Що таке система керування акумулятором?

Визначення

Система керування батареєю (BMS) — це технологія, призначена для нагляду за акумуляторною батареєю, яка являє собою збірку елементів батареї, електрично організованих у матричну конфігурацію рядок х стовпець, щоб забезпечити доставку цільового діапазону напруги та струму протягом певного часу проти очікувані сценарії навантаження.Нагляд, який забезпечує BMS, зазвичай включає:

• Моніторинг акумулятора
• Забезпечення захисту акумулятора
• Оцінка працездатності батареї
• Постійна оптимізація роботи акумулятора
• Звіт про робочий стан на зовнішні пристрої

Тут термін «акумулятор» означає весь пакет;однак функції моніторингу та керування застосовуються спеціально до окремих комірок або груп комірок, які називаються модулями, у загальній збірці акумуляторної батареї.Літій-іонні акумуляторні елементи мають найвищу щільність енергії і є стандартним вибором для батарей для багатьох споживчих товарів, від ноутбуків до електромобілів.Незважаючи на те, що вони чудово працюють, вони можуть бути досить невблаганними, якщо експлуатуватись за межами загалом обмеженої безпечної робочої зони (SOA), з наслідками, починаючи від зниження продуктивності батареї до відверто небезпечних наслідків.BMS, безсумнівно, має складну посадову інструкцію, і її загальна складність і охоплення нагляду можуть охоплювати багато дисциплін, таких як електрика, цифрове обладнання, управління, термічне та гідравлічне обладнання.

Як працюють системи керування акумулятором?

Системи керування батареями не мають фіксованого чи унікального набору критеріїв, які необхідно прийняти.Обсяг технологічного дизайну та реалізовані функції загалом корелюють із:

• Вартість, складність і розмір акумуляторної батареї
• Застосування батареї та будь-які питання безпеки, терміну служби та гарантії
• Вимоги до сертифікації з різних державних постанов, де витрати та штрафи є першочерговими, якщо вжито невідповідних заходів функціональної безпеки

Існує багато конструктивних особливостей BMS, причому керування захистом акумуляторної батареї та керування ємністю є двома основними функціями.Тут ми обговоримо, як працюють ці дві функції.Управління захистом акумуляторної батареї має дві ключові сфери: електричний захист, який передбачає недопущення пошкодження батареї через використання поза його SOA, і тепловий захист, який передбачає пасивне та/або активне керування температурою для підтримки або переведення акумулятора в його SOA.

Захист електричного управління: струм

Моніторинг струму акумуляторної батареї та напруги елементів або модулів — шлях до електричного захисту.Електрична SOA будь-якої батареї пов’язана струмом і напругою.На малюнку 1 зображено типову літій-іонну комірку SOA, а добре спроектована BMS захищатиме батарею, запобігаючи роботі поза номінальними характеристиками комірки виробника.У багатьох випадках може бути застосовано подальше зниження номінальних характеристик для перебування в безпечній зоні SOA в інтересах сприяння подовженню терміну служби батареї.

Літій-іонні елементи мають різні обмеження струму для заряджання та для розряджання, і обидва режими можуть працювати з вищими піковими струмами, хоча й протягом коротких періодів часу.Виробники акумуляторних елементів зазвичай вказують максимальні обмеження безперервного струму заряджання та розряджання, а також обмеження пікового струму заряджання та розряджання.BMS, що забезпечує струмовий захист, безумовно, застосовуватиме максимальний безперервний струм.Однак цьому може передувати раптова зміна умов навантаження;наприклад, різке прискорення електромобіля.BMS може включати моніторинг пікового струму шляхом інтегрування струму та часу після дельти, вирішуючи або зменшити доступний струм, або повністю перервати струм пакета.Це дозволяє системі BMS мати майже миттєву чутливість до екстремальних піків струму, таких як стан короткого замикання, який не привернув увагу жодних резидентних запобіжників, але також бути чутливим до високих пікових навантажень, якщо вони не є надмірними. довгота.

