Hva er et batteristyringssystem?

Definisjon

Battery Management System (BMS) er teknologi dedikert til overvåking av en batteripakke, som er en samling av battericeller, elektrisk organisert i en rad x kolonne matrisekonfigurasjon for å muliggjøre levering av målrettet rekkevidde av spenning og strøm i en tidsperiode mot forventede belastningsscenarier.Tilsynet som en BMS gir inkluderer vanligvis:

• Overvåking av batteriet
• Gir batteribeskyttelse
• Estimerer batteriets driftstilstand
• Kontinuerlig optimalisering av batteriytelsen
• Rapportering av driftsstatus til eksterne enheter

Her innebærer begrepet "batteri" hele pakken;Imidlertid er overvåkings- og kontrollfunksjonene spesifikt brukt på individuelle celler, eller grupper av celler kalt moduler i den samlede batteripakken.Litium-ion oppladbare celler har den høyeste energitettheten og er standardvalget for batteripakker for mange forbrukerprodukter, fra bærbare datamaskiner til elektriske kjøretøy.Selv om de yter utmerket, kan de være ganske utilgivende hvis de brukes utenfor et generelt trangt trygt operasjonsområde (SOA), med utfall som spenner fra å kompromittere batteriytelsen til direkte farlige konsekvenser.BMS har absolutt en utfordrende stillingsbeskrivelse, og dens generelle kompleksitet og overvåkingsrekkevidde kan spenne over mange disipliner som elektrisk, digital, kontroll, termisk og hydraulisk.

Hvordan fungerer batteristyringssystemer?

Batteristyringssystemer har ikke et fast eller unikt sett med kriterier som må vedtas.Omfanget av teknologidesign og implementerte funksjoner korrelerer generelt med:

• Kostnadene, kompleksiteten og størrelsen på batteripakken
• Bruk av batteriet og eventuelle bekymringer om sikkerhet, levetid og garanti
• Sertifiseringskrav fra ulike myndighetsbestemmelser der kostnader og straffer er avgjørende dersom utilstrekkelige funksjonelle sikkerhetstiltak er på plass

Det er mange BMS-designfunksjoner, med styring av batteripakkebeskyttelse og kapasitetsstyring er to viktige funksjoner.Vi vil diskutere hvordan disse to funksjonene fungerer her.Beskyttelse av batteripakke har to nøkkelarenaer: elektrisk beskyttelse, som innebærer at batteriet ikke kan skades ved bruk utenfor SOA, og termisk beskyttelse, som involverer passiv og/eller aktiv temperaturkontroll for å opprettholde eller bringe pakken inn i SOA.

Elektrisk styringsbeskyttelse: Strøm

Overvåking av batteripakkestrøm og celle- eller modulspenninger er veien til elektrisk beskyttelse.Den elektriske SOA til enhver battericelle er bundet av strøm og spenning.Figur 1 illustrerer en typisk litiumioncelle SOA, og et godt designet BMS vil beskytte pakken ved å forhindre drift utenfor produsentens celleklassifisering.I mange tilfeller kan ytterligere reduksjon brukes for å oppholde seg innenfor SOA-sikkerhetssonen for å fremme ytterligere batterilevetid.

Litium-ion-celler har andre strømgrenser for lading enn for utlading, og begge modusene kan håndtere høyere toppstrømmer, om enn i korte tidsperioder.Battericelleprodusenter spesifiserer vanligvis maksimale grenser for kontinuerlig lading og utlading, sammen med grenser for topplading og utlading.En BMS som gir strømbeskyttelse vil helt sikkert bruke en maksimal kontinuerlig strøm.Dette kan imidlertid innledes for å ta høyde for en plutselig endring av belastningsforholdene;for eksempel et elektrisk kjøretøys brå akselerasjon.En BMS kan inkludere toppstrømovervåking ved å integrere strømmen og etter delta-tid, og bestemme seg for enten å redusere den tilgjengelige strømmen eller å avbryte pakkestrømmen helt.Dette gjør at BMS kan ha nesten øyeblikkelig følsomhet for ekstreme strømtopper, for eksempel en kortslutningstilstand som ikke har fanget oppmerksomheten til noen faste sikringer, men også være tilgivende overfor høye toppkrav, så lenge de ikke er overdrevne i for lang tid. lang.

