Hvad er et batteristyringssystem?

Definition

Battery Management System (BMS) er teknologi dedikeret til overvågning af en batteripakke, som er en samling af battericeller, elektrisk organiseret i en række x kolonne matrix-konfiguration for at muliggøre levering af målrettet rækkevidde af spænding og strøm i et tidsrum i forhold til forventede belastningsscenarier.Det tilsyn, som en BMS giver, omfatter normalt:

• Overvågning af batteriet
• Giver batteribeskyttelse
• Estimering af batteriets driftstilstand
• Kontinuerlig optimering af batteriets ydeevne
• Rapportering af driftsstatus til eksterne enheder

Her betyder udtrykket "batteri" hele pakken;overvågnings- og kontrolfunktionerne anvendes dog specifikt til individuelle celler eller grupper af celler kaldet moduler i den samlede batteripakkesamling.Lithium-ion genopladelige celler har den højeste energitæthed og er standardvalget for batteripakker til mange forbrugerprodukter, fra bærbare computere til elektriske køretøjer.Selvom de præsterer fremragende, kan de være temmelig ubarmhjertige, hvis de betjenes uden for et generelt stramt sikkert operationsområde (SOA), med resultater lige fra at kompromittere batteriets ydeevne til direkte farlige konsekvenser.BMS har bestemt en udfordrende jobbeskrivelse, og dens overordnede kompleksitet og overvågning kan spænde over mange discipliner såsom elektrisk, digital, kontrol, termisk og hydraulisk.

Hvordan fungerer batteristyringssystemer?

Batteristyringssystemer har ikke et fast eller unikt sæt kriterier, som skal vedtages.Teknologidesignets omfang og implementerede funktioner korrelerer generelt med:

• Omkostningerne, kompleksiteten og størrelsen af ​​batteripakken
• Anvendelse af batteriet og eventuelle bekymringer om sikkerhed, levetid og garanti
• Certificeringskrav fra forskellige offentlige regler, hvor omkostninger og sanktioner er altafgørende, hvis utilstrækkelige funktionelle sikkerhedsforanstaltninger er på plads

Der er mange BMS-designfunktioner, hvor styring af batteripakkebeskyttelse og kapacitetsstyring er to væsentlige funktioner.Vi vil diskutere, hvordan disse to funktioner fungerer her.Styring af batteripakkebeskyttelse har to nøgleområder: elektrisk beskyttelse, hvilket indebærer, at batteriet ikke bliver beskadiget ved brug uden for dets SOA, og termisk beskyttelse, som involverer passiv og/eller aktiv temperaturkontrol for at opretholde eller bringe pakken ind i dens SOA.

Beskyttelse af elektrisk styring: Strøm

Overvågning af batteripakkestrøm og celle- eller modulspændinger er vejen til elektrisk beskyttelse.Den elektriske SOA for enhver battericelle er bundet af strøm og spænding.Figur 1 illustrerer en typisk lithium-ion-celle SOA, og et veldesignet BMS vil beskytte pakken ved at forhindre drift uden for producentens celleklassificeringer.I mange tilfælde kan yderligere derating anvendes for at opholde sig inden for SOA-sikkerhedszonen for at fremme yderligere batterilevetid.

Lithium-ion-celler har andre strømgrænser for opladning end for afladning, og begge tilstande kan håndtere højere spidsstrømme, dog i korte tidsperioder.Battericelleproducenter specificerer normalt maksimale kontinuerlige opladnings- og afladningsstrømgrænser sammen med maksimale opladnings- og afladningsstrømgrænser.En BMS, der giver strømbeskyttelse, vil helt sikkert anvende en maksimal kontinuerlig strøm.Dette kan dog gå forud for at tage højde for en pludselig ændring af belastningsforholdene;for eksempel et elektrisk køretøjs bratte acceleration.En BMS kan inkorporere spidsstrømsovervågning ved at integrere strømmen og efter deltatiden, beslutte at enten reducere den tilgængelige strøm eller at afbryde pakkestrømmen helt.Dette gør det muligt for BMS at besidde næsten øjeblikkelig følsomhed over for ekstreme strømspidser, såsom en kortslutningstilstand, der ikke har fanget opmærksomheden fra nogen faste sikringer, men også være tilgivende over for høje spidsbelastningskrav, så længe de ikke er for høje lang.

