Что такое система управления батареями?

Определение

Система управления батареями (BMS) — это технология, предназначенная для контроля за аккумуляторной батареей, которая представляет собой совокупность аккумуляторных элементов, электрически организованных в матричную конфигурацию ряд-столбец, позволяющую обеспечивать заданный диапазон напряжения и тока в течение определенного периода времени. ожидаемые сценарии нагрузки.Надзор, который обеспечивает BMS, обычно включает в себя:

• Мониторинг батареи
• Обеспечение защиты аккумулятора
• Оценка рабочего состояния аккумулятора
• Постоянная оптимизация производительности аккумулятора
• Отчет о рабочем состоянии на внешние устройства

Здесь термин «батарея» подразумевает всю упаковку;однако функции мониторинга и управления конкретно применяются к отдельным элементам или группам элементов, называемым модулями в общем аккумуляторном блоке.Литий-ионные аккумуляторные элементы имеют самую высокую плотность энергии и являются стандартным выбором для аккумуляторов для многих потребительских товаров, от ноутбуков до электромобилей.Хотя они работают превосходно, они могут быть весьма беспощадными, если эксплуатировать их за пределами, как правило, строгой безопасной рабочей зоны (SOA), что может привести к самым разным последствиям: от снижения производительности аккумулятора до откровенно опасных последствий.У BMS, безусловно, сложная должностная инструкция, а ее общая сложность и объем надзора могут охватывать многие дисциплины, такие как электротехника, цифровая техника, управление, тепловая и гидравлика.

Как работают системы управления батареями?

Системы управления батареями не имеют фиксированного или уникального набора критериев, которые необходимо принять.Объем разработки технологии и реализованные функции обычно соотносятся с:

• Стоимость, сложность и размер аккумуляторной батареи.
• Применение аккумулятора и любые вопросы безопасности, срока службы и гарантии.
• Требования сертификации в соответствии с различными правительственными постановлениями, где затраты и штрафы имеют первостепенное значение в случае принятия неадекватных мер функциональной безопасности.

Существует множество конструктивных особенностей BMS, две из которых — управление защитой аккумуляторной батареи и управление емкостью.Здесь мы обсудим, как работают эти две функции.Управление защитой аккумуляторной батареи имеет две ключевые области: электрическую защиту, которая подразумевает недопущение повреждения батареи в результате использования за пределами ее SOA, и тепловую защиту, которая включает в себя пассивный и/или активный контроль температуры для поддержания или перевода аккумулятора в SOA.

Защита электрического управления: ток

Мониторинг тока аккумуляторной батареи и напряжения элементов или модулей — это путь к электрической защите.Электрическая SOA любого аккумуляторного элемента связана током и напряжением.На рис. 1 показан типичный SOA для литий-ионного элемента, а хорошо спроектированная система BMS защитит аккумулятор, предотвращая работу аккумулятора за пределами номинальных значений, указанных производителем.Во многих случаях может быть применено дальнейшее снижение номинальных характеристик для нахождения в безопасной зоне SOA в целях увеличения срока службы батареи.

Литий-ионные элементы имеют разные пределы тока для зарядки и разрядки, и оба режима могут выдерживать более высокие пиковые токи, хотя и в течение коротких периодов времени.Производители аккумуляторных элементов обычно указывают максимальные пределы непрерывного тока зарядки и разрядки, а также ограничения пикового тока зарядки и разрядки.Система BMS, обеспечивающая токовую защиту, безусловно, будет применять максимальный постоянный ток.Однако этому может предшествовать, чтобы учесть внезапное изменение условий нагрузки;например, резкое ускорение электромобиля.BMS может включать мониторинг пикового тока путем интегрирования тока и времени после разницы, принимая решение либо уменьшить доступный ток, либо полностью отключить ток батареи.Это позволяет BMS обладать почти мгновенной чувствительностью к экстремальным пикам тока, таким как состояние короткого замыкания, которое не привлекает внимание каких-либо постоянных предохранителей, а также быть снисходительным к высоким пиковым нагрузкам, если они не являются чрезмерными для слишком длинный.

