Што е систем за управување со батерии?

Дефиниција

Системот за управување со батерии (BMS) е технологија посветена на надзор над батерискиот пакет, кој е склоп на батериски ќелии, електрично организирани во конфигурација на матрица во ред x колона за да се овозможи испорака на целниот опсег на напон и струја за одредено време против очекувано оптоварување сценарија.Надзорот што го обезбедува BMS обично вклучува:

• Следење на батеријата
• Обезбедување заштита на батеријата
• Проценка на работната состојба на батеријата
• Постојано оптимизирање на перформансите на батеријата
• Известување за оперативниот статус на надворешни уреди

Овде, терминот „батерија“ го подразбира целиот пакет;сепак, функциите за следење и контрола се специјално применети на поединечни ќелии или групи на ќелии наречени модули во целокупниот склоп на батериски пакет.Литиум-јонските ќелии за полнење имаат најголема густина на енергија и се стандарден избор за батерии за многу производи за широка потрошувачка, од лаптопи до електрични возила.Иако тие работат одлично, тие можат да бидат прилично непростливи ако се користат надвор од генерално тесна безбедна работна област (SOA), со исходи кои се движат од загрозување на перформансите на батеријата до целосно опасни последици.BMS секако има предизвикувачки опис на работата, а неговата севкупна сложеност и надгледување може да опфаќа многу дисциплини како што се електрични, дигитални, контролни, топлински и хидраулични.

Како функционираат системите за управување со батерии?

Системите за управување со батерии немаат фиксен или единствен сет на критериуми што мора да се усвојат.Обемот на технолошки дизајн и имплементираните карактеристики генерално корелираат со:

• Трошоците, сложеноста и големината на батерискиот пакет
• Примена на батеријата и какви било прашања за безбедноста, животниот век и гаранцијата
• Барања за сертификација од различни владини регулативи каде што трошоците и казните се најважни доколку се воспостават несоодветни функционални безбедносни мерки

Постојат многу карактеристики на дизајнот на BMS, при што управувањето со заштитата на батериите и управувањето со капацитет се две основни карактеристики.Овде ќе разговараме за тоа како функционираат овие две карактеристики.Управувањето со заштитата на батерискиот пакет има две клучни области: електрична заштита, што подразбира не дозволување на батеријата да се оштети преку користење надвор од нејзиниот SOA, и термичка заштита, која вклучува пасивна и/или активна контрола на температурата за одржување или внесување на пакетот во неговиот SOA.

Заштита од електричен менаџмент: струја

Следењето на струјата на батериите и напонот на ќелијата или модулот е патот до електричната заштита.Електричниот SOA на која било ќелија на батеријата е поврзан со струја и напон.Слика 1 илустрира типичен SOA на литиум-јонска ќелија, а добро дизајнираниот BMS ќе го заштити пакетот така што ќе спречи работа надвор од рејтингот на ќелиите на производителот.Во многу случаи, дополнително намалување може да се примени за престој во безбедната зона SOA во интерес на промовирање на понатамошен век на батеријата.

Литиум-јонските ќелии имаат различни граници на струја за полнење отколку за празнење, и двата режими можат да се справат со повисоки врвни струи, иако за кратки временски периоди.Производителите на ќелии на батерии обично ги одредуваат максималните ограничувања на струјата за континуирано полнење и празнење, заедно со максималните граници на струјата за полнење и празнење.BMS кој обезбедува струјна заштита секако ќе примени максимална континуирана струја.Сепак, на ова може да му претходи ненадејна промена на условите на оптоварување;на пример, нагло забрзување на електрично возило.BMS може да вклучи мониторинг на врвната струја со интегрирање на струјата и по триаголното време, одлучувајќи или да ја намали достапната струја или целосно да ја прекине струјата на пакетот.Ова му овозможува на BMS да поседува речиси моментална чувствителност на екстремни врвови на струја, како што е состојба на краток спој што не го привлече вниманието на ниту еден резидентен осигурувач, но исто така е простлив за високите барања за врв, сè додека тие не се претерани. долго.