Beskyttelse mot elektrisk styring: Spenning

Figur 2 viser at en litiumioncelle må operere innenfor et visst spenningsområde.Disse SOA-grensene vil til slutt bli bestemt av den iboende kjemien til den valgte litiumioncellen og temperaturen til cellene til enhver tid.Siden enhver batteripakke opplever en betydelig mengde strømsyklus, utlading på grunn av belastningskrav og lading fra en rekke energikilder, er disse SOA-spenningsgrensene vanligvis ytterligere begrenset for å optimalisere batteriets levetid.BMS må vite hva disse grensene er og vil ta beslutninger basert på nærheten til disse tersklene.For eksempel, når man nærmer seg høyspenningsgrensen, kan en BMS be om en gradvis reduksjon av ladestrømmen, eller kan be om at ladestrømmen avsluttes helt hvis grensen nås.Imidlertid er denne grensen vanligvis ledsaget av ytterligere betraktninger for egenspenningshysterese for å forhindre kontrollskravling om nedstengningsterskelen.På den annen side, når den nærmer seg lavspenningsgrensen, vil en BMS be om at viktige aktive støtende belastninger reduserer gjeldende krav.Når det gjelder et elektrisk kjøretøy, kan dette utføres ved å redusere det tillatte dreiemomentet som er tilgjengelig for trekkmotoren.Selvfølgelig må BMS gjøre sikkerhetshensyn for sjåføren høyeste prioritet samtidig som batteripakken beskyttes for å forhindre permanent skade.

Termisk styringsbeskyttelse: Temperatur

Ved pålydende kan det se ut til at litiumionceller har et bredt temperaturdriftsområde, men den totale batterikapasiteten reduseres ved lave temperaturer fordi kjemiske reaksjonshastigheter reduseres bemerkelsesverdig.Når det gjelder kapasitet ved lave temperaturer, yter de mye bedre enn bly-syre- eller NiMh-batterier;Imidlertid er temperaturstyring svært viktig siden lading under 0 °C (32 °F) er fysisk problematisk.Fenomenet med plettering av metallisk litium kan oppstå på anoden under ladning under frysepunktet.Dette er permanent skade og resulterer ikke bare i redusert kapasitet, men celler er mer sårbare for svikt hvis de utsettes for vibrasjoner eller andre stressende forhold.En BMS kan kontrollere temperaturen på batteripakken gjennom oppvarming og kjøling.

Realisert termisk styring er helt avhengig av størrelsen og kostnadene til batteripakken og ytelsesmål, designkriteriene til BMS og produktenhet, som kan inkludere vurdering av målrettet geografisk region (f.eks. Alaska versus Hawaii).Uavhengig av varmeapparatet er det generelt mer effektivt å hente energi fra en ekstern vekselstrømkilde, eller et alternativt batteri for å drive varmeren når det er nødvendig.Men hvis den elektriske varmeovnen har et beskjedent strømtrekk, kan energi fra primærbatteripakken suges for å varme seg selv.Hvis et termisk hydraulisk system er implementert, brukes en elektrisk varmeovn til å varme opp kjølevæsken som pumpes og distribueres gjennom hele pakken.