Защита электрооборудования: напряжение

На рисунке 2 показано, что литий-ионный элемент должен работать в определенном диапазоне напряжений.Эти границы SOA в конечном итоге будут определяться внутренним химическим составом выбранного литий-ионного элемента и температурой элементов в любой момент времени.Более того, поскольку любой аккумуляторный блок подвергается значительному циклическому циклированию тока, разряжаясь из-за нагрузки и заряжаясь от различных источников энергии, эти пределы напряжения SOA обычно дополнительно ограничиваются для оптимизации срока службы аккумулятора.BMS должна знать, каковы эти пределы, и будет принимать решения, основанные на близости к этим пороговым значениям.Например, при приближении к пределу высокого напряжения BMS может запросить постепенное снижение зарядного тока или может запросить полное прекращение зарядного тока, если предел достигнут.Однако этот предел обычно сопровождается дополнительными соображениями по гистерезису собственного напряжения, чтобы предотвратить колебания системы управления относительно порога отключения.С другой стороны, при приближении к нижнему пределу напряжения BMS запросит, чтобы ключевые активные нарушающие нагрузки снизили свои требования к току.В случае электромобиля это можно осуществить за счет снижения допустимого крутящего момента, подаваемого на тяговый двигатель.Конечно, BMS должна уделять первоочередное внимание соображениям безопасности водителя, одновременно защищая аккумуляторную батарею, чтобы предотвратить необратимые повреждения.

Защита от терморегулирования: температура

На первый взгляд может показаться, что литий-ионные элементы имеют широкий диапазон рабочих температур, но общая емкость батареи уменьшается при низких температурах, поскольку скорость химических реакций значительно замедляется.Что касается возможностей при низких температурах, они работают намного лучше, чем свинцово-кислотные или NiMh аккумуляторы;однако контроль температуры крайне важен, поскольку зарядка при температуре ниже 0 °C (32 °F) физически проблематична.Явление осаждения металлического лития может возникнуть на аноде во время зарядки при температуре ниже нуля.Это необратимое повреждение, которое приводит не только к снижению емкости, но и к тому, что элементы более уязвимы к сбою, если они подвергаются вибрации или другим стрессовым условиям.BMS может контролировать температуру аккумуляторной батареи посредством нагрева и охлаждения.

Реализация управления температурным режимом полностью зависит от размера и стоимости аккумуляторной батареи, а также требований к производительности, критериев проектирования BMS и единицы продукции, что может включать рассмотрение целевого географического региона (например, Аляска или Гавайи).Независимо от типа обогревателя, как правило, более эффективно получать энергию от внешнего источника переменного тока или от альтернативной встроенной батареи, предназначенной для работы обогревателя при необходимости.Однако, если электрический нагреватель потребляет умеренный ток, энергия от основного аккумуляторного блока может быть перекачана для нагрева самого себя.Если реализована теплогидравлическая система, то для нагрева теплоносителя используется электронагреватель, который перекачивается и распределяется по пакетному узлу.

