от внешнего источника переменного тока или от альтернативной встроенной батареи, используемой для работы обогревателя, когда это необходимо. Однако, если электрический нагреватель потребляет умеренный ток, энергия от основного аккумуляторного блока может быть откачана для его нагрева. Если используется термогидравлическая система, электрический нагреватель используется для нагрева охлаждающей жидкости, которая перекачивается и распределяется по всему периметру. сборка.

Нет сомнений в том, что у инженеров-конструкторов BMS есть в запасе некоторые хитрости в области проектирования, позволяющие отводить тепло в аккумуляторный блок. Одна из таких стратегий предполагает активацию различной силовой электроники в BMS, предназначенной для управления мощностью. Хотя этот подход не может обеспечить оптимальную эффективность, его внедрение, тем не менее, полезно. Охлаждение играет решающую роль в снижении потери производительности литий-ионных аккумуляторов. Например, батарея может оптимально работать при 20 ° С; однако, если температура упаковки повышается до 30 ° C, его эффективность может снизиться до 20%. Кроме того, если аккумуляторная батарея подвергается постоянной зарядке и разрядке с 45 ° C (113 ° F), снижение эффективности может достигать 50%. Кроме того, если аккумулятор постоянно подвергается чрезмерному нагреву, срок его службы может сократиться. Это особенно актуально во время быстрых циклов зарядки и разрядки. Охлаждение обычно достигается двумя методами: пассивным или активным. Обе технологии могут быть использованы. Пассивное охлаждение основано на движении воздушного потока для охлаждения аккумулятора. В случае с электромобилем это означает, что он просто едет по дороге. Однако это может быть более сложным, поскольку датчики воздушной скорости могут быть интегрированы для автоматической регулировки воздушной заслонки дефлектора для максимального увеличения воздушного потока. На низких скоростях или когда автомобиль остановлен, активный вентилятор с регулируемой температурой может помочь выровнять температуру аккумуляторной батареи с температурой окружающей среды. , но это лишь повышает начальную температуру пачки в жаркую погоду. Термогидравлическая активная система охлаждения может быть спроектирована как дополнительная система, обычно с использованием гликолевой охлаждающей жидкости с заданным соотношением смешивания, которая циркулирует с помощью электрических насосов по трубам/шлангам, распределительным коллекторам, перекрестноточным теплообменникам (радиаторам) и охлаждающие панели напротив компонентов аккумуляторной батареи. BMS контролирует температуру по всему аккумуляторному блоку и открывает и закрывает различные клапаны для поддержания температуры по всему аккумулятору в узком температурном диапазоне, чтобы обеспечить оптимальную работу аккумулятора.

1.4 Управление мощностями

  Увеличение емкости аккумуляторной батареи, возможно, является одной из наиболее важных характеристик производительности батареи, предлагаемых BMS. Без такого обслуживания аккумуляторная батарея может со временем прийти в негодность. Корень проблемы заключается в том, что «стопки» аккумуляторных батарей (массивы последовательно соединенных элементов) не совсем одинаковы и по своей сути имеют несколько разные скорости утечки или саморазряда. Хотя утечка не считается дефектом, это химическая характеристика, присущая клеткам. Однако на него могут влиять незначительные производственные изменения. Первоначально аккумуляторная батарея может содержать очень похожие элементы, но со временем эти элементы могут различаться из-за различных факторов, таких как саморазряд, циклическая зарядка/разрядка, повышенные температуры и общее календарное старение. Как обсуждалось ранее, хотя литий-ионные аккумуляторы в целом работают хорошо, они могут оказаться весьма неумолимыми, если эксплуатировать их вне строгих требований SOA. Ранее мы узнали о необходимой электрической защите, поскольку литий-ионные аккумуляторы плохо реагируют на перезарядку. После полной зарядки они не могут принимать дополнительный ток; любая избыточная энергия преобразуется в тепло, и напряжение может быстро возрасти, потенциально достигая опасного уровня. Это небезопасная ситуация для аккумуляторов и, если она сохранится, может привести к необратимому повреждению и небезопасным условиям эксплуатации.