Заштита за електрично управување: напон

Слика 2 покажува дека литиум-јонската ќелија мора да работи во одреден опсег на напон.Овие граници на SOA на крајот ќе бидат одредени од внатрешната хемија на избраната литиум-јонска клетка и температурата на клетките во кое било дадено време.Освен тоа, бидејќи секој пакет батерии доживува значителен тековен циклус, празнење поради барањата за оптоварување и полнење од различни извори на енергија, овие ограничувања на напонот на SOA обично се дополнително ограничени за да се оптимизира животниот век на батеријата.BMS мора да знае кои се овие граници и ќе донесува одлуки врз основа на близината до овие прагови.На пример, кога се приближува до границата на висок напон, BMS може да побара постепено намалување на струјата на полнење или може да побара струјата на полнење целосно да се прекине ако се достигне лимитот.Сепак, оваа граница обично е придружена со дополнителни размислувања за внатрешна хистереза ​​на напонот за да се спречи контролниот џагор за прагот на исклучување.Од друга страна, кога се приближува до границата на низок напон, BMS ќе побара клучните активни навредливи оптоварувања да ги намалат нивните тековни барања.Во случај на електрично возило, тоа може да се изврши со намалување на дозволениот вртежен момент достапен за влечниот мотор.Се разбира, BMS мора да ги направи безбедносните размислувања за возачот највисок приоритет додека го штити батерискиот пакет за да спречи трајно оштетување.

Заштита од термички менаџмент: температура

Според номиналната вредност, може да изгледа дека литиум-јонските ќелии имаат широк температурен опсег на работа, но вкупниот капацитет на батеријата се намалува при ниски температури бидејќи стапките на хемиски реакции значително се забавуваат.Во однос на способноста при ниски температури, тие работат многу подобро од батериите со оловна киселина или NiMh;сепак, управувањето со температурата е претпазливо неопходно бидејќи полнењето под 0 °C (32 °F) е физички проблематично.Феноменот на обложување на метален литиум може да се појави на анодата при полнење под замрзнување.Ова е трајно оштетување и не само што резултира со намален капацитет, туку и клетките се поподложни на дефект доколку се подложени на вибрации или други стресни услови.BMS може да ја контролира температурата на батерискиот пакет преку греење и ладење.

Оствареното термичко управување е целосно зависно од големината и цената на батерискиот пакет и целите на изведбата, критериумите за дизајн на BMS и единицата на производот, кои може да вклучуваат разгледување на целниот географски регион (на пр. Алјаска наспроти Хаваи).Без оглед на типот на грејачот, генерално е поефикасно да се црпи енергија од надворешен извор на наизменична струја или алтернативна резидентна батерија наменета да работи со грејачот кога е потребно.Меѓутоа, ако електричниот грејач има скромна струја, енергијата од примарниот батериски пакет може да се исфрли за да се загрее.Ако се имплементира термички хидрауличен систем, тогаш се користи електричен грејач за загревање на течноста за ладење која се пумпа и се дистрибуира низ целото склопување на пакетот.

Дизајнерите на BMS несомнено имаат трикови на нивниот дизајн за да ја испуштат топлинската енергија во пакетот.На пример, може да се вклучи различна електроника за напојување во BMS посветена на управување со капацитетот.Иако не е толку ефикасно како директното греење, може да се искористи без оглед на тоа.Ладењето е особено витално за да се минимизира загубата на перформанси на литиум-јонскиот пакет батерии.На пример, можеби одредена батерија оптимално работи на 20°C;ако температурата на пакувањето се зголеми на 30°C, ефикасноста на неговата изведба може да се намали за дури 20%.Ако пакувањето постојано се полни и се полни на 45°C (113°F), загубата на перформанси може да се искачи на огромни 50%.Траењето на батеријата, исто така, може да страда од предвремено стареење и деградација ако постојано се изложува на прекумерно создавање топлина, особено за време на циклусите на брзо полнење и празнење.Ладењето обично се постигнува со два методи, пасивно или активно, и може да се користат и двете техники.Пасивното ладење се потпира на движењето на протокот на воздух за ладење на батеријата.Во случај на електрично возило, тоа значи дека едноставно се движи по патот.Сепак, можеби е пософистициран отколку што изгледа, бидејќи сензорите за брзина на воздухот би можеле да се интегрираат за стратешко автоматско прилагодување на отклонетите воздушни брани за да се максимизира протокот на воздух.Спроведувањето на активен вентилатор контролиран со температура може да помогне при мали брзини или кога возилото застанало, но сè што може да направи е само да го изедначи пакетот со температурата на околината.Во случај на топол ден, ова може да ја зголеми почетната температура на пакувањето.Термичкото хидраулично активно ладење може да се дизајнира како дополнителен систем и вообичаено користи течност за ладење етилен-гликол со одреден сооднос на смесата, циркулирана преку пумпа со електричен мотор низ цевки/црева, дистрибутивни колектори, разменувач на топлина со вкрстен проток (радијатор) , и плочата за ладење стои на склопот на батерискиот пакет.BMS ги следи температурите низ пакетот и ги отвора и затвора различните вентили за да ја одржи температурата на целокупната батерија во тесен температурен опсег за да обезбеди оптимални перформанси на батеријата.