У инженеров-конструкторов BMS, несомненно, есть свои хитрости, позволяющие подавать тепловую энергию в аккумулятор.Например, внутри BMS можно включить различную силовую электронику, предназначенную для управления мощностью.Хотя он и не так эффективен, как прямое отопление, его можно использовать в любом случае.Охлаждение особенно важно для минимизации потери производительности литий-ионного аккумуляторного блока.Например, возможно, данная батарея оптимально работает при температуре 20°C;если температура пакета увеличится до 30°C, его эффективность может снизиться на целых 20%.Если аккумулятор постоянно заряжается и перезаряжается при температуре 45°C (113°F), потеря производительности может возрасти до огромных 50%.Срок службы батареи также может снизиться из-за преждевременного старения и деградации, если она постоянно подвергается чрезмерному выделению тепла, особенно во время быстрых циклов зарядки и разрядки.Охлаждение обычно достигается двумя методами: пассивным или активным, и могут использоваться оба метода.Пассивное охлаждение основано на движении воздушного потока для охлаждения аккумулятора.В случае с электромобилем это подразумевает, что он просто движется по дороге.Однако это может быть более сложным, чем кажется, поскольку датчики скорости воздуха могут быть интегрированы для стратегической автоматической регулировки отклоняющих воздушных заслонок для максимизации воздушного потока.Использование активного вентилятора с регулируемой температурой может помочь на низких скоростях или когда автомобиль остановился, но все, что он может сделать, — это просто уравнять температуру пакета с окружающей температурой.В случае очень жаркого дня это может повысить начальную температуру упаковки.Теплогидравлическое активное охлаждение может быть спроектировано как дополнительная система и обычно использует этиленгликолевую охлаждающую жидкость с заданным соотношением смеси, циркулирующую с помощью насоса с приводом от электродвигателя по трубам/шлангам, распределительным коллекторам, перекрестноточному теплообменнику (радиатору). , и охлаждающая пластина, примыкающая к аккумуляторному блоку.BMS контролирует температуру в аккумуляторе и открывает и закрывает различные клапаны, чтобы поддерживать температуру всей батареи в узком температурном диапазоне, чтобы обеспечить оптимальную производительность батареи.

Управление мощностями

Увеличение емкости аккумуляторной батареи, возможно, является одной из наиболее важных характеристик производительности батареи, которую обеспечивает BMS.Если не выполнить данное техническое обслуживание, аккумуляторная батарея может со временем прийти в негодность.Корень проблемы заключается в том, что «стопка» аккумуляторных батарей (последовательный набор элементов) не является совершенно одинаковой и по своей сути имеет несколько разные скорости утечки или саморазряда.Утечка — это не дефект производителя, а химическая характеристика батареи, хотя статистически на нее могут влиять незначительные изменения производственного процесса.Первоначально аккумуляторная батарея может иметь хорошо подобранные элементы, но со временем сходство между ячейками еще больше ухудшается не только из-за саморазряда, но также из-за циклического заряда/разряда, повышенной температуры и общего календарного старения.Поняв это, вспомним ранее обсуждавшуюся дискуссию о том, что литий-ионные элементы работают превосходно, но могут быть довольно неумолимы, если они эксплуатируются вне жестких требований SOA.Ранее мы узнали о необходимой электрической защите, поскольку литий-ионные элементы плохо переносят перезарядку.После полной зарядки они не могут больше принимать ток, и любая дополнительная энергия, подаваемая в них, преобразуется в тепло, при этом напряжение потенциально быстро возрастает, возможно, до опасного уровня.Это небезопасная ситуация для элемента и может привести к необратимому повреждению и небезопасным условиям эксплуатации, если она продолжится.

Массив ячеек аккумуляторной батареи определяет общее напряжение батареи, а несоответствие между соседними элементами создает дилемму при попытке зарядить любой блок.На рисунке 3 показано, почему это так.Если у вас идеально сбалансированный набор элементов, все в порядке, поскольку каждый из них заряжается одинаково, и зарядный ток может быть отключен при достижении верхнего порога отключения напряжения 4,0.Однако в несбалансированном сценарии верхняя ячейка раньше достигнет предела заряда, и зарядный ток для ветви необходимо прекратить до того, как другие нижележащие ячейки будут заряжены до полной емкости.