Захист електричного керування: напруга

На рисунку 2 показано, що літій-іонний елемент повинен працювати в певному діапазоні напруг.Ці межі SOA зрештою визначатимуться власною хімією вибраного літій-іонного елемента та температурою елементів у будь-який момент часу.Крім того, оскільки будь-яка батарея відчуває значну кількість змін струму, розряджання через вимоги до навантаження та заряджання від різноманітних джерел енергії, ці обмеження напруги SOA зазвичай додатково обмежуються для оптимізації терміну служби батареї.BMS має знати, які ці обмеження, і прийматиме рішення на основі близькості до цих порогів.Наприклад, при наближенні до межі високої напруги BMS може вимагати поступового зменшення зарядного струму або може вимагати повного припинення зарядного струму, якщо межа досягнута.Однак це обмеження зазвичай супроводжується додатковими міркуваннями щодо гістерезису внутрішньої напруги, щоб запобігти балаканню керування щодо порогу відключення.З іншого боку, при наближенні до межі низької напруги BMS вимагатиме, щоб основні активні навантаження-порушники зменшили свої поточні вимоги.У випадку електромобіля це може бути здійснено шляхом зменшення дозволеного крутного моменту, доступного для тягового двигуна.Звичайно, BMS має поставити питання безпеки для водія на найвищий пріоритет, одночасно захищаючи акумуляторну батарею, щоб запобігти незворотному пошкодженню.

Захист від теплового керування: температура

На перший погляд може здатися, що літій-іонні елементи мають широкий робочий діапазон температур, але загальна ємність батареї зменшується при низьких температурах, оскільки швидкість хімічної реакції значно сповільнюється.Що стосується можливостей за низьких температур, вони справді працюють набагато краще, ніж свинцево-кислотні або NiMh батареї;однак контролювати температуру необхідно розумно, оскільки заряджати при температурі нижче 0 °C (32 °F) фізично проблематично.Явище нанесення металевого літію може статися на аноді під час заряджання при температурі замерзання.Це постійне пошкодження, яке не тільки призводить до зменшення ємності, але клітини стають більш вразливими до виходу з ладу, якщо вони піддаються вібрації або іншим стресовим умовам.BMS може контролювати температуру акумуляторної батареї шляхом нагрівання та охолодження.

Реалізоване управління температурою повністю залежить від розміру та вартості акумуляторної батареї та показників ефективності, критеріїв проектування BMS та одиниці продукту, що може включати розгляд цільового географічного регіону (наприклад, Аляска проти Гаваїв).Незалежно від типу обігрівача, як правило, ефективніше отримувати енергію від зовнішнього джерела змінного струму або альтернативної батареї, призначеної для роботи обігрівача, коли це необхідно.Однак, якщо електричний нагрівач має помірне споживання струму, енергію з основної батареї можна перекачувати для нагрівання.Якщо реалізована теплогідравлічна система, то для нагріву теплоносія використовується електричний нагрівач, який перекачується та розподіляється по агрегату.

