Какво е система за управление на батерията?

Определение

Системата за управление на батерията (BMS) е технология, посветена на надзора на батериен пакет, който е сбор от батерийни клетки, електрически организирани в матрична конфигурация ред х колона, за да се даде възможност за доставяне на целеви диапазон от напрежение и ток за определен период от време срещу сценарии за очаквано натоварване.Надзорът, който BMS осигурява, обикновено включва:

• Мониторинг на батерията
• Осигуряване на защита на батерията
• Оценка на работното състояние на батерията
• Непрекъснато оптимизиране на производителността на батерията
• Докладване на работното състояние на външни устройства

Тук терминът „батерия“ включва целия пакет;въпреки това, функциите за наблюдение и контрол се прилагат конкретно към отделни клетки или групи от клетки, наречени модули в цялостния модул на батерията.Литиево-йонните акумулаторни клетки имат най-висока енергийна плътност и са стандартният избор за батерии за много потребителски продукти, от лаптопи до електрически превозни средства.Въпреки че се представят превъзходно, те могат да бъдат доста непримирими, ако се използват извън обикновено тясна безопасна работна зона (SOA), с резултати, вариращи от компрометиране на производителността на батерията до направо опасни последици.BMS със сигурност има предизвикателна длъжностна характеристика и нейната цялостна сложност и обхват на надзор може да обхваща много дисциплини като електрически, цифрови, контролни, термични и хидравлични.

Как работят системите за управление на батерията?

Системите за управление на батерията нямат фиксиран или уникален набор от критерии, които трябва да бъдат приети.Обхватът на технологичния дизайн и внедрените функции обикновено корелират с:

• Цената, сложността и размера на батерията
• Приложение на батерията и всякакви проблеми с безопасността, продължителността на живота и гаранцията
• Изисквания за сертифициране от различни правителствени разпоредби, където разходите и санкциите са от първостепенно значение, ако са налице неадекватни мерки за функционална безопасност

Има много функции на дизайна на BMS, като управлението на защитата на батерията и управлението на капацитета са две основни характеристики.Ще обсъдим как работят тези две функции тук.Управлението на защитата на батерийния пакет има две ключови области: електрическа защита, което предполага недопускане на батерията да бъде повредена чрез използване извън нейната SOA, и термична защита, която включва пасивен и/или активен температурен контрол за поддържане или привеждане на батерията в нейната SOA.

Защита на електрическото управление: ток

Мониторингът на тока на батерията и напрежението на клетката или модула е пътят към електрическата защита.Електрическата SOA на всяка батерия е свързана с ток и напрежение.Фигура 1 илюстрира типична литиево-йонна клетка SOA, а добре проектираната BMS ще защити пакета, като предотврати работа извън рейтингите на клетката на производителя.В много случаи може да се приложи по-нататъшно намаляване на номиналните стойности за пребиваване в безопасната SOA зона в интерес на насърчаването на по-нататъшния живот на батерията.

Литиево-йонните клетки имат различни ограничения на тока за зареждане и за разреждане и двата режима могат да се справят с по-високи пикови токове, макар и за кратки периоди от време.Производителите на акумулаторни клетки обикновено определят максимални граници на непрекъснатия ток на зареждане и разреждане, заедно с ограниченията на пиковия ток на зареждане и разреждане.BMS, осигуряващ токова защита, със сигурност ще приложи максимален непрекъснат ток.Това обаче може да бъде предшествано, за да се отчете внезапна промяна на условията на натоварване;например рязко ускорение на електрическо превозно средство.BMS може да включва мониторинг на пиковия ток чрез интегриране на тока и след делта времето, като се реши или да се намали наличният ток, или да се прекъсне изцяло тока на пакета.Това позволява на BMS да притежава почти мигновена чувствителност към екстремни пикове на тока, като състояние на късо съединение, което не е привлякло вниманието на нито един резидентен предпазител, но също така да прощава към високи пикови изисквания, стига те да не са прекомерни дълго.