BMS — это то, что помогает сэкономить время, или в данном случае аккумуляторная батарея.Чтобы показать, как это работает, необходимо объяснить ключевое определение.Состояние заряда (SOC) элемента или модуля в данный момент времени пропорционально доступному заряду относительно общего заряда при полной зарядке.Таким образом, аккумулятор, уровень заряда которого составляет 50 %, подразумевает, что он заряжен на 50 %, что аналогично показателю качества топлива на указателе уровня топлива.Управление емкостью BMS заключается в балансировке вариаций SOC в каждом стеке пакетной сборки.Поскольку SOC не является непосредственно измеримой величиной, его можно оценить различными методами, а сама схема балансировки обычно делится на две основные категории: пассивную и активную.Существует множество вариаций тем, и у каждого типа есть плюсы и минусы.Инженер-конструктор BMS должен решить, какой из аккумуляторов является оптимальным для данного аккумуляторного блока и его применения.Пассивная балансировка проще всего реализовать, а также объяснить общую концепцию балансировки.Пассивный метод позволяет каждой ячейке в стопке иметь ту же заряженную емкость, что и самая слабая ячейка.Используя относительно низкий ток, он передает небольшое количество энергии от ячеек с высоким SOC во время цикла зарядки, так что все ячейки заряжаются до максимального SOC.Рисунок 4 иллюстрирует, как это достигается с помощью BMS.Он контролирует каждую ячейку и параллельно с каждой ячейкой использует транзисторный ключ и разрядный резистор соответствующего размера.Когда BMS обнаруживает, что данная ячейка приближается к пределу заряда, она направляет избыточный ток вокруг нее к следующей ячейке, расположенной ниже, сверху вниз.

Конечные точки процесса балансировки до и после показаны на рисунке 5. Вкратце, BMS балансирует аккумуляторный стек, позволяя элементу или модулю в стеке видеть зарядный ток, отличный от тока аккумулятора, одним из следующих способов:

• Снятие заряда с наиболее заряженных элементов, что дает запас для дополнительного зарядного тока для предотвращения перезарядки и позволяет менее заряженным элементам получать больший ток зарядки.
• Перенаправление части или почти всего зарядного тока вокруг наиболее заряженных элементов, что позволяет менее заряженным элементам получать зарядный ток в течение более длительного периода времени.

Типы систем управления батареями

Системы управления батареями варьируются от простых до сложных и могут включать в себя широкий спектр различных технологий для достижения своей главной цели — «заботиться о батарее».Однако эти системы можно классифицировать на основе их топологии, которая связана с тем, как они установлены и работают с элементами или модулями аккумуляторной батареи.

Централизованная архитектура BMS

Имеет одну центральную BMS в аккумуляторном блоке.Все аккумуляторные блоки напрямую подключены к центральной BMS.Структура централизованной BMS показана на рисунке 6. Централизованная BMS имеет некоторые преимущества.Он более компактен и, как правило, наиболее экономичен, поскольку имеет только одну BMS.Однако у централизованной BMS есть недостатки.Поскольку все батареи подключаются к BMS напрямую, BMS требуется множество портов для подключения всех аккумуляторных блоков.Это приводит к большому количеству проводов, кабелей, разъемов и т. д. в больших аккумуляторных блоках, что усложняет как поиск неисправностей, так и обслуживание.

Модульная топология BMS

Подобно централизованной реализации, BMS разделена на несколько дублированных модулей, каждый из которых имеет выделенный пучок проводов и подключен к соседней назначенной части аккумуляторного блока.См. рисунок 7. В некоторых случаях эти субмодули BMS могут находиться под контролем основного модуля BMS, функция которого заключается в контроле состояния субмодулей и связи с периферийным оборудованием.Благодаря дублированной модульности поиск и устранение неисправностей и техническое обслуживание становятся проще, а расширение аккумуляторных блоков большего размера упрощается.Обратной стороной является то, что общие затраты немного выше, и в зависимости от приложения могут дублироваться неиспользуемые функции.

Первичная/подчиненная BMS

Концептуально это похоже на модульную топологию, однако в этом случае ведомые устройства более ограничены простой передачей измерительной информации, а ведущее устройство предназначено для вычислений и управления, а также внешней связи.Таким образом, как и в случае с модульными типами, затраты могут быть ниже, поскольку функциональность ведомых устройств обычно проще, с меньшими накладными расходами и меньшим количеством неиспользуемых функций.