Управување со капацитети

Максимизирањето на капацитетот на батерискиот пакет е веројатно една од највиталните карактеристики на перформансите на батеријата што ги обезбедува BMS.Ако ова одржување не се изврши, батерискиот пакет на крајот може да стане бескорисен.Коренот на проблемот е што пакетот батерии „оџак“ (серија низа ќелии) не е совршено еднаков и суштински има малку различни стапки на истекување или самопразнење.Истекувањето не е дефект на производителот, туку хемиска карактеристика на батеријата, иако статистички може да биде под влијание на малите варијации на процесот на производство.Првично, пакетот батерии може да има добро усогласени ќелии, но со текот на времето, сличноста меѓу ќелијата дополнително се влошува, не само поради само-празнење, туку и под влијание на циклусот на полнење/празнење, покачена температура и општото стареење на календарот.Имајќи го тоа разбрано, потсетете се на претходната дискусија дека литиум-јонските ќелии функционираат одлично, но може да бидат прилично непростливи ако се користат надвор од тесни SOA.Претходно научивме за потребната електрична заштита бидејќи литиум-јонските ќелии не се справуваат добро со прекумерното полнење.Откако ќе се наполнат целосно, тие не можат да прифатат повеќе струја, а секоја дополнителна енергија што се турка во неа се претвора во топлина, при што напонот потенцијално брзо се зголемува, можеби до опасни нивоа.Тоа не е здрава ситуација за клетката и може да предизвика трајно оштетување и небезбедни работни услови доколку продолжи.

Низата на ќелии од серијата батерии е она што го одредува целокупниот напон на пакетот, а неусогласеноста помеѓу соседните ќелии создава дилема кога се обидувате да наполните кој било куп.Слика 3 покажува зошто е тоа така.Ако некој има совршено избалансиран сет на ќелии, сè е во ред бидејќи секоја ќе се полни на еднаков начин, а струјата на полнење може да се прекине кога ќе се достигне горниот праг на исклучување на напонот од 4,0.Меѓутоа, во неурамнотеженото сценарио, горната ќелија рано ќе го достигне ограничувањето на полнењето, а струјата за полнење треба да се прекине за ногата пред другите основни ќелии да се наполнат со полн капацитет.