Beskyttelse af elektrisk styring: Spænding

Figur 2 viser, at en lithium-ion-celle skal fungere inden for et bestemt spændingsområde.Disse SOA-grænser vil i sidste ende blive bestemt af den iboende kemi af den valgte lithium-ion-celle og temperaturen af ​​cellerne på et givet tidspunkt.Desuden, da enhver batteripakke oplever en betydelig mængde strømcyklus, afladning på grund af belastningskrav og opladning fra en række forskellige energikilder, er disse SOA-spændingsgrænser normalt yderligere begrænset for at optimere batteriets levetid.BMS'en skal vide, hvad disse grænser er, og vil træffe beslutninger baseret på nærheden til disse tærskler.For eksempel, når man nærmer sig højspændingsgrænsen, kan en BMS anmode om en gradvis reduktion af ladestrømmen, eller den kan anmode om, at ladestrømmen afsluttes helt, hvis grænsen nås.Denne grænse er dog sædvanligvis ledsaget af yderligere overvejelser om iboende spændingshysterese for at forhindre kontrolsnak om nedlukningstærsklen.På den anden side, når en BMS nærmer sig lavspændingsgrænsen, vil en BMS anmode om, at vigtige aktive stødende belastninger reducerer deres nuværende krav.I tilfælde af et elektrisk køretøj kan dette udføres ved at reducere det tilladte drejningsmoment, der er til rådighed for trækmotoren.Naturligvis skal BMS'et gøre sikkerhedshensyn til føreren den højeste prioritet og samtidig beskytte batteripakken for at forhindre permanent skade.

Termisk styringsbeskyttelse: Temperatur

Ved pålydende kan det se ud til, at lithium-ion-celler har et bredt temperaturdriftsområde, men den samlede batterikapacitet formindskes ved lave temperaturer, fordi kemiske reaktionshastigheder sænkes bemærkelsesværdigt.Med hensyn til kapacitet ved lave temperaturer yder de meget bedre end bly-syre- eller NiMh-batterier;temperaturstyring er dog forsigtigt vigtig, da opladning under 0 °C (32 °F) er fysisk problematisk.Fænomenet med plettering af metallisk lithium kan forekomme på anoden under opladning under frysepunktet.Dette er permanent skade og resulterer ikke kun i nedsat kapacitet, men celler er mere sårbare over for svigt, hvis de udsættes for vibrationer eller andre stressende forhold.En BMS kan styre temperaturen på batteripakken gennem opvarmning og afkøling.

Realiseret termisk styring er helt afhængig af størrelsen og prisen på batteripakken og ydeevnemål, designkriterier for BMS og produktenhed, som kan omfatte overvejelser om målrettet geografisk region (f.eks. Alaska versus Hawaii).Uanset varmelegemetypen er det generelt mere effektivt at trække energi fra en ekstern vekselstrømskilde eller et alternativt batteri, der har til formål at drive varmelegemet, når det er nødvendigt.Men hvis elvarmeren har et beskedent strømforbrug, kan energi fra den primære batteripakke suges til sig selv.Hvis et termisk hydraulisk system er implementeret, så bruges en elektrisk varmelegeme til at opvarme kølevæsken, som pumpes og fordeles gennem hele pakkesamlingen.