Защита на електрическото управление: напрежение

Фигура 2 показва, че литиево-йонната клетка трябва да работи в определен диапазон на напрежение.Тези SOA граници в крайна сметка ще се определят от присъщата химия на избраната литиево-йонна клетка и температурата на клетките във всеки даден момент.Освен това, тъй като всеки батериен пакет изпитва значително количество токови цикли, разреждане поради изисквания за натоварване и зареждане от различни източници на енергия, тези SOA граници на напрежението обикновено са допълнително ограничени, за да се оптимизира живота на батерията.BMS трябва да знае какви са тези граници и ще взема решения въз основа на близостта до тези прагове.Например, когато се приближава границата на високото напрежение, BMS може да поиска постепенно намаляване на тока на зареждане или може да поиска токът на зареждане да бъде напълно прекратен, ако границата бъде достигната.Това ограничение обаче обикновено е придружено от допълнителни съображения за хистерезис на вътрешното напрежение, за да се предотврати бърборенето на контрола относно прага на изключване.От друга страна, когато се приближи границата на ниското напрежение, BMS ще поиска ключови активни нарушители да намалят текущите си изисквания.В случай на електрическо превозно средство, това може да се извърши чрез намаляване на разрешения въртящ момент, наличен за тяговия двигател.Разбира се, BMS трябва да постави съображенията за безопасност на водача като най-висок приоритет, като същевременно защитава батерията, за да предотврати трайна повреда.

Защита от термично управление: Температура

На пръв поглед може да изглежда, че литиево-йонните клетки имат широк температурен работен диапазон, но общият капацитет на батерията намалява при ниски температури, тъй като скоростите на химичните реакции се забавят значително.По отношение на капацитета при ниски температури, те се представят много по-добре от оловно-киселинните или NiMh батерии;управлението на температурата обаче е разумно важно, тъй като зареждането под 0 °C (32 °F) е физически проблематично.Феноменът на покритие от метален литий може да възникне на анода по време на зареждане при температура на замръзване.Това е трайно увреждане и не само води до намален капацитет, но клетките са по-уязвими към повреда, ако са подложени на вибрации или други стресови условия.BMS може да контролира температурата на батерията чрез нагряване и охлаждане.

Реализираното управление на топлината зависи изцяло от размера и цената на батерията и целите за производителност, критериите за проектиране на BMS и продуктовата единица, което може да включва разглеждане на целевия географски регион (напр. Аляска срещу Хавай).Независимо от типа нагревател, обикновено е по-ефективно да се черпи енергия от външен източник на променливотоково захранване или алтернативна резидентна батерия, предназначена да работи с нагревателя, когато е необходимо.Въпреки това, ако електрическият нагревател има умерено потребление на ток, енергията от първичния пакет батерии може да бъде изведена, за да се нагрее.Ако е внедрена термична хидравлична система, тогава се използва електрически нагревател за нагряване на охлаждащата течност, която се изпомпва и разпределя в комплекта на пакета.

