Sistem upravljanja baterijama BMS znanja i funkcije, Uvod

Puni naziv BMS-a je Battery Management System.To je uređaj koji prati stanje baterija za skladištenje energije.Uglavnom se koristi za inteligentno upravljanje i održavanje pojedinačnih baterijskih ćelija, sprečavanje prekomernog punjenja i prekomernog pražnjenja baterija, produženje veka trajanja baterije i praćenje statusa baterije.Općenito, BMS je predstavljen kao štampana ploča ili hardverska kutija.

 

BMS je jedan od osnovnih podsistema sistema za pohranu energije baterija, odgovoran za praćenje radnog statusa svake baterije u jedinici za pohranu energije baterije i osigurava siguran i pouzdan rad jedinice za pohranu energije.BMS može pratiti i prikupljati parametre statusa baterije za pohranu energije u realnom vremenu (uključujući, ali ne ograničavajući se na napon jedne ćelije, temperaturu polova baterije, struju petlje baterije, napon na terminalu baterije, otpor izolacije sistema baterije, itd.), i izvršiti potrebnu analizu i proračun relevantnih parametara statusa kako bi dobili više parametara za evaluaciju statusa sistema.Takođe može postići efikasnu kontrolu same baterije za skladištenje energije u skladu sa specifičnim strategijama kontrole zaštite kako bi se osigurao siguran i pouzdan rad čitave jedinice za skladištenje energije baterije.Istovremeno, BMS može komunicirati sa drugim eksternim uređajima (PCS, EMS, sistem za zaštitu od požara, itd.) preko vlastitog komunikacijskog sučelja i analognog/digitalnog ulaznog interfejsa kako bi formirao kontrolu povezivanja različitih podsistema u cjelokupnoj snazi ​​skladištenja energije. stanice, osiguravajući siguran, pouzdan i efikasan rad elektrane povezan na mrežu.

2) Arhitektura

Iz perspektive topološke arhitekture, BMS je podijeljen u dvije kategorije: centraliziran i distribuiran prema različitim zahtjevima projekta.

 

Centralizovani BMS

Jednostavno rečeno, centralizirani BMS koristi jedan BMS hardver za prikupljanje svih ćelija, što je pogodno za scenarije s nekoliko ćelija.

Centralizirani BMS ima prednosti niske cijene, kompaktne strukture i visoke pouzdanosti i obično se koristi u scenarijima s malim kapacitetom, niskim ukupnim pritiskom i malom zapreminom baterijskog sistema, kao što su električni alati, roboti (roboti za rukovanje, pomoćni roboti), IOT pametne kuće (roboti za čišćenje, električni usisivači), električni viljuškari, električna vozila male brzine (električni bicikli, električni motocikli, električni automobili za razgledanje, električna patrolna kola, električna kolica za golf, itd.) i laka hibridna vozila.

Centralizovani BMS hardver se može podeliti na visokonaponske i niskonaponske oblasti.Područje visokog napona odgovorno je za prikupljanje napona jedne ćelije, ukupnog napona sistema i praćenje otpora izolacije.Područje niskog napona uključuje krugove napajanja, CPU kola, CAN komunikacijske krugove, kontrolne krugove i tako dalje.

Kako sistem akumulatora za napajanje putničkih vozila nastavlja da se razvija prema velikom kapacitetu, velikom ukupnom pritisku i velikoj zapremini, distribuirane BMS arhitekture se uglavnom koriste u plug-in hibridnim i čisto električnim modelima vozila.

Distributed BMS

Trenutno postoje različiti termini za distribuirani BMS u industriji, a različite kompanije imaju različite nazive.Baterija za napajanje BMS uglavnom ima master-slave dvoslojnu arhitekturu:

 

BMS za skladištenje energije je obično troslojna arhitektura zbog velike veličine baterije, sa glavnim kontrolnim slojem iznad podređenog i glavnog upravljačkog sloja.

Baš kao što baterije formiraju grupe baterija, koje zauzvrat formiraju hrpe, troslojni BMS također slijedi isto pravilo naviše:

Od kontrole: jedinica za upravljanje baterijom (BMU), koja prikuplja informacije od pojedinačnih baterija.