BMS designingeniører har utvivlsomt tricks i deres designfag til at dryppe varmeenergi ind i pakken.For eksempel kan forskellige strømelektronik inde i BMS dedikeret til kapacitetsstyring tændes.Selvom det ikke er så effektivt som direkte opvarmning, kan det udnyttes uanset.Køling er særlig vigtig for at minimere ydeevnetabet af en lithium-ion batteripakke.For eksempel fungerer et givet batteri måske optimalt ved 20°C;hvis pakketemperaturen stiger til 30°C, kan dens ydeevne reduceres med så meget som 20%.Hvis pakken kontinuerligt oplades og genoplades ved 45°C (113°F), kan ydeevnetabet stige til 50 %.Batteriets levetid kan også lide under for tidlig ældning og nedbrydning, hvis det konstant udsættes for overdreven varmeudvikling, især under hurtige opladnings- og afladningscyklusser.Køling opnås normalt ved to metoder, passiv eller aktiv, og begge teknikker kan anvendes.Passiv køling er afhængig af bevægelse af luftstrømmen for at afkøle batteriet.I tilfælde af et elektrisk køretøj betyder dette, at det blot bevæger sig ned ad vejen.Det kan dog være mere sofistikeret, end det ser ud til, da lufthastighedssensorer kunne integreres til strategisk automatisk at justere afbøjelige luftdæmninger for at maksimere luftstrømmen.Implementering af en aktiv temperaturstyret ventilator kan hjælpe ved lave hastigheder, eller når køretøjet er stoppet, men alt dette kan gøre er blot at udligne pakningen med den omgivende omgivende temperatur.I tilfælde af en brændende varm dag kan dette øge den indledende pakningstemperatur.Termisk hydraulisk aktiv køling kan udformes som et komplementært system og anvender typisk ethylen-glycol kølevæske med et specificeret blandingsforhold, cirkuleret via en elektrisk motordrevet pumpe gennem rør/slanger, fordelingsmanifolder, en krydsvarmeveksler (radiator) , og køleplade, der sidder mod batteripakken.En BMS overvåger temperaturerne på tværs af pakken og åbner og lukker forskellige ventiler for at holde temperaturen på det samlede batteri inden for et snævert temperaturområde for at sikre optimal batteriydelse.

Kapacitetsstyring

Maksimering af en batteripakkekapacitet er uden tvivl en af ​​de mest vitale batteriydelsesfunktioner, som en BMS leverer.Hvis denne vedligeholdelse ikke udføres, kan en batteripakke i sidste ende gøre sig selv ubrugelig.Roden til problemet er, at en "stak" af en batteripakke (serier af celler) ikke er helt ens og i sig selv har lidt forskellige lækage- eller selvafladningshastigheder.Lækage er ikke en producentfejl, men en batterikemiegenskab, selvom den statistisk kan påvirkes af små variationer i fremstillingsprocessen.I starten kan en batteripakke have veltilpassede celler, men over tid forringes celle-til-celle-ligheden yderligere, ikke kun på grund af selvafladning, men også påvirket af opladnings-/afladningscyklusser, forhøjet temperatur og generel kalenderældning.Med det forstået, så husk tidligere diskussionen om, at lithium-ion-celler yder fremragende, men kan være temmelig utilgivelige, hvis de betjenes uden for en stram SOA.Vi lærte tidligere om nødvendig elektrisk beskyttelse, fordi lithium-ion-celler ikke håndterer overopladning godt.Når de er fuldt opladet, kan de ikke acceptere mere strøm, og enhver yderligere energi, der skubbes ind i den, bliver omdannet i varme, med spændingen potentielt stigende hurtigt, muligvis til farlige niveauer.Det er ikke en sund situation for cellen og kan forårsage permanent skade og usikre driftsforhold, hvis det fortsætter.

Batteripakkeseriens cellearray er det, der bestemmer den overordnede pakkespænding, og uoverensstemmelse mellem tilstødende celler skaber et dilemma, når man forsøger at oplade enhver stak.Figur 3 viser, hvorfor det er sådan.Hvis man har et perfekt afbalanceret sæt celler, er alt i orden, da hver af dem oplades på samme måde, og ladestrømmen kan afbrydes, når den øvre 4,0 spændingsafbrydelsestærskel er nået.I det ubalancerede scenarie vil topcellen imidlertid nå sin opladningsgrænse tidligt, og ladestrømmen skal afsluttes for benet, før andre underliggende celler er blevet opladet til fuld kapacitet.