Конструкторските инженери на BMS несъмнено имат трикове в своята дизайнерска търговия, за да вкарват топлинна енергия в пакета.Например, различни силови електроники в BMS, предназначени за управление на капацитета, могат да бъдат включени.Въпреки че не е толкова ефективен като директното отопление, той може да се използва независимо от това.Охлаждането е особено важно за минимизиране на загубата на производителност на литиево-йонна батерия.Например, може би дадена батерия работи оптимално при 20°C;ако температурата на пакета се повиши до 30°C, ефективността му може да бъде намалена с до 20%.Ако пакетът се зарежда непрекъснато и се презарежда при 45°C (113°F), загубата на производителност може да нарасне до сериозните 50%.Животът на батерията също може да страда от преждевременно стареене и влошаване, ако е непрекъснато изложен на прекомерно генериране на топлина, особено по време на цикли на бързо зареждане и разреждане.Охлаждането обикновено се постига по два метода, пасивен или активен, и могат да се използват и двете техники.Пасивното охлаждане разчита на движение на въздушния поток за охлаждане на батерията.В случай на електрическо превозно средство това означава, че то просто се движи по пътя.Въпреки това, той може да е по-сложен, отколкото изглежда, тъй като сензорите за скорост на въздуха могат да бъдат интегрирани за стратегическо автоматично регулиране на отклоняващите въздушни прегради, за да се увеличи максимално въздушния поток.Внедряването на активен вентилатор с контролирана температура може да помогне при ниски скорости или когато автомобилът е спрял, но всичко, което може да направи, е просто да изравни пакета с температурата на околната среда.В случай на горещ ден това може да повиши първоначалната температура на опаковката.Термично хидравличното активно охлаждане може да бъде проектирано като допълнителна система и обикновено използва охлаждаща течност етилен-гликол с определено съотношение на сместа, циркулираща чрез задвижвана от електрически мотор помпа през тръби/маркучи, разпределителни колектори, топлообменник с кръстосан поток (радиатор) , и охлаждаща плоча, разположена срещу модула на батерията.BMS следи температурите в пакета и отваря и затваря различни клапани, за да поддържа температурата на цялата батерия в тесен температурен диапазон, за да осигури оптимална работа на батерията.

Управление на капацитета

Максимизирането на капацитета на батерията е може би една от най-важните функции за производителност на батерията, които BMS предоставя.Ако тази поддръжка не се извърши, батерията може в крайна сметка да стане безполезна.Коренът на проблема е, че пакетът батерии „стек“ (поредица от клетки) не е напълно равен и по същество има малко по-различни скорости на изтичане или саморазреждане.Изтичането не е дефект на производителя, а характеристика на химията на батерията, въпреки че може да бъде повлияно статистически от малки вариации на производствения процес.Първоначално един батериен пакет може да има добре съвпадащи клетки, но с течение на времето сходството между клетките допълнително се влошава, не само поради саморазреждане, но и повлияно от цикъла на зареждане/разреждане, повишената температура и общото стареене на календара.С това разбиране, припомнете си по-рано дискусията, че литиево-йонните клетки се представят превъзходно, но могат да бъдат доста непримирими, ако работят извън тясна SOA.По-рано научихме за необходимата електрическа защита, тъй като литиево-йонните клетки не се справят добре с презареждане.След като са напълно заредени, те не могат да приемат повече ток и всяка допълнителна енергия, вкарана в тях, се трансформира в топлина, като напрежението може да се повиши бързо, вероятно до опасни нива.Това не е здравословна ситуация за клетката и може да причини трайно увреждане и опасни работни условия, ако продължи.

Масивът от серийни клетки на пакета батерии е това, което определя цялостното напрежение на пакета, а несъответствието между съседните клетки създава дилема, когато се опитвате да заредите произволен стек.Фигура 3 показва защо това е така.Ако има идеално балансиран набор от клетки, всичко е наред, тъй като всяка ще се зарежда по еднакъв начин и зарядният ток може да бъде прекъснат, когато бъде достигнат горният праг на прекъсване на напрежението 4,0.Въпреки това, в небалансирания сценарий, най-горната клетка ще достигне своя лимит на зареждане рано и токът на зареждане трябва да бъде прекратен за крака, преди другите подлежащи клетки да бъдат заредени до пълния си капацитет.