  Массив ячеек аккумуляторной батареи определяет общее напряжение аккумуляторной батареи, и несоответствие между соседними ячейками может вызвать проблемы при попытке зарядить любую аккумуляторную батарею. На рисунке 3 показано, почему это так. Если у вас есть идеально сбалансированный набор ячеек, то все в порядке, потому что каждая ячейка будет заряжаться одинаково, и зарядный ток может быть отключен при достижении верхнего порога напряжения 4,0. Однако в несбалансированном сценарии верхний элемент преждевременно достигнет предела зарядки, что потребует прекращения зарядного тока в ветви до того, как нижние элементы смогут быть полностью заряжены.

Чтобы проиллюстрировать этот процесс, важно определить состояние заряда (SOC) батареи или модуля в определенный момент времени как долю мощности, доступной при полной зарядке, по отношению к общей мощности. Таким образом, батарея с уровнем SOC 50% заряжена на 50%, что аналогично коэффициенту добротности измерителя мощности. Управление емкостью BMS заключается в балансировке изменений SOC для каждой стопки в аккумуляторном блоке. SOC не является измеряемой величиной напрямую. количество, поэтому его можно оценить с помощью различных методов, а сами схемы балансировки обычно делятся на две широкие категории: пассивные и активные. Существует множество вариаций на эту тему, и каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, поэтому инженер-проектировщик BMS должен решить, какой из них лучше всего подходит для данного аккумуляторного блока и его применения. Пассивная балансировка является наиболее простой в реализации и объясняет общую концепцию балансировки: пассивный подход позволяет каждой ячейке аккумуляторной батареи иметь ту же емкость заряда, что и самая слабая ячейка. Он использует относительно низкий ток для передачи небольшого количества энергии от ячеек с высоким SOC во время цикла зарядки, чтобы все ячейки заряжались до максимального SOC.   Как показано на рисунке 4, BMS использует сложную систему мониторинга, в которой используются транзисторные переключатели и разрядные резисторы соответствующего размера, включенные параллельно с каждой ячейкой. Когда BMS обнаруживает, что ячейка приближается к пределу зарядки, она стратегически направляет избыточный ток к следующей ячейке сверху вниз.

Как показано на рисунке 5, конечные точки процесса балансировки до и после следующие. Таким образом, BMS балансирует аккумуляторную батарею, позволяя ячейкам или модулям в батарее видеть ток заряда, отличный от тока батареи, одним из следующих способов.:

1). снятие заряда с наиболее заряженных ячеек, что обеспечивает запас для дополнительного тока заряда для предотвращения перезарядки и позволяет менее заряженным ячейкам получать больший ток заряда; или

2). Перенаправление части или почти всего зарядного тока вокруг наиболее заряженного элемента, что позволяет менее заряженному элементу получать ток заряда в течение более длительного периода времени.

2  Типы систем управления батареями

Системы управления батареями варьируются от простых до сложных и могут использовать множество различных технологий для выполнения своей основной задачи «заботы о батарее». Однако эти системы можно разделить на категории в соответствии с их топологией, которая связана с тем, как они установлены. и работают на элементах или модулях аккумуляторной батареи.

2.1 Централизованная архитектура BMS

  Блок аккумуляторных батарей представляет собой центральную BMS, к которой напрямую подключаются все аккумуляторные блоки. Рисунок 6 иллюстрирует архитектуру централизованной BMS, которая предлагает ряд преимуществ, включая повышенную компактность и экономическую эффективность за счет использования одной BMS. Однако важно отметить, что централизованная BMS также имеет определенные недостатки. Поскольку все батареи напрямую подключены к BMS, для подключения всех аккумуляторных блоков BMS требуется множество портов, что приводит к значительному количеству проводов, кабелей, разъемов и т. д. в больших аккумуляторных блоках, что усложняет поиск неисправностей и обслуживание.