Інженери-конструктори BMS, безсумнівно, володіють хитрощами, щоб передавати теплову енергію в пакет.Наприклад, можна ввімкнути різноманітну силову електроніку всередині BMS, призначену для керування потужністю.Хоча він не такий ефективний, як пряме нагрівання, його можна використовувати незалежно від цього.Охолодження особливо важливо для мінімізації втрати продуктивності літій-іонної батареї.Наприклад, можливо, дана батарея оптимально працює при 20°C;якщо температура упаковки підвищиться до 30°C, її продуктивність може знизитися на 20%.Якщо акумулятор безперервно заряджати та перезаряджати при 45°C (113°F), втрата продуктивності може зрости до значних 50%.Термін служби батареї також може постраждати від передчасного старіння та деградації, якщо вона постійно піддається надмірному виділенню тепла, особливо під час циклів швидкого заряджання та розряджання.Охолодження зазвичай досягається двома методами, пасивним або активним, і обидва методи можуть бути використані.Пасивне охолодження залежить від руху потоку повітря для охолодження батареї.У випадку електромобіля це означає, що він просто рухається по дорозі.Однак це може бути більш складним, ніж здається, оскільки датчики швидкості повітря можуть бути інтегровані для стратегічного автоматичного регулювання відхиляючих повітряних гребінок для максимізації потоку повітря.Впровадження активного вентилятора з регульованою температурою може допомогти на низьких швидкостях або коли автомобіль зупинився, але все, що може зробити, це просто вирівняти температуру пакета з навколишньою температурою.У разі спекотного дня це може підвищити початкову температуру упаковки.Термогідравлічне активне охолодження може бути розроблено як додаткова система, яка зазвичай використовує етиленгліколевий охолоджувач із заданим співвідношенням суміші, що циркулює через насос з електродвигуном через труби/шланги, розподільні колектори, перехресний теплообмінник (радіатор) , а охолоджуюча пластина розташована навпроти блоку акумуляторів.Система BMS відстежує температуру по всьому блоку, відкриває та закриває різні клапани, щоб підтримувати температуру всієї батареї у вузькому температурному діапазоні для забезпечення оптимальної продуктивності батареї.

Управління потужністю

Максимізація ємності акумуляторної батареї є, мабуть, однією з найважливіших характеристик продуктивності батареї, яку забезпечує BMS.Якщо це технічне обслуговування не виконувати, акумуляторна батарея може стати непридатною.Корінь проблеми полягає в тому, що «стек» акумуляторної батареї (послідовний масив елементів) не є ідеально однаковим і за своєю суттю має дещо різну швидкість витоку або саморозряду.Витік — це не дефект виробника, а характеристика хімічного складу батареї, хоча статистично на неї можуть вплинути дрібні варіації виробничого процесу.Спочатку акумуляторна батарея може мати добре підібрані елементи, але з часом подібність між елементами ще більше погіршується не лише через саморозряд, але також через циклічну зарядку/розрядку, високу температуру та загальне старіння календаря.Зрозумівши це, нагадайте раніше дискусію про те, що літій-іонні елементи працюють чудово, але можуть бути досить невблаганними, якщо працювати поза межами жорсткої SOA.Раніше ми дізналися про необхідний електричний захист, оскільки літій-іонні елементи погано справляються з надмірним заряджанням.Після повного заряду вони не можуть приймати більше струму, і будь-яка додаткова енергія, що потрапляє в них, перетворюється на тепло, при цьому напруга може швидко зростати, можливо, до небезпечного рівня.Це нездорова ситуація для клітини і може призвести до постійного пошкодження та небезпечних умов роботи, якщо це триватиме.

Загальна напруга акумуляторної батареї визначає загальну напругу акумуляторної батареї, а невідповідність між сусідніми елементами створює дилему під час спроби зарядити будь-який стек.Малюнок 3 показує, чому це так.Якщо у вас є ідеально збалансований набір елементів, усе добре, оскільки кожен заряджатиметься однаково, і зарядний струм може бути відключений, коли досягнуто верхнього порогу відключення напруги 4,0.Однак у незбалансованому сценарії верхня клітина рано досягне ліміту заряду, і зарядний струм необхідно припинити для ніжки до того, як інші нижчі клітини будуть заряджені до повної потужності.