BMS designingeniører har utvilsomt triks i designbransjen for å dryppe varmeenergi inn i flokken.For eksempel kan diverse kraftelektronikk inne i BMS dedikert til kapasitetsstyring slås på.Selv om den ikke er like effektiv som direkte oppvarming, kan den utnyttes uansett.Avkjøling er spesielt viktig for å minimere ytelsestapet til en litiumionbatteripakke.For eksempel, kanskje et gitt batteri fungerer optimalt ved 20°C;hvis pakketemperaturen øker til 30°C, kan ytelseseffektiviteten reduseres med så mye som 20 %.Hvis pakken lades kontinuerlig og lades ved 45 °C (113 °F), kan ytelsestapet stige til heftige 50 %.Batterilevetiden kan også lide av for tidlig aldring og nedbrytning hvis det kontinuerlig utsettes for overdreven varmeutvikling, spesielt under raske ladings- og utladingssykluser.Avkjøling oppnås vanligvis ved to metoder, passiv eller aktiv, og begge teknikkene kan brukes.Passiv kjøling er avhengig av bevegelse av luftstrømmen for å avkjøle batteriet.Når det gjelder et elektrisk kjøretøy, betyr dette at det rett og slett beveger seg nedover veien.Imidlertid kan det være mer sofistikert enn det ser ut til, ettersom lufthastighetssensorer kan integreres for å strategisk automatisk justere avbøyende luftdammer for å maksimere luftstrømmen.Implementering av en aktiv temperaturkontrollert vifte kan hjelpe ved lave hastigheter eller når kjøretøyet har stoppet, men alt dette kan gjøre er bare å utjevne pakken med den omgivende omgivelsestemperaturen.I tilfelle en brennhet dag kan dette øke den innledende pakningstemperaturen.Termisk hydraulisk aktiv kjøling kan utformes som et komplementært system, og bruker typisk etylen-glykol kjølevæske med et spesifisert blandingsforhold, sirkulert via en elektrisk motordrevet pumpe gjennom rør/slanger, distribusjonsmanifolder, en kryssstrømvarmeveksler (radiator) , og kjøleplaten plassert mot batteripakken.En BMS overvåker temperaturene på tvers av pakken, og åpner og lukker ulike ventiler for å holde temperaturen på det totale batteriet innenfor et smalt temperaturområde for å sikre optimal batteriytelse.

Kapasitetsstyring

Å maksimere en batteripakkekapasitet er uten tvil en av de mest vitale funksjonene for batteriytelse som en BMS gir.Hvis dette vedlikeholdet ikke utføres, kan en batteripakke til slutt gjøre seg ubrukelig.Roten til problemet er at en batteripakke "stack" (serier av celler) ikke er helt lik og har i seg selv litt forskjellige lekkasje- eller selvutladingshastigheter.Lekkasje er ikke en produsentfeil, men en batterikjemikarakteristikk, selv om den statistisk kan påvirkes av små variasjoner i produksjonsprosessen.I utgangspunktet kan en batteripakke ha godt tilpassede celler, men over tid forringes celle-til-celle-likheten ytterligere, ikke bare på grunn av selvutlading, men også påvirket av lading/utlading, forhøyet temperatur og generell kalenderaldring.Med det forstått, husk tidligere diskusjonen om at litiumionceller yter utmerket, men kan være ganske utilgivende hvis de opereres utenfor en tett SOA.Vi har tidligere lært om nødvendig elektrisk beskyttelse fordi litiumionceller ikke takler overlading godt.Når de er fulladet, kan de ikke akseptere mer strøm, og all ekstra energi som presses inn i den, blir forvandlet i varme, med spenning som potensielt stiger raskt, muligens til farlige nivåer.Det er ikke en sunn situasjon for cellen og kan forårsake permanent skade og usikre driftsforhold hvis den fortsetter.

Batteripakkeseriens cellearray er det som bestemmer den totale pakkespenningen, og misforhold mellom tilstøtende celler skaper et dilemma når du prøver å lade opp en hvilken som helst stabel.Figur 3 viser hvorfor det er slik.Hvis man har et perfekt balansert sett med celler, er alt i orden siden hver vil lade opp på samme måte, og ladestrømmen kan kuttes når den øvre grenseverdien på 4,0 spenningsavskjæring er nådd.I det ubalanserte scenariet vil imidlertid toppcellen nå ladegrensen tidlig, og ladestrømmen må termineres for benet før andre underliggende celler har blitt ladet til full kapasitet.