2.2 Модульная топология BMS

Подобный подход к централизованному внедрению предполагает разделение BMS на несколько повторяющихся модулей. Каждый модуль имеет выделенный пучок проводов и подключается к соседним секциям аккумуляторной батареи (см. 7). В некоторых случаях эти субмодули BMS могут находиться под контролем основного модуля BMS. Функция основного модуля BMS заключается в контроле состояния субмодулей и связи с периферийными устройствами. Повторяющаяся модульность облегчает поиск и устранение неисправностей и техническое обслуживание, а также позволяет легко расширять аккумуляторные блоки большего размера. Недостатками этого подхода являются несколько более высокая общая стоимость и, в зависимости от приложения, потенциально дублирующийся неиспользуемый функционал.

2.3 Первичная/вторичная BMS

Концепция аналогична модульной топологии. В этом случае подчиненные устройства ограничиваются передачей только информации измерений, тогда как главное устройство предназначено для вычислений, управления и внешней связи. В результате стоимость может быть ниже, поскольку ведомые устройства, как правило, проще по функциям, имеют меньше накладных расходов и меньше неиспользуемых функций.

2.4 Распределенная архитектура BMS

Распределенная архитектура BMS отличается от других топологий, в которых электронное оборудование и программное обеспечение инкапсулированы в модули, подключаемые к батарее через подключенный жгут. Распределенная BMS объединяет все электронное оборудование на плате управления, расположенной непосредственно на контролируемой ячейке или модуле. Такой подход устраняет необходимость в обширной проводке множества датчиков и проводах связи между соседними модулями BMS, повышая независимость и автономность каждой BMS, которая может выполнять вычисления и обмениваться данными по мере необходимости. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, такая форма интеграции делает потенциально проблематичным поиск и устранение неисправностей и обслуживание, поскольку она расположена глубоко внутри сборки экранированного модуля. Затраты также имеют тенденцию быть выше, поскольку в конструкции аккумуляторного блока имеется больше BMS.  

3  Важность системы управления батареями

 Систему управления батареями (BMS), обеспечивающую функциональную безопасность во время операций зарядки и разрядки, невозможно переоценить. BMS играет решающую роль в предотвращении превышения напряжения, тока и температуры элементов или модулей, находящихся под диспетчерским управлением, установленных пределов SOA. Превышение этих пределов в течение любого периода времени может не только привести к повреждению дорогостоящих аккумуляторных блоков, но и к опасному тепловому выходу из-под контроля. Кроме того, тщательно контролируются нижние пороговые значения напряжения, чтобы защитить литий-ионный аккумулятор и обеспечить его функциональную безопасность. Крайне важно, чтобы литий-ионные аккумуляторы поддерживались на правильном уровне напряжения. Невыполнение этого требования может привести к росту медных дендритов на аноде, что может привести к увеличению скорости саморазряда и потенциальным проблемам с безопасностью. Высокая плотность энергии литий-ионных силовых агрегатов достигается за счет ограниченного пространства для ошибок управления аккумулятором. Однако достижения в области BMS и литий-ионных элементов способствовали успеху и безопасности этого химического состава аккумуляторов.

  Производительность аккумуляторной батареи представляет собой вторую по важности функцию BMS, охватывающую как электрическое, так и температурное управление. Чтобы электрически оптимизировать общую емкость элементов, важно сбалансировать все элементы внутри аккумуляторной батареи. Это предполагает обеспечение примерного равенства SOC соседних ячеек по всей сборке. Это имеет решающее значение, поскольку оно не только обеспечивает оптимальную емкость ячеек, но также предотвращает общую деградацию и уменьшает потенциальные точки перезарядки слабых ячеек. Крайне важно избегать разрядки литий-ионных аккумуляторов ниже нижнего предела напряжения, так как это может привести к эффектам памяти и значительной потере емкости. Электрохимические процессы очень чувствительны к температуре, и аккумуляторы не являются исключением. При падении температуры окружающей среды емкость аккумулятора и доступная энергия значительно уменьшаются. Для решения этой проблемы BMS может подключить внешний линейный нагреватель, например, расположенный в системе жидкостного охлаждения электрической строительной машины, или включить резидентную нагревательную пластину, установленную под модулем аккумуляторной батареи в электромобиле или другое электрическое устройство. Кроме того, поскольку зарядка литий-ионных батарей при низких температурах отрицательно влияет на их срок службы, важно в первую очередь адекватно повысить температуру батареи. Большинство литий-ионных аккумуляторов не могут быть быстро заряжены при температуре ниже 5°C и вообще не следует заряжать при температуре ниже 0°C. Чтобы обеспечить оптимальную производительность при обычном эксплуатационном использовании, управление температурой BMS часто обеспечивает работу батареи в узком рабочем диапазоне Златовласки (например, 30-35°C). Это защищает производительность, продлевает срок службы и обеспечивает исправность и надежность аккумуляторной батареи.