Распределенная архитектура BMS

Значительно отличается от других топологий, в которых электронное оборудование и программное обеспечение инкапсулированы в модули, которые взаимодействуют с ячейками через пучки подключенных проводов.Распределенная BMS включает в себя все электронное оборудование на плате управления, расположенной непосредственно на контролируемой ячейке или модуле.Это позволяет сократить объем прокладки кабелей до нескольких проводов датчиков и проводов связи между соседними модулями BMS.Следовательно, каждая BMS более автономна и выполняет вычисления и связь по мере необходимости.Однако, несмотря на кажущуюся простоту, такая интегрированная форма делает потенциально проблематичным поиск и устранение неисправностей и обслуживание, поскольку она находится глубоко внутри сборки защитного модуля.Затраты также имеют тенденцию быть выше, поскольку в общей структуре аккумуляторного блока больше BMS.

Важность систем управления батареями

Функциональная безопасность имеет первостепенное значение в BMS.Во время операций зарядки и разрядки крайне важно не допускать превышения напряжения, тока и температуры любого элемента или модуля, находящихся под диспетчерским контролем, определенных пределов SOA.Если пределы превышаются в течение длительного времени, это может привести не только к повреждению потенциально дорогого аккумуляторного блока, но и к опасному перегреву.Более того, нижние пороговые значения напряжения также строго контролируются для защиты литий-ионных элементов и функциональной безопасности.Если литий-ионная батарея остается в этом состоянии с низким напряжением, медные дендриты могут в конечном итоге вырасти на аноде, что может привести к увеличению скорости саморазряда и вызвать возможные проблемы с безопасностью.Высокая плотность энергии систем с литий-ионным питанием достигается за счет цены, которая не оставляет места для ошибок управления батареями.Благодаря BMS и усовершенствованиям литий-ионных аккумуляторов, это один из самых успешных и безопасных химических аккумуляторов, доступных сегодня.

Производительность аккумуляторной батареи является следующей по важности характеристикой BMS, и она включает в себя электрическое и температурное управление.Чтобы электрически оптимизировать общую емкость батареи, все элементы в блоке должны быть сбалансированы, что означает, что SOC соседних элементов по всей сборке примерно эквивалентен.Это исключительно важно, поскольку не только можно достичь оптимальной емкости аккумулятора, но и помогает предотвратить общую деградацию и уменьшить потенциальные точки перезарядки слабых элементов.Литий-ионные аккумуляторы следует избегать разрядки ниже пределов низкого напряжения, поскольку это может привести к эффекту памяти и значительной потере емкости.Электрохимические процессы очень чувствительны к температуре, и аккумуляторы не являются исключением.Когда температура окружающей среды падает, емкость и доступная энергия аккумулятора значительно снижаются.Следовательно, BMS может задействовать внешний линейный нагреватель, который находится, скажем, в системе жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи электромобиля, или включать пластины постоянного нагревателя, которые установлены под модулями блока, встроенного в вертолет или другое устройство. самолет.Кроме того, поскольку зарядка холодных литий-ионных элементов отрицательно влияет на срок службы батареи, важно сначала достаточно повысить температуру батареи.Большинство литий-ионных элементов не могут быть быстро заряжены при температуре ниже 5°C и вообще не должны заряжаться при температуре ниже 0°C.Для оптимальной производительности при обычном использовании система управления температурой BMS часто обеспечивает работу батареи в узком рабочем диапазоне Златовласки (например, 30–35°C).Это гарантирует производительность, продлевает срок службы и способствует созданию здорового и надежного аккумуляторного блока.

Преимущества систем управления батареями

Вся аккумуляторная система хранения энергии, часто называемая BESS, может состоять из десятков, сотен или даже тысяч литий-ионных элементов, стратегически упакованных вместе, в зависимости от применения.Эти системы могут иметь номинальное напряжение менее 100 В, но может достигать 800 В, а ток питания аккумуляторной батареи может достигать 300 А и более.Любое неправильное обращение с высоковольтной установкой может спровоцировать опасную для жизни катастрофическую катастрофу.Следовательно, системы BMS абсолютно необходимы для обеспечения безопасной эксплуатации.Преимущества BMS можно резюмировать следующим образом.