BMS – це те, що втручається та рятує день, або акумулятор у цьому випадку.Щоб показати, як це працює, потрібно пояснити ключове визначення.Ступінь заряду (SOC) елемента або модуля в певний час пропорційний доступному заряду відносно загального заряду, коли він повністю заряджений.Таким чином, батарея, яка знаходиться на 50% SOC, означає, що вона заряджена на 50%, що схоже на показник якості палива.Управління потужністю BMS полягає в тому, щоб збалансувати варіацію SOC для кожного стека в комплекті.Оскільки SOC не є величиною, що піддається безпосередньому вимірюванню, його можна оцінити за допомогою різних методів, а сама схема балансування зазвичай поділяється на дві основні категорії: пасивну та активну.Існує багато варіацій тем, і кожен тип має плюси та мінуси.Інженер-конструктор BMS вирішує, що є оптимальним для даного акумулятора та його застосування.Пасивне балансування найлегше реалізувати, а також пояснити загальну концепцію балансування.Пасивний метод дозволяє кожній комірці в стеку мати таку саму заряджену ємність, як і найслабша комірка.Використовуючи відносно низький струм, він переносить невелику кількість енергії від елементів з високим SOC під час циклу заряджання, щоб усі елементи заряджалися до максимального SOC.На рисунку 4 показано, як це досягається BMS.Він контролює кожну комірку та використовує транзисторний перемикач і розрядний резистор відповідного розміру паралельно кожній комірці.Коли BMS виявляє, що дана комірка наближається до межі заряду, вона спрямовує надлишковий струм навколо неї до наступної комірки внизу.

Кінцеві точки процесу балансування, до і після, показані на малюнку 5. Підсумовуючи, BMS балансує стек акумуляторів, дозволяючи елементу або модулю в стеку бачити зарядний струм, відмінний від струму блоку, одним із таких способів:

• Зняття заряду з найбільш заряджених елементів, що дає запас для додаткового зарядного струму, щоб запобігти перезаряду, і дозволяє менш зарядженим елементам отримувати більший зарядний струм
• Перенаправлення частини або майже всього зарядного струму навколо найбільш заряджених елементів, що дозволяє менш зарядженим елементам отримувати зарядний струм протягом більш тривалого часу.

Типи систем керування акумуляторами

Системи керування батареями варіюються від простих до складних і можуть охоплювати широкий спектр різних технологій для досягнення своєї головної директиви «піклуватися про батарею».Однак ці системи можна класифікувати на основі їхньої топології, яка пов’язана з тим, як вони встановлюються та працюють на елементах або модулях акумуляторної батареї.

Централізована архітектура BMS

Має один центральний BMS в комплекті акумуляторної батареї.Усі акумуляторні блоки підключаються безпосередньо до центральної BMS.Структура централізованої BMS показана на малюнку 6. Централізована BMS має деякі переваги.Він більш компактний і, як правило, найекономічніший, оскільки є лише одна BMS.Однак є недоліки централізованої BMS.Оскільки всі батареї підключаються до BMS напряму, BMS потребує багато портів для з’єднання з усіма акумуляторними блоками.Це призводить до великої кількості проводів, кабелів, роз’ємів тощо у великих акумуляторних блоках, що ускладнює як пошук несправностей, так і обслуговування.

Модульна топологія BMS

Подібно до централізованої реалізації, BMS розділено на кілька дубльованих модулів, кожен із яких має окремий пучок проводів і підключення до суміжної призначеної частини акумуляторної батареї.Див. малюнок 7. У деяких випадках ці підмодулі BMS можуть перебувати під наглядом основного модуля BMS, функцією якого є моніторинг стану підмодулів і зв’язок із периферійним обладнанням.Завдяки повторюваній модульності усунення несправностей і технічне обслуговування стає простішим, а розширення до більших акумуляторних блоків є простим.Недоліком є ​​те, що загальні витрати трохи вищі, і залежно від програми можуть бути дубльовані невикористовувані функції.

Основний/підпорядкований BMS

Концептуально схоже на модульну топологію, однак у цьому випадку підлеглі пристрої більше обмежені лише пересиланням вимірювальної інформації, а головний пристрій займається обчисленням і керуванням, а також зовнішнім зв’язком.Таким чином, подібно до модульних типів, витрати можуть бути нижчими, оскільки функціональність підлеглих пристроїв, як правило, простіша, з ймовірними меншими витратами та меншою кількістю невикористовуваних функцій.