BMS er det, der træder ind og redder dagen, eller batteripakken i dette tilfælde.For at vise, hvordan dette fungerer, skal en nøgledefinition forklares.Ladningstilstanden (SOC) for en celle eller et modul på et givet tidspunkt er proportional med den tilgængelige opladning i forhold til den samlede ladning, når den er fuldt opladet.Således indebærer et batteri, der ligger ved 50 % SOC, at det er 50 % opladet, hvilket er beslægtet med en brændstofmåler.BMS-kapacitetsstyring handler om at afbalancere variationen af ​​SOC på tværs af hver stak i pakkesamlingen.Da SOC ikke er en direkte målbar størrelse, kan den estimeres ved hjælp af forskellige teknikker, og selve balanceringsordningen falder generelt i to hovedkategorier, passiv og aktiv.Der er mange variationer af temaer, og hver type har fordele og ulemper.Det er op til BMS-designeren at beslutte, hvad der er optimalt for den givne batteripakke og dens anvendelse.Passiv balancering er den nemmeste at implementere, samt at forklare det generelle balancekoncept.Den passive metode gør det muligt for hver celle i stakken at have samme opladede kapacitet som den svageste celle.Ved at bruge en relativt lav strøm overfører den en lille mængde energi fra høje SOC-celler under opladningscyklussen, så alle celler oplader til deres maksimale SOC.Figur 4 illustrerer, hvordan dette opnås af BMS.Den overvåger hver celle og udnytter en transistorkontakt og en passende størrelse udladningsmodstand parallelt med hver celle.Når BMS registrerer, at en given celle nærmer sig sin ladningsgrænse, vil den styre overskydende strøm rundt om den til den næste celle nedenfor på top-down måde.

Balanceringsprocessens endepunkter, før og efter, er vist i figur 5. Sammenfattende balancerer en BMS en batteristabel ved at tillade en celle eller et modul i en stak at se en anden ladestrøm end pakkestrømmen på en af ​​følgende måder:

• Fjernelse af ladning fra de mest ladede celler, hvilket giver frihøjde til yderligere ladestrøm for at forhindre overopladning, og tillader de mindre ladede celler at modtage mere ladestrøm
• Omdirigering af noget eller næsten hele ladestrømmen omkring de mest ladede celler, hvorved de mindre ladede celler får mulighed for at modtage ladestrøm i længere tid

Typer af batteristyringssystemer

Batteristyringssystemer spænder fra enkle til komplekse og kan omfatte en bred vifte af forskellige teknologier for at nå deres primære direktiv om at "tage sig af batteriet."Disse systemer kan dog kategoriseres baseret på deres topologi, som relaterer til, hvordan de er installeret og fungerer på cellerne eller modulerne på tværs af batteripakken.

Centraliseret BMS-arkitektur

Har en central BMS i batteripakken.Alle batteripakkerne er direkte forbundet til det centrale BMS.Strukturen af ​​et centraliseret BMS er vist i figur 6. Det centraliserede BMS har nogle fordele.Den er mere kompakt, og den plejer at være den mest økonomiske, da der kun er én BMS.Der er dog ulemper ved en centraliseret BMS.Da alle batterierne er forbundet direkte til BMS'en, har BMS'en brug for en masse porte for at forbinde med alle batteripakkerne.Dette giver sig udslag i masser af ledninger, kabler, stik osv. i store batteripakker, hvilket komplicerer både fejlfinding og vedligeholdelse.

Modulær BMS-topologi

I lighed med en centraliseret implementering er BMS'et opdelt i flere duplikerede moduler, hver med et dedikeret bundt af ledninger og forbindelser til en tilstødende tildelt del af en batteristabel.Se figur 7. I nogle tilfælde kan disse BMS-undermoduler ligge under et primært BMS-modulopsyn, hvis funktion er at overvåge undermodulernes status og kommunikere med perifert udstyr.Takket være den duplikerede modularitet er fejlfinding og vedligeholdelse nemmere, og udvidelse til større batteripakker er ligetil.Ulempen er, at de samlede omkostninger er lidt højere, og der kan være duplikeret ubrugt funktionalitet afhængigt af applikationen.

Primær/underordnet BMS

Konceptuelt ligner den modulære topologi, men i dette tilfælde er slaverne mere begrænset til kun at videresende måleinformation, og masteren er dedikeret til beregning og kontrol samt ekstern kommunikation.Så selv om omkostningerne ligesom de modulære typer kan være lavere, da funktionaliteten af ​​slaverne har en tendens til at være enklere, med sandsynligvis mindre overhead og færre ubrugte funktioner.