Pratite napon i temperaturu ćelije baterije

Izjednačavanje baterije u pakovanju

Upload informacija

termičko upravljanje

Nenormalan alarm

Glavna kontrola: Jedinica za upravljanje baterijskim klasterom: BCU (jedinica klastera baterija, poznata i kao jedinica za upravljanje visokim naponom HVU, BCMU, itd.), odgovorna za prikupljanje informacija o BMU i prikupljanje informacija o grupi baterija.

Akvizicija struje klastera baterija, akvizicija ukupnog napona, detekcija curenja

Zaštita od isključivanja kada je stanje baterije nenormalno

Pod upravljanjem BMS-a, kalibracija kapaciteta i SOC kalibracija mogu se izvršiti odvojeno kao osnova za naknadno upravljanje punjenjem i pražnjenjem

Jedinica za upravljanje nizom baterija (BAU) je odgovorna za centralizirano upravljanje baterijama u cijelom paketu baterija za pohranu energije.Povezuje se sa različitim jedinicama za upravljanje klasterom baterija i razmjenjuje informacije s drugim uređajima kako bi pružio povratne informacije o radnom statusu niza baterija.

Upravljanje punjenjem i pražnjenjem niza baterija

Alarm za samoprovjeru i dijagnostiku kvarova BMS sistema

Alarm za dijagnozu kvara baterije

Sigurnosna zaštita za razne abnormalnosti i kvarove u nizu baterija

Komunicirajte sa drugim uređajima kao što su PCS i EMS

Pohrana, prijenos i obrada podataka

Sloj upravljanja baterijama: odgovoran za prikupljanje različitih informacija (napon, temperatura) pojedinačnih baterija, izračunavanje i analizu SOC i SOH baterija, postizanje aktivnog izjednačavanja pojedinačnih baterija i učitavanje nenormalnih informacija o pojedinačnim baterijama u sloj jedinice baterijskog paketa BCMU.Preko CAN eksterne komunikacije, on je međusobno povezan kroz daisy lanac.

Sloj upravljanja baterijama: odgovoran za prikupljanje različitih informacija iz pojedinačnih baterija koje je učitao BMU, prikupljanje različitih informacija o baterijskom paketu (napon paketa, temperatura paketa), struji punjenja i pražnjenja baterije, izračunavanje i analiziranje SOC i SOH paketa baterija , i učitavanje svih informacija u sloj jedinice baterijske grupe BAMS.Preko CAN eksterne komunikacije, on je međusobno povezan kroz daisy lanac.

Sloj upravljanja klasterom baterija: odgovoran za prikupljanje različitih informacija o bateriji koje je učitao BCMU i učitavanje svih informacija u EMS sistem za praćenje skladištenja energije preko RJ45 interfejsa;komunicira sa PCS-om za slanje relevantnih nenormalnih informacija o bateriji na PCS (CAN ili RS485 interfejs), i opremljen hardverskim suvim čvorovima za komunikaciju sa PCS-om.Osim toga, on vrši procjenu BSE (Battery State Estimate) sistema baterija, detekciju statusa električnog sistema, upravljanje kontaktorima, termalno upravljanje, upravljanje radom, upravljanje punjenjem, dijagnostičko upravljanje i obavlja interno i eksterno upravljanje komunikacijskom mrežom.Komunicira sa podređenima preko CAN-a.

3) Šta radi BMS?

Funkcije BMS-a su brojne, ali jezgro i ono što nas najviše brine su tri aspekta:

Jedna je sensing (upravljanje stanjem), što je osnovna funkcija BMS-a.Mjeri napon, otpor, temperaturu i na kraju prepoznaje stanje baterije.Želimo znati u kakvom je stanju baterija, koliko energije i kapaciteta ima, koliko je zdrava, koliko energije proizvodi i koliko je sigurna.Ovo je osjećaj.

Drugi je menadžment (upravljanje bilansom).Neki ljudi kažu da je BMS dadilja baterije.Onda bi ova dadilja trebala to da upravlja.Šta upravljati?Radi se o tome da baterija bude što bolja.Najosnovnije je upravljanje balansom i termalno upravljanje.