Розподілена архітектура BMS

Значно відрізняється від інших топологій, де електронне апаратне та програмне забезпечення інкапсульовано в модулі, які взаємодіють із осередками за допомогою пучків приєднаної проводки.Розподілена BMS включає в себе все електронне обладнання на платі керування, розміщеній безпосередньо на комірці або модулі, який контролюється.Це зменшує основну частину кабелю до кількох проводів датчиків і проводів зв’язку між сусідніми модулями BMS.Отже, кожна BMS є більш автономною та обробляє обчислення та комунікації за потреби.Однак, незважаючи на таку очевидну простоту, ця інтегрована форма робить пошук несправностей і технічне обслуговування потенційно проблематичним, оскільки вона знаходиться глибоко всередині вузла захисного модуля.Витрати також, як правило, вищі, оскільки в загальній структурі акумуляторної батареї є більше BMS.

Важливість систем керування акумуляторами

Функціональна безпека є найважливішою в BMS.Важливо під час заряджання та розряджання запобігти перевищенню напругою, струмом і температурою будь-якої комірки або модуля під наглядовим контролем, визначених меж SOA.Якщо обмеження перевищено протягом тривалого часу, потенційно дорога батарея не тільки буде пошкоджена, але й може виникнути небезпечна температура.Крім того, для захисту літій-іонних елементів і функціональної безпеки також суворо контролюються нижні порогові межі напруги.Якщо літій-іонна батарея залишається в такому стані низької напруги, дендрити міді можуть з часом вирости на аноді, що може призвести до підвищеної швидкості саморозряду та викликати можливі проблеми з безпекою.Висока щільність енергії систем з літій-іонним живленням коштує так, що залишає мало місця для помилок в управлінні акумулятором.Завдяки BMS та літій-іонним удосконаленням це одна з найуспішніших та найбезпечніших хімічних батарей, доступних сьогодні.

Ефективність акумуляторної батареї є наступною важливою характеристикою BMS, і це включає електричне та теплове керування.Щоб електрично оптимізувати загальну ємність батареї, усі елементи в пакеті повинні бути збалансовані, що означає, що SOC суміжних елементів у всій збірці приблизно еквівалентний.Це надзвичайно важливо, оскільки можна не тільки досягти оптимальної ємності батареї, але й запобігти загальній деградації та зменшити потенційні гарячі точки від надмірного заряджання слабких елементів.Літій-іонні батареї слід уникати розряду нижче низьких меж напруги, оскільки це може призвести до ефекту пам’яті та значної втрати ємності.Електрохімічні процеси дуже чутливі до температури, і батареї не є винятком.Коли температура навколишнього середовища падає, ємність і доступний заряд акумулятора значно зменшуються.Отже, BMS може задіяти зовнішній вбудований нагрівач, який знаходиться, скажімо, в рідинній системі охолодження акумуляторної батареї електромобіля, або вмикати постійні нагрівальні пластини, які встановлено під модулями блоку, вбудованого в вертоліт чи інший пристрій. літак.Крім того, оскільки заряджання холодних літій-іонних елементів негативно впливає на час роботи батареї, важливо спочатку значно підвищити температуру батареї.Більшість літій-іонних елементів не можна швидко заряджати при температурі нижче 5°C і не слід заряджати взагалі при температурі нижче 0°C.Для оптимальної продуктивності під час типового операційного використання система керування температурою BMS часто гарантує, що батарея працює у вузькій робочій зоні Goldilocks (наприклад, 30–35°C).Це гарантує продуктивність, подовжує термін служби та підтримує здорову та надійну батарею.

Переваги систем керування акумулятором

Ціла система накопичення енергії акумулятора, яку часто називають BESS, може складатися з десятків, сотень або навіть тисяч літій-іонних елементів, стратегічно упакованих разом, залежно від застосування.Номінальна напруга цих систем може бути менше 100 В, але може досягати 800 В, а струм живлення пакета досягає 300 А або більше.Будь-яке неправильне використання блоку високої напруги може спровокувати катастрофічну катастрофу, яка загрожує життю.Отже, BMS є надзвичайно важливими для забезпечення безпечної роботи.Переваги BMS можна підсумувати таким чином.