Distribueret BMS-arkitektur

Betydeligt forskellig fra de andre topologier, hvor den elektroniske hardware og software er indkapslet i moduler, der forbinder til cellerne via bundter af tilsluttede ledninger.Et distribueret BMS inkorporerer al den elektroniske hardware på et styrekort placeret direkte på cellen eller modulet, der overvåges.Dette aflaster hovedparten af ​​kabler til nogle få sensorledninger og kommunikationsledninger mellem tilstødende BMS-moduler.Som følge heraf er hvert BMS mere selvstændigt og håndterer beregninger og kommunikation efter behov.På trods af denne tilsyneladende enkelhed gør denne integrerede form dog fejlfinding og vedligeholdelse potentielt problematisk, da den ligger dybt inde i en skjoldmodulsamling.Omkostningerne har også en tendens til at være højere, da der er flere BMS'er i den overordnede batteripakkestruktur.

Vigtigheden af ​​batteristyringssystemer

Funktionel sikkerhed er af højeste betydning i en BMS.Det er kritisk under opladning og afladning for at forhindre, at spændingen, strømmen og temperaturen af ​​enhver celle eller modul under tilsynskontrol overskrider definerede SOA-grænser.Hvis grænserne overskrides i længere tid, er ikke kun en potentielt dyr batteripakke kompromitteret, men der kan også opstå farlige termiske løbeforhold.Desuden overvåges lavere spændingsgrænser også strengt for beskyttelse af lithium-ion-celler og funktionel sikkerhed.Hvis Li-ion-batteriet forbliver i denne lavspændingstilstand, kan kobberdendritter i sidste ende vokse på anoden, hvilket kan resultere i forhøjede selvafladningshastigheder og skabe mulige sikkerhedsproblemer.Den høje energitæthed af lithium-ion-drevne systemer kommer til en pris, der ikke giver meget plads til batteristyringsfejl.Takket være BMS'er og lithium-ion-forbedringer er dette en af ​​de mest succesrige og sikre batterikemier, der findes i dag.

Batteripakkens ydeevne er den næsthøjeste vigtige egenskab ved et BMS, og dette involverer elektrisk og termisk styring.For elektrisk at optimere den samlede batterikapacitet skal alle cellerne i pakken være afbalancerede, hvilket indebærer, at SOC'en for tilstødende celler i hele samlingen er omtrent ens.Dette er usædvanligt vigtigt, fordi det ikke kun kan opnå optimal batterikapacitet, men det hjælper med at forhindre generel nedbrydning og reducerer potentielle hotspots fra overopladning af svage celler.Lithium-ion-batterier bør undgå afladning under lavspændingsgrænser, da dette kan resultere i hukommelseseffekter og betydeligt kapacitetstab.Elektrokemiske processer er meget følsomme over for temperatur, og batterier er ingen undtagelse.Når omgivelsernes temperatur falder, falder kapaciteten og den tilgængelige batterienergi markant.Som følge heraf kan en BMS engagere en ekstern in-line-varmer, der befinder sig på, f.eks. væskekølesystemet i en batteripakke til et elektrisk køretøj, eller tænd-boende varmeplader, der er installeret under moduler af en pakke, der er inkorporeret i en helikopter eller andet fly.Da opladning af frigide lithium-ion-celler desuden er skadelig for batteriets levetid, er det vigtigt først at hæve batteriets temperatur tilstrækkeligt.De fleste lithium-ion-celler kan ikke hurtigt oplades, når de er under 5°C og bør slet ikke oplades, når de er under 0°C.For optimal ydeevne under typisk operationel brug sikrer BMS termisk styring ofte, at et batteri fungerer inden for et snævert Goldilocks-område (f.eks. 30 – 35°C).Dette sikrer ydeevne, fremmer længere levetid og fremmer en sund, pålidelig batteripakke.

Fordelene ved batteristyringssystemer

Et helt batterienergilagringssystem, ofte omtalt som BESS, kunne bestå af titusinder, hundreder eller endda tusindvis af lithium-ion-celler, der er strategisk pakket sammen, afhængigt af applikationen.Disse systemer kan have en nominel spænding på mindre end 100V, men kan være så høj som 800V, med pakkeforsyningsstrømme på op til 300A eller mere.Enhver fejlstyring af en højspændingspakke kan udløse en livstruende, katastrofal katastrofe.Derfor er BMS'er helt afgørende for at sikre sikker drift.Fordelene ved BMS'er kan opsummeres som følger.