Treći je zaštita (upravljanje sigurnošću).Dadilja takođe ima posla.Ako baterija ima neki status, treba je zaštititi i podići alarm.

Naravno, postoji i komponenta upravljanja komunikacijama koja prenosi podatke unutar ili izvan sistema putem određenih protokola.

BMS ima mnoge druge funkcije, kao što su kontrola rada, nadzor izolacije, upravljanje toplinom, itd., o kojima se ovdje ne govori.

 

3.1 Percepcija – mjerenje i procjena

Osnovna funkcija BMS-a je mjerenje i procjena parametara baterije, uključujući osnovne parametre kao što su napon, struja, temperatura i stanje, kao i proračun podataka o stanju baterije kao što su SOC i SOH.Područje energetskih baterija također uključuje proračune SOP (stanja snage) i SOE (stanja energije), o kojima se ovdje ne govori.Fokusiraćemo se na prva dva široko korištena podatka.

Mjerenje ćelije

1) Mjerenje osnovnih informacija: Najosnovnija funkcija sistema za upravljanje baterijom je mjerenje napona, struje i temperature pojedinačnih ćelija baterije, što je osnova za sve proračune najvišeg nivoa i kontrolnu logiku u sistemu upravljanja baterijom.

2) Ispitivanje otpora izolacije: Ispitivanje izolacije je potrebno za ceo sistem baterija i visokonaponski sistem unutar sistema upravljanja baterijama.

3) Detekcija blokade visokog napona (HVIL): koristi se za potvrdu integriteta cijelog visokonaponskog sistema i iniciranje sigurnosnih mjera kada je integritet petlje visokog napona ugrožen.

SOC proračun

SOC se odnosi na stanje napunjenosti, što je preostali kapacitet baterije.Jednostavno rečeno, to je koliko je energije ostalo u bateriji.

SOC je najvažniji parametar u BMS-u, jer se sve ostalo zasniva na njemu.Stoga su njegova tačnost i robusnost (takođe poznata kao sposobnost ispravljanja grešaka) izuzetno važne.Bez preciznog SOC-a, nikakva zaštitna funkcija ne može učiniti da BMS radi ispravno, jer će baterija često biti u zaštićenom stanju, što onemogućuje produženje vijeka trajanja baterije.

Trenutno, glavne metode procjene SOC uključuju metodu napona otvorenog kola, metodu integracije struje, metodu Kalmanovog filtera i metodu neuronske mreže.Najčešće se koriste prve dvije metode.Posljednje dvije metode uključuju napredno znanje kao što su modeli integracije i umjetna inteligencija, koji ovdje nisu detaljno opisani.

U praktičnim primenama, više algoritama se često koristi u kombinaciji, pri čemu se usvajaju različiti algoritmi u zavisnosti od statusa punjenja i pražnjenja baterije.

metoda napona otvorenog kola

Princip metode otvorenog napona je da se koristi relativno fiksni funkcionalni odnos između napona otvorenog kola i SOC-a pod uslovom dugotrajnog statičkog postavljanja baterije, te se tako proceni SOC na osnovu napona otvorenog kola.Ranije često korišteni električni bicikl s olovnom baterijom koristi ovu metodu za procjenu SOC-a.Metoda napona otvorenog kruga je jednostavna i praktična, ali ima i mnogo nedostataka:

1. Baterija se mora ostaviti da stoji dugo vremena, inače će se napon otvorenog kola teško stabilizovati u kratkom vremenskom periodu;

2. Postoji plato napona u baterijama, posebno u litijum-gvozdeno-fosfatnim baterijama, gde su terminalni napon i SOC kriva približno linearni tokom SOC30%-80% opsega;

3. Baterija je na različitim temperaturama ili različitim životnim fazama, i iako je napon otvorenog kruga isti, stvarna razlika u SOC-u može biti velika;

Kao što je prikazano na donjoj slici, kada koristimo ovaj električni bicikl, ako je trenutni SOC prikazan kao 100%, napon opada pri ubrzanju, a snaga se može prikazati kao 80%.Kada prestanemo da ubrzavamo, napon raste, a snaga se vraća na 100%.Dakle, prikaz snage našeg električnog skutera nije tačan.Kada stanemo, ima snagu, ali kada pokrenemo, ostaje bez snage.Ovo možda nije problem s baterijom, ali može biti zbog toga što je SoC algoritam BMS previše jednostavan.