BMS е това, което се намесва и спасява деня или батерията в този случай.За да се покаже как работи това, трябва да се обясни ключово определение.Състоянието на заряд (SOC) на клетка или модул в даден момент е пропорционално на наличния заряд спрямо общия заряд, когато е напълно зареден.По този начин батерия, която се намира на 50% SOC, предполага, че е 50% заредена, което е подобно на стойността на показателя за гориво.Управлението на капацитета на BMS е свързано изцяло с балансирането на вариациите на SOC във всеки стек в модула на пакета.Тъй като SOC не е директно измерима величина, тя може да бъде оценена чрез различни техники, а самата схема за балансиране обикновено попада в две основни категории, пасивна и активна.Има много вариации на теми и всеки тип има плюсове и минуси.Кое е оптималното за дадения пакет батерии и неговото приложение зависи от проектантския инженер на BMS.Пасивното балансиране е най-лесно за изпълнение, както и за обяснение на общата концепция за балансиране.Пасивният метод позволява всяка клетка в стека да има същия зареден капацитет като най-слабата клетка.Използвайки относително нисък ток, той прехвърля малко количество енергия от клетките с висок SOC по време на цикъла на зареждане, така че всички клетки да се заредят до техния максимален SOC.Фигура 4 илюстрира как това се постига от BMS.Той следи всяка клетка и използва транзисторен ключ и разряден резистор с подходящ размер в паралел с всяка клетка.Когато BMS усети, че дадена клетка наближава своя лимит на заряд, тя ще насочи излишния ток около нея към следващата клетка отдолу по начин отгоре надолу.

Крайните точки на процеса на балансиране, преди и след, са показани на Фигура 5. В обобщение, BMS балансира купчина батерии, като позволява на клетка или модул в стека да вижда различен ток на зареждане от тока на пакета по един от следните начини:

• Премахване на заряда от най-заредените клетки, което дава пространство за допълнителен заряден ток, за да се предотврати презареждане, и позволява на по-малко заредените клетки да получат повече заряден ток
• Пренасочване на част или почти целия заряден ток около най-заредените клетки, като по този начин позволява на по-малко заредените клетки да получават заряден ток за по-дълъг период от време

Видове системи за управление на батерията

Системите за управление на батерията варират от прости до сложни и могат да обхванат широка гама от различни технологии, за да постигнат основната си директива за „грижа за батерията“.Тези системи обаче могат да бъдат категоризирани въз основа на тяхната топология, която е свързана с това как са инсталирани и работят върху клетките или модулите в целия батериен пакет.

Централизирана BMS архитектура

Има един централен BMS в модула на батерията.Всички пакети батерии са свързани директно към централната BMS.Структурата на централизирана BMS е показана на фигура 6. Централизираната BMS има някои предимства.Той е по-компактен и има тенденция да бъде най-икономичният, тъй като има само един BMS.Има обаче недостатъци на централизирана BMS.Тъй като всички батерии са свързани директно към BMS, BMS се нуждае от много портове, за да се свърже с всички батерийни пакети.Това означава много проводници, кабели, конектори и т.н. в големи пакети батерии, което усложнява както отстраняването на неизправности, така и поддръжката.

Модулна BMS топология

Подобно на централизирана реализация, BMS е разделена на няколко дублирани модула, всеки със специален пакет от проводници и връзки към съседна определена част от стека батерии.Вижте Фигура 7. В някои случаи тези подмодули на BMS може да се намират под надзор на първичен модул на BMS, чиято функция е да наблюдава състоянието на подмодулите и да комуникира с периферно оборудване.Благодарение на дублираната модулност, отстраняването на неизправности и поддръжката е по-лесно, а разширяването към по-големи батерийни пакети е лесно.Недостатъкът е, че общите разходи са малко по-високи и може да има дублирана неизползвана функционалност в зависимост от приложението.

Основен/Подчинен BMS

Концептуално подобно на модулната топология, обаче, в този случай подчинените устройства са по-ограничени само до препредаване на информация за измерване, а главният е посветен на изчисленията и контрола, както и на външната комуникация.Така че, въпреки че подобно на модулните типове, разходите може да са по-ниски, тъй като функционалността на подчинените устройства обикновено е по-опростена, с вероятно по-малко режийни разходи и по-малко неизползвани функции.