BMS е она што влегува и го зачувува денот, или батерискиот пакет во овој случај.За да се покаже како функционира ова, треба да се објасни клучната дефиниција.Состојбата на полнење (SOC) на ќелија или модул во дадено време е пропорционална на достапното полнење во однос на вкупното полнење кога е целосно наполнето.Така, батеријата што има 50% SOC значи дека е наполнета 50%, што е слично на бројката за заслуга на мерачот на гориво.Управувањето со капацитетот на BMS е за балансирање на варијациите на SOC низ секој куп во склопот на пакетот.Бидејќи СПЦ не е директно мерлива количина, таа може да се процени со различни техники, а самата шема за балансирање генерално спаѓа во две главни категории, пасивна и активна.Постојат многу варијации на теми, и секој тип има добрите и лошите страни.Останува на инженерот за дизајн на BMS да одлучи што е оптимално за дадениот батериски пакет и неговата примена.Пасивното балансирање е најлесно за спроведување, како и за објаснување на генералниот концепт на балансирање.Пасивниот метод овозможува секоја ќелија во оџакот да има ист капацитет на полнење како и најслабата ќелија.Користејќи релативно ниска струја, тој исфрла мала количина на енергија од ќелиите со висока SOC за време на циклусот на полнење, така што сите ќелии се полнат до нивниот максимален SOC.Слика 4 илустрира како тоа се постигнува со BMS.Ја следи секоја ќелија и користи транзисторски прекинувач и отпорник за празнење со соодветна големина паралелно со секоја ќелија.Кога BMS ќе почувствува дека дадената ќелија се приближува до ограничувањето на полнењето, ќе ја насочи вишокот струја околу неа до следната ќелија подолу на начин од горе надолу.

Крајните точки на процесот на балансирање, пред и потоа, се прикажани на слика 5. Накратко, BMS го балансира купот батерии со тоа што дозволува ќелијата или модулот во купот да гледа различна струја на полнење од струјата на пакетот на еден од следниве начини:

• Отстранување на полнењето од најполнетите ќелии, што дава простор за дополнителна струја за полнење за да се спречи преполнување и им овозможува на помалку наполнетите ќелии да добијат поголема струја за полнење
• Пренасочување на дел или речиси на целата струја за полнење околу најполнетите ќелии, со што ќе им се овозможи на помалку наполнетите ќелии да примаат струја за полнење подолго време

Видови системи за управување со батерии

Системите за управување со батерии се движат од едноставни до сложени и можат да опфатат широк спектар на различни технологии за да ја постигнат својата главна директива „да се грижат за батеријата“.Сепак, овие системи може да се категоризираат врз основа на нивната топологија, која се однесува на тоа како тие се инсталирани и работат на ќелиите или модулите низ батерискиот пакет.

Централизирана архитектура на BMS

Има еден централен BMS во склопот на батерискиот пакет.Сите батериски пакети се директно поврзани со централниот BMS.Структурата на централизиран BMS е прикажана на слика 6. Централизираниот BMS има некои предности.Тој е покомпактен и има тенденција да биде најекономичен бидејќи има само еден BMS.Сепак, постојат недостатоци на централизираниот BMS.Бидејќи сите батерии се директно поврзани со BMS, на BMS му требаат многу порти за да се поврзе со сите пакети батерии.Ова се преведува на многу жици, кабли, конектори итн. во големи пакувања со батерии, што го комплицира и решавањето проблеми и одржувањето.

Модуларна BMS топологија

Слично на централизирана имплементација, BMS е поделен на неколку дупликати модули, секој со посебен пакет жици и врски со соседниот доделен дел од купот батерии.Видете Слика 7. Во некои случаи, овие BMS подмодули може да бидат под примарен надзор на BMS модул чија функција е да го следи статусот на подмодулите и да комуницира со периферната опрема.Благодарение на дупликатната модуларност, решавањето проблеми и одржувањето е полесно, а проширувањето на поголеми батерии е едноставно.Лошата страна е што вкупните трошоци се малку повисоки и може да има дупликат неискористена функционалност во зависност од апликацијата.

Примарен/Подреден BMS

Концептуално слична на модуларната топологија, сепак, во овој случај, робовите се поограничени само да пренесуваат информации за мерење, а господарот е посветен на пресметување и контрола, како и надворешна комуникација.Така, иако како и модуларните типови, трошоците може да бидат помали бидејќи функционалноста на робовите има тенденција да биде поедноставна, со веројатно помали трошоци и помалку неискористени функции.