BMS er det som trer inn og redder dagen, eller batteripakken i dette tilfellet.For å vise hvordan dette fungerer, må en nøkkeldefinisjon forklares.Ladetilstanden (SOC) til en celle eller modul på et gitt tidspunkt er proporsjonal med tilgjengelig ladning i forhold til den totale ladningen når den er fulladet.Et batteri som ligger på 50 % SOC antyder at det er 50 % ladet, noe som er beslektet med en drivstoffmåler.BMS-kapasitetsstyring handler om å balansere variasjonen av SOC på tvers av hver stabel i pakkesammenstillingen.Siden SOC ikke er en direkte målbar størrelse, kan den estimeres ved hjelp av ulike teknikker, og selve balanseringsordningen faller generelt inn i to hovedkategorier, passiv og aktiv.Det finnes mange varianter av temaer, og hver type har fordeler og ulemper.Det er opp til BMS-designer å bestemme hva som er optimalt for den gitte batteripakken og dens anvendelse.Passiv balansering er den enkleste å implementere, samt å forklare det generelle balansekonseptet.Den passive metoden lar hver celle i stabelen ha samme ladede kapasitet som den svakeste cellen.Ved å bruke en relativt lav strøm, transporterer den en liten mengde energi fra celler med høy SOC under ladesyklusen, slik at alle celler lader til maksimal SOC.Figur 4 illustrerer hvordan dette oppnås av BMS.Den overvåker hver celle og utnytter en transistorbryter og en utladningsmotstand av passende størrelse parallelt med hver celle.Når BMS registrerer at en gitt celle nærmer seg ladegrensen, vil den styre overflødig strøm rundt den til neste celle under på en ovenfra-og-ned-måte.

Balanseprosessens endepunkt, før og etter, er vist i figur 5. Oppsummert balanserer en BMS en batteristabel ved å la en celle eller modul i en stabel se en annen ladestrøm enn pakkestrømmen på en av følgende måter:

• Fjerning av ladning fra de mest ladede cellene, noe som gir rom for ekstra ladestrøm for å forhindre overlading, og lar de mindre ladede cellene motta mer ladestrøm
• Omdirigering av noe eller nesten hele ladestrømmen rundt de mest ladede cellene, slik at de mindre ladede cellene kan motta ladestrøm i lengre tid

Typer batteristyringssystemer

Batteristyringssystemer spenner fra enkle til komplekse og kan omfatte et bredt spekter av forskjellige teknologier for å oppnå hoveddirektivet om å "ta vare på batteriet."Imidlertid kan disse systemene kategoriseres basert på deres topologi, som er relatert til hvordan de er installert og fungerer på cellene eller modulene på tvers av batteripakken.

Sentralisert BMS-arkitektur

Har en sentral BMS i batteripakken.Alle batteripakkene kobles direkte til sentral BMS.Strukturen til en sentralisert BMS er vist i figur 6. Den sentraliserte BMS har noen fordeler.Den er mer kompakt, og den pleier å være den mest økonomiske siden det bare er én BMS.Det er imidlertid ulemper med en sentralisert BMS.Siden alle batteriene er koblet til BMS direkte, trenger BMS mange porter for å koble til alle batteripakkene.Dette betyr mange ledninger, kabler, kontakter osv. i store batteripakker, noe som kompliserer både feilsøking og vedlikehold.

Modulær BMS-topologi

I likhet med en sentralisert implementering er BMS delt inn i flere dupliserte moduler, hver med en dedikert bunt med ledninger og tilkoblinger til en tilgrensende del av en batteristabel.Se figur 7. I noen tilfeller kan disse BMS-undermodulene ligge under en primær BMS-modulovervåking hvis funksjon er å overvåke statusen til undermodulene og kommunisere med perifert utstyr.Takket være den dupliserte modulariteten er feilsøking og vedlikehold enklere, og utvidelse til større batteripakker er enkel.Ulempen er at de totale kostnadene er litt høyere, og det kan være duplisert ubrukt funksjonalitet avhengig av applikasjonen.

Primær/underordnet BMS

Konseptuelt lik den modulære topologien, men i dette tilfellet er slavene mer begrenset til bare å videresende måleinformasjon, og masteren er dedikert til beregning og kontroll, så vel som ekstern kommunikasjon.Så mens som de modulære typene, kan kostnadene være lavere siden funksjonaliteten til slavene har en tendens til å være enklere, med sannsynligvis mindre overhead og færre ubrukte funksjoner.