Разпределена BMS архитектура

Значително различно от другите топологии, при които електронният хардуер и софтуер са капсулирани в модули, които взаимодействат с клетките чрез снопове от прикрепено окабеляване.Разпределената BMS включва целия електронен хардуер на контролна платка, поставена директно върху клетката или модула, който се наблюдава.Това облекчава по-голямата част от окабеляването до няколко сензорни проводника и комуникационни проводници между съседни BMS модули.Следователно всяка BMS е по-самостоятелна и обработва изчисленията и комуникациите според изискванията.Въпреки тази привидна простота обаче, тази интегрирана форма прави отстраняването на неизправности и поддръжката потенциално проблематични, тъй като се намира дълбоко в модула на екраниращия модул.Разходите също са склонни да бъдат по-високи, тъй като има повече BMS в цялостната структура на батерийния пакет.

Значението на системите за управление на батерията

Функционалната безопасност е от най-голямо значение в BMS.От решаващо значение е по време на операцията по зареждане и разреждане да се предотврати превишаване на определените SOA граници на напрежението, тока и температурата на всяка клетка или модул под контролен контрол.Ако ограниченията бъдат превишени за дълго време, не само потенциално скъпата батерия е компрометирана, но може да възникнат опасни условия на топлинно изпускане.Освен това долните граници на прага на напрежението също се наблюдават строго за защита на литиево-йонните клетки и функционална безопасност.Ако литиево-йонната батерия остане в това състояние с ниско напрежение, медните дендрити могат евентуално да растат върху анода, което може да доведе до повишени скорости на саморазреждане и да предизвика възможни опасения за безопасността.Високата енергийна плътност на захранваните с литиево-йонни системи има цена, която оставя малко място за грешка в управлението на батерията.Благодарение на BMSs и литиево-йонните подобрения, това е една от най-успешните и безопасни батерийни химикали, налични днес.

Производителността на батерията е следващата най-важна характеристика на BMS и това включва електрическо и термично управление.За да се оптимизира електрически общият капацитет на батерията, всички клетки в пакета трябва да бъдат балансирани, което означава, че SOC на съседните клетки в целия комплект са приблизително еквивалентни.Това е изключително важно, защото не само може да се реализира оптимален капацитет на батерията, но помага за предотвратяване на общото влошаване и намалява потенциалните горещи точки от презареждане на слаби клетки.Литиево-йонните батерии трябва да избягват разреждане под границите на ниско напрежение, тъй като това може да доведе до ефекти на паметта и значителна загуба на капацитет.Електрохимичните процеси са силно податливи на температура и батериите не са изключение.Когато температурата на околната среда спадне, капацитетът и наличната енергия на батерията намаляват значително.Следователно, BMS може да задейства външен вграден нагревател, който се намира, да речем, в системата за течно охлаждане на акумулаторна батерия на електрическо превозно средство, или да включва резидентни нагревателни плочи, които са инсталирани под модули на пакет, вграден в хеликоптер или друг самолет.Освен това, тъй като зареждането на студени литиево-йонни клетки е вредно за живота на батерията, важно е първо да повишите достатъчно температурата на батерията.Повечето литиево-йонни клетки не могат да се зареждат бързо, когато са под 5°C и изобщо не трябва да се зареждат, когато са под 0°C.За оптимална производителност по време на типична оперативна употреба, топлинното управление на BMS често гарантира, че батерията работи в тесен регион на работа на Goldilocks (напр. 30 – 35°C).Това гарантира производителността, насърчава по-дълъг живот и поддържа здрав и надежден пакет батерии.

Предимствата на системите за управление на батерията

Цялата система за съхранение на енергия от батерии, често наричана BESS, може да бъде съставена от десетки, стотици или дори хиляди литиево-йонни клетки, стратегически опаковани заедно, в зависимост от приложението.Тези системи може да имат номинално напрежение по-малко от 100V, но могат да достигнат до 800V, като токовете на захранване на пакета варират до 300A или повече.Всяко лошо управление на пакет с високо напрежение може да предизвика животозастрашаваща, катастрофална катастрофа.Следователно BMSs са абсолютно критични за осигуряване на безопасна работа.Ползите от BMS могат да бъдат обобщени, както следва.