An-Shi integralna metoda

Anshicontinuous metoda integracije direktno izračunava SOC vrijednost u realnom vremenu kroz definiciju SOC.

S obzirom na početnu SOC vrijednost, sve dok se struja baterije može mjeriti (gdje je struja pražnjenja pozitivna), promjena kapaciteta baterije može se precizno izračunati integracijom struje, što rezultira preostalim SOC-om.

Ova metoda ima relativno pouzdane rezultate procjene u kratkom vremenskom periodu, ali zbog grešaka mjerenja strujnog senzora i postepene degradacije kapaciteta baterije, dugotrajna strujna integracija će unijeti određena odstupanja.Stoga se generalno koristi zajedno sa metodom napona otvorenog kola za procjenu početne vrijednosti za procjenu SOC-a sa niskim zahtjevima za preciznošću, a također se može koristiti u kombinaciji s Kalmanovom metodom filtriranja za kratkoročno predviđanje SOC-a.

SOC (State Of Charge) pripada osnovnom kontrolnom algoritmu BMS-a, koji predstavlja trenutni status preostalog kapaciteta.To se uglavnom postiže metodom integracije amper-sata i algoritmom EKF (Extended Kalman Filter), u kombinaciji sa strategijama korekcije (kao što je korekcija napona otvorenog kruga, korekcija punog punjenja, korekcija kraja punjenja, korekcija kapaciteta pri različitim temperaturama i SOH, itd.).Metoda integracije amper-sata je relativno pouzdana pod uslovom da se osigura trenutna tačnost akvizicije, ali nije robusna.Zbog gomilanja grešaka, mora se kombinovati sa strategijama ispravljanja.EKF metoda je robusna, ali algoritam je relativno složen i težak za implementaciju.Domaći mejnstrim proizvođači mogu postići tačnost manju od 6% na sobnoj temperaturi, ali je teško proceniti na visokim i niskim temperaturama i slabljenja baterije.

SOC korekcija

Zbog trenutnih fluktuacija, procijenjeni SOC može biti netačan i različite strategije korekcije moraju biti uključene u proces procjene.

 

SOH proračun

SOH se odnosi na zdravstveno stanje, koje ukazuje na trenutno zdravstveno stanje baterije (ili stepen degradacije baterije).Obično se predstavlja kao vrijednost između 0 i 100%, a vrijednosti ispod 80% općenito se smatraju da označavaju da baterija više nije upotrebljiva.Može se predstaviti promjenama kapaciteta baterije ili unutrašnjeg otpora.Kada se koristi kapacitet, stvarni kapacitet trenutne baterije se procjenjuje na osnovu podataka iz radnog procesa baterije, a omjer ovog prema nazivnom kapacitetu je SOH.Tačan SOH će poboljšati točnost procjene drugih modula kada se baterija pogoršava.

Postoje dvije različite definicije SOH u industriji:

SOH definicija zasnovana na smanjenju kapaciteta

Tokom upotrebe litijum-jonskih baterija, aktivni materijal unutar baterije postepeno se smanjuje, unutrašnji otpor raste, a kapacitet opada.Stoga se SOH može procijeniti kapacitetom baterije.Zdravstveno stanje baterije izražava se kao omjer trenutnog kapaciteta i početnog kapaciteta, a njen SOH se definira kao:

SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100%

Gdje je: C_fade je izgubljeni kapacitet baterije;C_standard je nominalni kapacitet.

IEEE standard 1188-1996 propisuje da kada kapacitet baterije padne na 80%, bateriju treba zamijeniti.Stoga obično smatramo da baterija SOH nije dostupna kada je ispod 80%.

SOH definicija zasnovana na slabljenju snage (Power Fade)

Starenje gotovo svih vrsta baterija će dovesti do povećanja unutrašnjeg otpora baterije.Što je veći unutrašnji otpor baterije, manja je raspoloživa snaga.Stoga se SOH može procijeniti korištenjem slabljenja snage.