• Funktionel sikkerhed.Med hånden nedad, for storformat lithium-ion batteripakker er dette særligt forsigtigt og vigtigt.Men selv mindre formater, der bruges i f.eks. bærbare computere, har været kendt for at bryde i brand og forårsage enorm skade.Personlig sikkerhed for brugere af produkter, der inkorporerer lithium-ion-drevne systemer, giver ikke meget plads til batteristyringsfejl.
• Levetid og pålidelighed.Styring af batteripakkebeskyttelse, elektrisk og termisk, sikrer, at alle cellerne bruges inden for de erklærede SOA-krav.Dette delikate tilsyn sikrer, at cellerne bliver taget hånd om mod aggressiv brug og hurtig op- og afladning, og resulterer uundgåeligt i et stabilt system, der potentielt vil give mange års pålidelig service.
• Ydeevne og rækkevidde.BMS batteripakkekapacitetsstyring, hvor celle-til-celle-balancering anvendes til at udligne SOC for tilstødende celler på tværs af pakkesamlingen, gør det muligt at realisere optimal batterikapacitet.Uden denne BMS-funktion til at tage højde for variationer i selvafladning, opladnings-/afladningscyklus, temperatureffekter og generel ældning, kunne en batteripakke i sidste ende gøre sig selv ubrugelig.
• Diagnostik, dataindsamling og ekstern kommunikation.Overvågningsopgaver omfatter løbende overvågning af alle battericeller, hvor datalogning kan bruges af sig selv til diagnostik, men er ofte beregnet til opgaven til beregning for at estimere SOC'en for alle celler i samlingen.Disse oplysninger udnyttes til at afbalancere algoritmer, men kan samlet videresendes til eksterne enheder og skærme for at angive den tilgængelige energi, estimere forventet rækkevidde eller rækkevidde/levetid baseret på aktuelt forbrug og give batteripakkens helbredstilstand.
• Reduktion af omkostninger og garanti.Introduktionen af ​​en BMS i en BESS øger omkostningerne, og batteripakker er dyre og potentielt farlige.Jo mere kompliceret systemet er, desto højere er sikkerhedskravene, hvilket resulterer i behovet for mere BMS-overvågning.Men beskyttelsen og den forebyggende vedligeholdelse af et BMS med hensyn til funktionel sikkerhed, levetid og pålidelighed, ydeevne og rækkevidde, diagnostik osv. garanterer, at det vil reducere de samlede omkostninger, inklusive dem, der er relateret til garantien.

Batteristyringssystemer og Synopsys

Simulering er en værdifuld allieret for BMS-design, især når det anvendes til at udforske og løse designudfordringer inden for hardwareudvikling, prototyping og test.Med en nøjagtig lithium-ion-cellemodel i spil, er simuleringsmodellen af ​​BMS-arkitekturen den eksekverbare specifikation, der anerkendes som den virtuelle prototype.Derudover tillader simulering smertefri undersøgelse af varianter af BMS-overvågningsfunktioner i forhold til forskellige batteri- og miljøscenarier.Implementeringsproblemer kan opdages og undersøges meget tidligt, hvilket gør det muligt at verificere forbedringer af ydeevne og funktionel sikkerhed før implementering på den rigtige hardwareprototype.Dette reducerer udviklingstiden og er med til at sikre, at den første hardwareprototype bliver robust.Derudover kan mange autentificeringstests, herunder worst case-scenarier, udføres af BMS og batteripakken, når de udøves i fysisk realistiske indlejrede systemapplikationer.

Synopsys SaberRDtilbyder omfattende elektriske, digitale, kontrol- og termiske hydrauliske modelbiblioteker for at styrke ingeniører, der er interesseret i BMS og batteripakkedesign og -udvikling.Værktøjer er tilgængelige til hurtigt at generere modeller ud fra grundlæggende databladsspecifikationer og målekurver for mange elektroniske enheder og forskellige batterikemityper.Statistiske analyser, stress- og fejlanalyser tillader verifikation på tværs af spektrum af driftsregionen, herunder grænseområder, for at sikre overordnet BMS-pålidelighed.Desuden tilbydes der mange designeksempler for at gøre det muligt for brugere at kickstarte et projekt og hurtigt nå de nødvendige svar fra simulering.