• Функціональна безпека.Зрозуміло, що для великоформатних літій-іонних акумуляторів це особливо розумно та важливо.Але навіть менші формати, які використовуються, скажімо, у ноутбуках, як відомо, загоряються та завдають величезної шкоди.Особиста безпека користувачів продуктів, які містять літій-іонні системи живлення, залишає мало місця для помилок у управлінні акумулятором.
• Термін служби та надійність.Управління захистом акумуляторної батареї, електричним і тепловим, гарантує, що всі елементи використовуються відповідно до заявлених вимог SOA.Цей делікатний нагляд гарантує, що клітини захищені від агресивного використання та швидкого циклічного заряджання та розряджання, що неминуче призводить до стабільної системи, яка потенційно забезпечить надійну роботу протягом багатьох років.
• Продуктивність і діапазон.Управління ємністю акумуляторної батареї BMS, де використовується балансування між осередками для вирівнювання SOC суміжних осередків у комплекті, дозволяє реалізувати оптимальну ємність батареї.Без цієї функції BMS для врахування варіацій саморозряду, циклів заряджання/розряджання, впливу температури та загального старіння акумуляторна батарея зрештою може стати марною.
• Діагностика, збір даних і зовнішній зв'язок.Завдання нагляду включають постійний моніторинг усіх елементів батареї, де реєстрація даних може використовуватися сама по собі для діагностики, але часто призначена для завдання для обчислення для оцінки SOC усіх елементів у зборі.Ця інформація використовується для алгоритмів балансування, але в сукупності може передаватись на зовнішні пристрої та дисплеї для вказівки доступної резидентної енергії, оцінки очікуваного діапазону або діапазону/терміну служби на основі поточного використання та визначення стану працездатності акумуляторної батареї.
• Зниження вартості та гарантії.Впровадження BMS у BESS збільшує витрати, а акумуляторні блоки є дорогими та потенційно небезпечними.Чим складніша система, тим вищі вимоги до безпеки, що призводить до необхідності більшої присутності нагляду BMS.Але захист і профілактичне технічне обслуговування BMS щодо функціональної безпеки, терміну служби та надійності, продуктивності та радіусу дії, діагностики тощо гарантує, що це знизить загальні витрати, у тому числі ті, що пов’язані з гарантією.

Системи керування акумуляторами та Synopsys

Симуляція є цінним союзником для проектування BMS, особливо коли вона використовується для вивчення та вирішення проблем проектування під час розробки обладнання, прототипування та тестування.З точною моделлю літій-іонного елемента в грі імітаційна модель архітектури BMS є виконуваною специфікацією, визнаною віртуальним прототипом.Крім того, симуляція дозволяє безболісно досліджувати варіанти функцій нагляду BMS за різними сценаріями експлуатації батареї та середовища.Проблеми впровадження можуть бути виявлені та досліджені дуже рано, що дозволяє перевірити покращення продуктивності та функціональної безпеки перед впровадженням на реальному апаратному прототипі.Це скорочує час розробки та гарантує, що перший апаратний прототип буде надійним.Крім того, багато тестів автентифікації, включаючи найгірші сценарії, можуть бути проведені для BMS і акумуляторної батареї під час виконання фізично реалістичних вбудованих системних програм.

Синопсис SaberRDпропонує обширні бібліотеки електричних, цифрових, керуючих і термогідравлічних моделей, щоб розширити можливості інженерів, зацікавлених у проектуванні й розробці BMS і батарейних блоків.Доступні інструменти для швидкого створення моделей на основі базових специфікацій таблиць і кривих вимірювань для багатьох електронних пристроїв і різних типів хімії акумуляторів.Статистичний аналіз, аналіз стресів і несправностей дозволяють перевірити всі спектри робочої області, включаючи прикордонні області, щоб забезпечити загальну надійність BMS.Крім того, пропонується багато прикладів дизайну, які дозволяють користувачам швидко розпочати проект і швидко отримати відповіді, необхідні за допомогою симуляції.