4  Преимущества систем управления батареями

Аккумуляторные системы хранения энергии, часто называемые BESS, могут состоять из десятков, сотен или даже тысяч литий-ионных батарей, стратегически собранных вместе, в зависимости от применения. Эти системы могут иметь номинальное напряжение менее 100 В, но может достигать 800 В, при этом ток питания аккумуляторной батареи достигает 300 А и более. Последствия неправильного обращения с высоковольтной аккумуляторной батареей могут быть катастрофическими и даже опасными для жизни, что подчеркивает решающую важность BMS в обеспечении безопасной эксплуатации. Ключевые преимущества BMS можно обозначить следующим образом.:

4.1  Функциональная безопасность:  Это особенно важно и необходимо для литий-ионных аккумуляторов большого размера, хотя даже меньшие форматы, используемые в ноутбуках, могут представлять значительный риск возгорания и повреждения. Личная безопасность пользователей продуктов, содержащих литий-ионные системы питания, не оставляет места для ошибок при управлении батареями.

4. 2. Долговечность и надежность. Управление защитой аккумуляторных батарей, электрической и тепловой, гарантирует, что все батареи используются в соответствии с установленными требованиями SOA. Этот тонкий надзор обеспечивает безопасное использование аккумуляторов, быстрые циклы зарядки и разрядки и неизбежно создает стабильную систему, способную обеспечить долгие годы надежной службы.

4.3  Производительность и дальность действия: Управление емкостью аккумуляторной батареи BMS, при котором балансировка между ячейками используется для выравнивания SOC соседних ячеек в сборке аккумуляторной батареи, позволяет достичь оптимальной емкости аккумуляторной батареи. Без этой функции BMS, учитывающей изменения в саморазряде, циклах зарядки/разрядки, температурных эффектах и ​​общем старении, аккумуляторная батарея может в конечном итоге стать бесполезной.

4. 4 Диагностика, сбор данных и внешняя связь.   Задачи контроля включают непрерывный мониторинг всех ячеек батареи, при этом регистрация данных сама по себе может использоваться для диагностики, но обычно используется в вычислительных задачах для прогнозирования SOC всех ячеек в сборке. Эта информация используется в алгоритмах балансировки, но может быть перенаправлена ​​на внешние устройства и дисплеи 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.

4. 5. Снижение затрат и гарантия.   Внедрение BMS в BESS увеличивает затраты, а аккумуляторные блоки дороги и потенциально опасны. Чем сложнее система, тем выше требования к безопасности и, следовательно, требуется больший контроль над BMS. Однако защита и профилактическое обслуживание BMS с точки зрения функциональной безопасности, долговечности и надежности, производительности и дальности действия, а также диагностики гарантируют снижение общих затрат, в том числе связанных с гарантией.

5. Заключение

Моделирование является неоценимым союзником при проектировании BMS, особенно когда оно применяется для изучения и решения проектных задач при разработке оборудования, прототипировании и тестировании. Имея точную модель литий-ионного аккумулятора, имитационная модель архитектуры BMS считается исполняемой спецификацией для виртуального прототипирования. Кроме того, моделирование позволяет безболезненно исследовать варианты функций контроля BMS для различных сценариев эксплуатации батареи и окружающей среды. Проблемы реализации могут быть выявлены и исследованы на очень ранней стадии, что позволяет проверить улучшения производительности и функциональной безопасности до внедрения на реальных прототипах оборудования. Это сокращает время разработки и помогает гарантировать надежность первого прототипа оборудования. Кроме того, при выполнении во встроенном системном приложении многие тесты проверки личности могут быть выполнены на BMS и аккумуляторном блоке, включая сценарии наихудшего случая.