Дистрибуирана архитектура на BMS

Значително различно од другите топологии, каде што електронскиот хардвер и софтверот се инкапсулирани во модули кои се поврзуваат со ќелиите преку снопови прикачени жици.Дистрибуираниот BMS го вклучува целиот електронски хардвер на контролната табла поставена директно на ќелијата или модулот што се следи.Ова го ублажува најголемиот дел од каблите до неколку жици на сензори и жици за комуникација помеѓу соседните BMS модули.Следствено, секој BMS е повеќе самостоен и се справува со пресметките и комуникациите по потреба.Сепак, и покрај оваа очигледна едноставност, оваа интегрирана форма навистина го прави решавањето на проблеми и одржувањето потенцијално проблематично, бидејќи се наоѓа длабоко во склопот на штитовиот модул.Трошоците исто така имаат тенденција да бидат повисоки бидејќи има повеќе BMS во целокупната структура на батерискиот пакет.

Важноста на системите за управување со батерии

Функционална безбедност е од најголема важност во BMS.Критично е за време на работата на полнење и празнење, да се спречи напонот, струјата и температурата на која било ќелија или модул под надзорна контрола да ги надминат дефинираните граници на SOA.Ако ограничувањата се надминат подолго време, не само што се загрозува потенцијално скапиот пакет батерии, туку може да настанат и опасни термички услови.Покрај тоа, границите на прагот на пониски напон исто така ригорозно се следат за заштита на литиум-јонските ќелии и функционална безбедност.Ако Li-ion батеријата остане во оваа нисконапонска состојба, бакарните дендрити на крајот би можеле да растат на анодата, што може да резултира со зголемени стапки на само-празнење и да предизвика можни безбедносни проблеми.Високата енергетска густина на системите што се напојуваат со литиум-јони доаѓа по цена што остава малку простор за грешки при управувањето со батеријата.Благодарение на BMS и подобрувањата на литиум-јоните, ова е една од најуспешните и најбезбедните хемикалии на батерии достапни денес.

Перформансите на батерискиот пакет се следната најважна карактеристика на BMS, а тоа вклучува електрично и термичко управување.За електрично оптимизирање на севкупниот капацитет на батеријата, потребно е да се избалансираат сите ќелии во пакетот, што значи дека SOC на соседните ќелии низ склопот се приближно еквивалентни.Ова е исклучително важно затоа што не само што може да се реализира оптималниот капацитет на батеријата, туку помага да се спречи општа деградација и ги намалува потенцијалните жаришта од преполнување на слабите ќелии.Литиум-јонските батерии треба да избегнуваат празнење под границите на низок напон, бидејќи тоа може да резултира со ефекти на меморијата и значително губење на капацитетот.Електрохемиските процеси се многу подложни на температура, а батериите не се исклучок.Кога температурата на околината паѓа, капацитетот и достапната енергија на батеријата значително се намалуваат.Следствено, BMS може да вклучи надворешен внатрешен грејач што се наоѓа на, да речеме, системот за течно ладење на батериски пакет на електрично возило, или вклучување на резидентни грејачи што се инсталирани под модулите на пакетот вграден во хеликоптер или друго авиони.Дополнително, бидејќи полнењето на фригидните литиум-јонски ќелии е штетно за работниот век на батеријата, важно е прво доволно да се подигне температурата на батеријата.Повеќето литиум-јонски ќелии не можат брзо да се полнат кога се помали од 5°C и воопшто не треба да се полнат кога се под 0°C.За оптимални перформанси при типична оперативна употреба, термичкиот менаџмент на BMS често осигурува дека батеријата работи во тесен дел на Goldilocks (на пр. 30 – 35°C).Ова ги заштитува перформансите, промовира подолг животен век и поттикнува здрав и сигурен пакет батерии.

Придобивките од системите за управување со батерии

Целиот систем за складирање на енергија од батерии, честопати познат како BESS, може да се состои од десетици, стотици, па дури и илјадници литиум-јонски ќелии стратешки спакувани заедно, во зависност од апликацијата.Овие системи може да имаат рејтинг на напон помал од 100 V, но може да бидат високи до 800 V, со струи на напојување на пакети кои се движат до 300 А или повеќе.Секое лошо управување со високонапонскиот пакет може да предизвика опасна по живот, катастрофална катастрофа.Следствено, затоа BMS се апсолутно клучни за да се обезбеди безбедно работење.Придобивките од BMS може да се сумираат на следниов начин.