Distribuert BMS-arkitektur

Betraktelig forskjellig fra de andre topologiene, der den elektroniske maskinvaren og programvaren er innkapslet i moduler som grensesnitt til cellene via bunter med vedlagte ledninger.En distribuert BMS inneholder all elektronisk maskinvare på et kontrollkort plassert direkte på cellen eller modulen som overvåkes.Dette reduserer hoveddelen av kablingen til noen få sensorledninger og kommunikasjonsledninger mellom tilstøtende BMS-moduler.Følgelig er hver BMS mer selvstendig, og håndterer beregninger og kommunikasjon etter behov.Til tross for denne tilsynelatende enkelheten, gjør denne integrerte formen imidlertid feilsøking og vedlikehold potensielt problematisk, siden den ligger dypt inne i en skjermmodulenhet.Kostnadene har også en tendens til å være høyere ettersom det er flere BMS-er i den generelle batteripakkestrukturen.

Viktigheten av batteristyringssystemer

Funksjonell sikkerhet er av største betydning i en BMS.Det er kritisk under lading og utlading for å forhindre at spenningen, strømmen og temperaturen til en celle eller modul under overvåkningskontroll overskrider definerte SOA-grenser.Hvis grensene overskrides over lengre tid, er ikke bare en potensielt kostbar batteripakke kompromittert, men det kan også oppstå farlige termiske løp.Dessuten er lavere spenningsterskelgrenser også strengt overvåket for beskyttelse av litium-ion-cellene og funksjonell sikkerhet.Hvis Li-ion-batteriet forblir i denne lavspenningstilstanden, kan kobberdendritter til slutt vokse på anoden, noe som kan resultere i forhøyede selvutladingshastigheter og øke mulige sikkerhetsproblemer.Den høye energitettheten til litium-ion-drevne systemer kommer til en pris som gir lite rom for batteristyringsfeil.Takket være BMS-er og litium-ion-forbedringer er dette en av de mest vellykkede og sikre batterikjemiene som er tilgjengelige i dag.

Ytelsen til batteripakken er den nest viktigste funksjonen til en BMS, og dette involverer elektrisk og termisk styring.For å optimalisere den totale batterikapasiteten elektrisk, kreves det at alle cellene i pakken er balansert, noe som innebærer at SOC-en til tilstøtende celler gjennom hele sammenstillingen er omtrent likeverdige.Dette er usedvanlig viktig fordi det ikke bare kan oppnås optimal batterikapasitet, men det bidrar til å forhindre generell nedbrytning og reduserer potensielle hotspots fra overlading av svake celler.Litium-ion-batterier bør unngå utlading under lavspenningsgrenser, da dette kan føre til minneeffekter og betydelig kapasitetstap.Elektrokjemiske prosesser er svært utsatt for temperatur, og batterier er intet unntak.Når omgivelsestemperaturen synker, faller kapasiteten og tilgjengelig batterienergi betydelig.Følgelig kan en BMS koble inn en ekstern in-line-varmer som ligger på, for eksempel, væskekjølesystemet til en batteripakke for elektriske kjøretøy, eller slå-på varmeplater som er installert under moduler til en pakke som er integrert i et helikopter eller annet fly.I tillegg, siden lading av kjølige litium-ion-celler er skadelig for batterilevetiden, er det viktig først å heve batteritemperaturen tilstrekkelig.De fleste litiumionceller kan ikke hurtiglades når de er under 5°C og bør ikke lades i det hele tatt når de er under 0°C.For optimal ytelse under typisk operativ bruk, sikrer BMS termisk styring ofte at et batteri opererer innenfor et smalt Goldilocks-område (f.eks. 30 – 35°C).Dette sikrer ytelse, fremmer lengre levetid og fremmer en sunn, pålitelig batteripakke.

Fordelene med batteristyringssystemer

Et helt batterienergilagringssystem, ofte referert til som BESS, kan bestå av titalls, hundrevis eller til og med tusenvis av litiumionceller strategisk pakket sammen, avhengig av bruksområdet.Disse systemene kan ha en spenningsklassifisering på mindre enn 100V, men kan være så høy som 800V, med strømforsyningsstrøm som strekker seg så høyt som 300A eller mer.Enhver feilstyring av en høyspentpakke kan utløse en livstruende, katastrofal katastrofe.Derfor er BMS helt avgjørende for å sikre sikker drift.Fordelene med BMS-er kan oppsummeres som følger.