3.2 Upravljanje – uravnotežena tehnologija

Svaka baterija ima svoju "ličnost"

Da bismo razgovarali o balansu, moramo početi s baterijama.Čak i baterije proizvedene u istoj seriji od istog proizvođača imaju svoj životni ciklus i „osobnosti“ – kapacitet svake baterije ne može biti potpuno isti.Dva su razloga za ovu nedosljednost:

Jedna je nedosljednost proizvodnje stanica

Jedna je nedosljednost elektrohemijskih reakcija.

nedoslednost proizvodnje

Nedosljednosti u proizvodnji je lako razumjeti.Na primjer, tokom proizvodnog procesa, nedosljednosti dijafragme i nedosljednosti materijala katode i anode mogu dovesti do nedosljednosti ukupnog kapaciteta baterije.Standardna baterija od 50AH može postati 49AH ili 51AH.

elektrohemijska nedoslednost

Nedosljednost elektrohemije je u tome što u procesu punjenja i pražnjenja baterija, čak i ako su proizvodnja i obrada dvije ćelije identične, toplinsko okruženje nikada ne može biti konzistentno u procesu elektrohemijske reakcije.Na primjer, kod izrade baterijskih modula temperatura okolnog prstena mora biti niža od srednje.Ovo rezultira dugotrajnom nedosljednošću između količine punjenja i pražnjenja, što zauzvrat dovodi do nedosljednog kapaciteta baterije;Kada su struje punjenja i pražnjenja SEI filma na baterijskoj ćeliji dugo vremena nedosljedne, starenje SEI filma također će biti nedosljedno.

*SEI film: “sučelje čvrstog elektrolita” (sučelje čvrstog elektrolita).Tokom prvog procesa pražnjenja tečne litijum-jonske baterije, materijal elektrode reaguje sa elektrolitom na međufaznoj granici čvrsta-tečnost da bi se formirao pasivacijski sloj koji pokriva površinu materijala elektrode.SEI film je elektronski izolator, ali odličan provodnik litijum jona, koji ne samo da štiti elektrodu, već i ne utiče na funkciju baterije.Starenje SEI filma ima značajan utjecaj na zdravlje baterije.

Stoga je neujednačenost (ili diskretnost) baterijskih paketa neizbježna manifestacija rada baterija.

Zašto je potreban balans

Baterije su različite, pa zašto ne pokušati da budu iste?Budući da će nedosljednost utjecati na performanse baterije.

Paket baterija u seriji prati efekat kratke cevi: u sistemu baterijskog paketa u seriji, kapacitet čitavog sistema baterija je određen najmanjom pojedinačnom jedinicom.

Pretpostavimo da imamo bateriju koja se sastoji od tri baterije:

Znamo da prekomjerno punjenje i prekomjerno pražnjenje mogu ozbiljno oštetiti baterije.Stoga, kada je baterija B potpuno napunjena tokom punjenja ili kada je SoC baterije B veoma nizak tokom pražnjenja, potrebno je zaustaviti punjenje i pražnjenje kako bi se zaštitila baterija B. Kao rezultat toga, snaga baterija A i C ne može biti u potpunosti iskorišteno.

To dovodi do:

Stvarni upotrebljivi kapacitet baterije se smanjio: baterije A i C, koje su mogle iskoristiti raspoloživi kapacitet, sada to ne mogu učiniti kako bi smjestile bateriju B. To je kao dvoje ljudi na tri noge vezane zajedno, sa viša osoba nesposobna za velike korake.

Smanjeno trajanje baterije: Manja dužina koraka zahtijeva više koraka i čini noge umornijima.Sa smanjenim kapacitetom, broj ciklusa punjenja i pražnjenja se povećava, što rezultira većom degradacijom baterije.Na primjer, jedna ćelija može postići 4000 ciklusa pri 100% DoD, ali u stvarnoj upotrebi ne može dostići 100% i broj ciklusa sigurno neće dostići 4000.

*DoD, Dubina pražnjenja, predstavlja procenat kapaciteta pražnjenja baterije prema nazivnom kapacitetu baterije.