• Функциональная безопасность.Несомненно, для литий-ионных аккумуляторов большого формата это особенно разумно и важно.Но известно, что даже меньшие форматы, используемые, скажем, в ноутбуках, загораются и наносят огромный ущерб.Личная безопасность пользователей продуктов, в которых используются системы с литий-ионным питанием, не оставляет места для ошибок при управлении батареями.
• Срок службы и надежность.Управление защитой аккумуляторной батареи, электрической и тепловой, гарантирует, что все элементы используются в соответствии с заявленными требованиями SOA.Этот деликатный надзор гарантирует, что элементы будут защищены от агрессивного использования и быстрой циклической зарядки и разрядки, что неизбежно приводит к созданию стабильной системы, которая потенциально обеспечит долгие годы надежной службы.
• Производительность и дальность действия.Управление емкостью аккумуляторной батареи BMS, при котором балансировка ячеек используется для выравнивания SOC соседних ячеек по всему блоку, позволяет реализовать оптимальную емкость батареи.Без этой функции BMS, учитывающей изменения в саморазряде, циклах зарядки/разрядки, температурных эффектах и ​​общем старении, аккумуляторная батарея в конечном итоге может стать бесполезной.
• Диагностика, сбор данных и внешняя связь.Задачи надзора включают непрерывный мониторинг всех элементов батареи, при этом регистрация данных может использоваться сама по себе для диагностики, но часто предназначена для выполнения задачи расчета для оценки SOC всех ячеек в сборке.Эта информация используется для алгоритмов балансировки, но в совокупности может быть передана на внешние устройства и дисплеи, чтобы указать доступную резидентную энергию, оценить ожидаемый диапазон или диапазон/срок службы на основе текущего использования, а также предоставить информацию о состоянии аккумуляторной батареи.
• Снижение стоимости и гарантии.Внедрение BMS в BESS увеличивает затраты, а аккумуляторные блоки дороги и потенциально опасны.Чем сложнее система, тем выше требования к безопасности, что приводит к необходимости большего присутствия надзорного органа BMS.Но защита и профилактическое обслуживание BMS в отношении функциональной безопасности, срока службы и надежности, производительности и дальности действия, диагностики и т. д. гарантирует снижение общих затрат, в том числе связанных с гарантией.

Системы управления батареями и краткий обзор

Моделирование является ценным союзником при проектировании BMS, особенно когда оно применяется для изучения и решения проблем проектирования при разработке оборудования, прототипировании и тестировании.При использовании точной модели литий-ионного элемента имитационная модель архитектуры BMS представляет собой исполняемую спецификацию, признанную виртуальным прототипом.Кроме того, моделирование позволяет безболезненно исследовать варианты функций контроля BMS в зависимости от различных сценариев эксплуатации батареи и окружающей среды.Проблемы реализации могут быть обнаружены и исследованы на очень ранней стадии, что позволяет проверить улучшения производительности и функциональной безопасности до внедрения на реальном прототипе оборудования.Это сокращает время разработки и помогает гарантировать надежность первого прототипа оборудования.Кроме того, многие тесты аутентификации, включая сценарии наихудшего случая, могут быть проведены для BMS и аккумуляторного блока при использовании физически реалистичных встроенных системных приложений.

Синопсис СаберРДпредлагает обширные библиотеки электрических, цифровых, управляющих и термогидравлических моделей, которые расширяют возможности инженеров, заинтересованных в проектировании и разработке BMS и аккумуляторных блоков.Доступны инструменты для быстрого создания моделей на основе базовых спецификаций и кривых измерений для многих электронных устройств и различных типов аккумуляторов.Статистический анализ, анализ напряжений и неисправностей позволяют выполнять проверку во всем спектре рабочей области, включая граничные области, для обеспечения общей надежности BMS.Кроме того, предлагается множество примеров проектирования, позволяющих пользователям приступить к реализации проекта и быстро получить ответы, необходимые в результате моделирования.