• Funksjonell sikkerhet.Uten tvil, for litium-ion-batteripakker i storformat er dette spesielt forsiktig og viktig.Men selv mindre formater brukt i for eksempel bærbare datamaskiner har vært kjent for å ta fyr og forårsake enorm skade.Personlig sikkerhet for brukere av produkter som inneholder litium-ion-drevne systemer gir lite rom for batteriadministrasjonsfeil.
• Levetid og pålitelighet.Beskyttelse av batteripakke, elektrisk og termisk, sikrer at alle cellene brukes innenfor deklarerte SOA-kravene.Dette delikate tilsynet sikrer at cellene blir tatt vare på mot aggressiv bruk og rask lading og utlading, og resulterer uunngåelig i et stabilt system som potensielt vil gi mange års pålitelig service.
• Ytelse og rekkevidde.BMS batteripakkekapasitetsstyring, der celle-til-celle-balansering brukes for å utjevne SOC for tilstøtende celler på tvers av pakken, gjør at optimal batterikapasitet kan realiseres.Uten denne BMS-funksjonen for å ta hensyn til variasjoner i selvutlading, lade-/utladingssyklus, temperatureffekter og generell aldring, kan en batteripakke til slutt gjøre seg ubrukelig.
• Diagnostikk, datainnsamling og ekstern kommunikasjon.Tilsynsoppgaver inkluderer kontinuerlig overvåking av alle battericeller, der datalogging kan brukes av seg selv for diagnostikk, men er ofte ment til oppgaven for beregning for å estimere SOC for alle celler i sammenstillingen.Denne informasjonen brukes til å balansere algoritmer, men kan kollektivt videresendes til eksterne enheter og skjermer for å indikere tilgjengelig energi, estimere forventet rekkevidde eller rekkevidde/levetid basert på gjeldende bruk, og gi helsetilstanden til batteripakken.
• Kostnader og garantireduksjon.Innføringen av en BMS i en BESS øker kostnader, og batteripakker er dyre og potensielt farlige.Jo mer komplisert systemet er, desto høyere sikkerhetskrav, noe som resulterer i behovet for mer BMS-tilstedeværelse.Men beskyttelse og forebyggende vedlikehold av en BMS med hensyn til funksjonell sikkerhet, levetid og pålitelighet, ytelse og rekkevidde, diagnostikk osv. garanterer at den vil redusere de totale kostnadene, inkludert de som er knyttet til garantien.

Batteristyringssystemer og synopsys

Simulering er en verdifull alliert for BMS-design, spesielt når den brukes til å utforske og adressere designutfordringer innen maskinvareutvikling, prototyping og testing.Med en nøyaktig litiumioncellemodell i spill, er simuleringsmodellen til BMS-arkitekturen den kjørbare spesifikasjonen som anerkjennes som den virtuelle prototypen.I tillegg tillater simulering smertefri undersøkelse av varianter av BMS-overvåkingsfunksjoner mot forskjellige batteri- og miljøscenarier.Implementeringsproblemer kan oppdages og undersøkes veldig tidlig, noe som gjør at ytelses- og funksjonelle sikkerhetsforbedringer kan verifiseres før implementering på den virkelige maskinvareprototypen.Dette reduserer utviklingstiden og bidrar til å sikre at den første maskinvareprototypen vil være robust.I tillegg kan mange autentiseringstester, inkludert worst case-scenarier, utføres av BMS og batteripakke når de utøves i fysisk realistiske innebygde systemapplikasjoner.

Synopsys SaberRDtilbyr omfattende elektriske, digitale, kontroll- og termiske hydrauliske modellbiblioteker for å styrke ingeniører som er interessert i BMS og batteripakkedesign og utvikling.Verktøy er tilgjengelige for raskt å generere modeller fra grunnleggende databladspesifikasjoner og målekurver for mange elektroniske enheter og forskjellige batterikjemityper.Statistiske analyser, stress- og feilanalyser tillater verifisering på tvers av spekter av driftsregionen, inkludert grenseområder, for å sikre generell BMS-pålitelighet.Videre tilbys mange designeksempler for å gjøre det mulig for brukere å komme i gang med et prosjekt og raskt nå svarene som trengs fra simulering.