• Функционална безопасност.Надолу, за широкоформатни литиево-йонни батерии това е особено разумно и важно.Но е известно, че дори по-малките формати, използвани в, да речем, лаптопи, се запалват и причиняват огромни щети.Личната безопасност на потребителите на продукти, които включват захранвани с литиево-йонни системи, оставя малко място за грешка в управлението на батерията.
• Продължителност на живота и надеждност.Управлението на защитата на батерията, електрическа и термична, гарантира, че всички клетки се използват в рамките на декларираните SOA изисквания.Този деликатен контрол гарантира, че клетките са защитени срещу агресивна употреба и цикличност на бързо зареждане и разреждане и неизбежно води до стабилна система, която потенциално ще осигури дълги години надеждна работа.
• Производителност и обхват.BMS управлението на капацитета на батерийния пакет, при което се използва балансиране между клетка за изравняване на SOC на съседни клетки в комплекта на пакета, позволява да се реализира оптимален капацитет на батерията.Без тази функция на BMS, която да отчита вариациите в саморазреждането, цикъла на зареждане/разреждане, температурните ефекти и общото стареене, батерията може в крайна сметка да стане безполезна.
• Диагностика, събиране на данни и външна комуникация.Задачите за надзор включват непрекъснат мониторинг на всички батерийни клетки, където записването на данни може да се използва само за диагностика, но често е предназначено за задачата за изчисление за оценка на SOC на всички клетки в комплекта.Тази информация се използва за алгоритми за балансиране, но колективно може да бъде препредадена на външни устройства и дисплеи, за да покаже наличната резидентна енергия, да оцени очаквания обхват или обхват/живот на базата на текущото използване и да предостави изправното състояние на батерията.
• Намаляване на разходите и гаранцията.Въвеждането на BMS в BESS добавя разходи, а батерийните пакети са скъпи и потенциално опасни.Колкото по-сложна е системата, толкова по-високи са изискванията за безопасност, което води до необходимостта от повече присъствие на BMS за надзор.Но защитата и превантивната поддръжка на BMS по отношение на функционална безопасност, продължителност на живота и надеждност, производителност и обхват, диагностика и т.н. гарантира, че ще намали общите разходи, включително тези, свързани с гаранцията.

Системи за управление на батерията и Synopsys

Симулацията е ценен съюзник за дизайна на BMS, особено когато се прилага за изследване и справяне с предизвикателствата на дизайна в рамките на разработката на хардуер, прототипирането и тестването.С точен модел на литиево-йонна клетка в игра, симулационният модел на BMS архитектурата е изпълнимата спецификация, разпозната като виртуален прототип.В допълнение, симулацията позволява безболезнено изследване на варианти на функциите за надзор на BMS спрямо различни сценарии на работа на батерията и околната среда.Проблемите с внедряването могат да бъдат открити и проучени много рано, което позволява да се проверят подобренията в производителността и функционалната безопасност преди внедряването на реалния хардуерен прототип.Това намалява времето за разработка и помага да се гарантира, че първият хардуерен прототип ще бъде здрав.В допълнение, много тестове за удостоверяване, включително най-лошите сценарии, могат да бъдат проведени на BMS и батерията, когато се упражняват във физически реалистични вградени системни приложения.

Синопсис SaberRDпредлага обширни библиотеки с електрически, цифрови, контролни и термични хидравлични модели, за да даде възможност на инженерите, интересуващи се от проектиране и разработка на BMS и батерийни пакети.Налични са инструменти за бързо генериране на модели от основни спецификации на лист с данни и криви на измерване за много електронни устройства и различни видове химия на батериите.Статистическите анализи, анализи на стреса и грешки позволяват проверка в спектъра на работния регион, включително гранични зони, за да се гарантира цялостната надеждност на BMS.Освен това се предлагат много примери за проектиране, за да се даде възможност на потребителите да стартират бързо проект и бързо да достигнат до необходимите отговори от симулацията.