• Функционална безбедност.Надолу, за литиум-јонски батерии со голем формат, ова е особено претпазливо и суштинско.Но, дури и помалите формати што се користат во, да речеме, лаптопите, се знае дека се запалуваат и предизвикуваат огромна штета.Личната безбедност на корисниците на производи кои вклучуваат системи со напојување со литиум-јони остава малку простор за грешки при управувањето со батеријата.
• Животен век и доверливост.Управувањето со заштитата на батерискиот пакет, електрично и термичко, гарантира дека сите ќелии се користат во рамките на декларираните барања на SOA.Овој деликатен надзор осигурува дека ќелиите се згрижени против агресивното користење и брзото полнење и празнење на велосипедот, и неизбежно резултира со стабилен систем кој потенцијално ќе обезбеди долгогодишна сигурна услуга.
• Перформанси и опсег.Управувањето со капацитетот на батерискиот пакет BMS, каде што се користи балансирање од ќелија до ќелија за да се изедначи SOC на соседните ќелии низ склопот на пакетот, овозможува да се реализира оптималниот капацитет на батеријата.Без оваа функција BMS да ги земе предвид варијациите во само-празнењето, циклусот на полнење/празнење, температурните ефекти и општото стареење, пакетот батерии на крајот би можел да стане бескорисен.
• Дијагностика, собирање податоци и надворешна комуникација.Задачите за надзор вклучуваат континуирано следење на сите ќелии на батеријата, каде што евиденцијата на податоците може да се користи само по себе за дијагностика, но често е наменета за задачата за пресметување за да се процени SOC на сите ќелии во склопот.Овие информации се користат за алгоритми за балансирање, но колективно може да се пренесат на надворешни уреди и екрани за да се укаже на расположливата енергија на жителите, да се процени очекуваниот опсег или опсегот/животниот век врз основа на моменталната употреба и да се обезбеди здравствената состојба на батерискиот пакет.
• Намалување на трошоците и гаранцијата.Воведувањето на BMS во BESS ги зголемува трошоците, а батериите се скапи и потенцијално опасни.Колку е покомплициран системот, толку се повисоки барањата за безбедност, што резултира со потреба од поголемо присуство на BMS надзор.Но, заштитата и превентивното одржување на BMS во однос на функционалната безбедност, животниот век и доверливоста, перформансите и опсегот, дијагностиката итн. гарантира дека ќе ги намали вкупните трошоци, вклучувајќи ги и оние поврзани со гаранцијата.

Системи за управување со батерии и Синопсис

Симулацијата е вреден сојузник за дизајнот на BMS, особено кога се применува за истражување и справување со дизајнерските предизвици во рамките на развојот на хардверот, прототиповите и тестирањето.Со точен модел на литиум-јонска ќелија во игра, симулациониот модел на архитектурата BMS е извршна спецификација препознаена како виртуелен прототип.Дополнително, симулацијата овозможува безболно истражување на варијанти на функции за надзор на BMS против различни сценарија за работа со батерии и животна средина.Проблемите со имплементацијата може да се откријат и истражат многу рано, што овозможува да се потврдат подобрувањата во перформансите и функционалната безбедност пред имплементацијата на вистинскиот хардверски прототип.Ова го намалува времето за развој и помага да се осигура дека првиот хардверски прототип ќе биде робустен.Покрај тоа, многу тестови за автентикација, вклучувајќи ги и најлошите сценарија, може да се спроведат на BMS и батерискиот пакет кога се вежбаат во физички реалистични вградени системски апликации.

Synopsys SaberRDнуди обемни библиотеки за електрични, дигитални, контролни и термички хидраулични модели за да ги поттикне инженерите заинтересирани за дизајн и развој на BMS и батериски пакети.Достапни се алатки за брзо генерирање модели од основни спецификации на листи со податоци и криви на мерење за многу електронски уреди и различни типови на хемија на батерии.Статистичките, анализите на стрес и дефекти дозволуваат верификација низ спектарот на оперативниот регион, вклучувајќи ги и граничните области, за да се обезбеди севкупна доверливост на BMS.Понатаму, многу примери за дизајн се нудат за да им овозможат на корисниците да започнат проект и брзо да стигнат до одговорите потребни од симулацијата.