Nedosljednost baterija dovodi do smanjenja performansi baterije.Kada je veličina baterijskog modula velika, višestruki nizovi baterija su povezani u seriju, a velika pojedinačna razlika napona će uzrokovati smanjenje kapaciteta cijele kutije.Što je više baterija povezanih u seriju, to više gube kapacitet.Međutim, u našim aplikacijama, posebno u aplikacijama sistema za skladištenje energije, postoje dva važna zahtjeva:

Prvi je baterija dugog vijeka trajanja, koja može uvelike smanjiti troškove rada i održavanja.Sistem za skladištenje energije ima visoke zahtjeve za vijek trajanja baterije.Većina domaćih je dizajnirana za 15 godina.Ako pretpostavimo 300 ciklusa godišnje, 15 godina je 4500 ciklusa, što je još uvijek vrlo visoko.Moramo maksimizirati vijek trajanja svake baterije tako da ukupni vijek trajanja kompletne baterije može dostići projektni vijek što je više moguće i smanjiti utjecaj disperzije baterije na vijek trajanja baterije.

Drugi duboki ciklus, posebno u scenariju primjene vršnog brijanja, oslobađanje još jednog kWh električne energije će donijeti još jedan bod prihoda.Odnosno, uradićemo 80% DoD ili 90% DoD.Kada se duboki ciklus koristi u sistemu skladištenja energije, disperzija baterije tokom repnog pražnjenja će se manifestovati.Stoga, kako bi se osiguralo potpuno oslobađanje kapaciteta svake pojedinačne ćelije pod uvjetom dubokog punjenja i dubokog pražnjenja, potrebno je zahtijevati da BMS za skladištenje energije ima snažne mogućnosti upravljanja izjednačavanjem i suzbija pojavu konzistentnosti među baterijskim ćelijama. .

Ova dva zahtjeva su upravo u suprotnosti s nedosljednošću baterije.Da bismo postigli efikasnije aplikacije baterijskog paketa, moramo imati efikasniju tehnologiju balansiranja kako bismo smanjili uticaj nedoslednosti baterije.

ravnotežna tehnologija

Tehnologija izjednačavanja baterija je način da se baterije različitih kapaciteta ujednače.Postoje dvije uobičajene metode izjednačavanja: jednosmjerno izjednačavanje disipacije energije (pasivno izjednačavanje) i dvosmjerno izjednačavanje prijenosa energije (aktivno izjednačavanje).

(1) Pasivna ravnoteža

Princip pasivnog izjednačavanja je da se paralelno poveže preklopni otpornik za pražnjenje na svakom nizu baterija.BMS kontroliše otpornik za pražnjenje da bi se pražnjele ćelije višeg napona, rasipajući električnu energiju kao toplotu.Na primjer, kada je baterija B skoro potpuno napunjena, prekidač se otvara kako bi se omogućilo otporniku na bateriji B da rasprši višak električne energije kao toplinu.Zatim se punjenje nastavlja sve dok se baterije A i C također potpuno ne napune.

Ova metoda može isprazniti samo ćelije visokog napona, a ne može puniti ćelije niskog kapaciteta.Zbog ograničenja snage otpora pražnjenja, struja izjednačavanja je općenito mala (manja od 1A).

Prednosti pasivnog izjednačavanja su niska cijena i jednostavan dizajn kola;nedostaci su što se bazira na najnižem preostalom kapacitetu baterije za izjednačavanje, što ne može povećati kapacitet baterija sa malim preostalim kapacitetom, te da se 100% izjednačene snage troši u obliku topline.

(2) Aktivno stanje

Putem algoritama, višestruki nizovi baterija prenose energiju visokonaponskih ćelija do niskonaponskih ćelija koristeći komponente za skladištenje energije, pražnjenjem baterija višeg napona i korištenjem energije oslobođene za punjenje niskonaponskih ćelija.Energija se uglavnom prenosi, a ne raspršuje.

Na taj način se tokom punjenja baterija B, koja prva dostigne 100% napona, prazni do A i C, a tri baterije se zajedno potpuno pune.Tokom pražnjenja, kada je preostalo punjenje baterije B prenisko, A i C se „pune“ B, tako da ćelija B ne dostigne SOC prag za tako brzo zaustavljanje pražnjenja.

Glavne karakteristike tehnologije aktivnog balansiranja

(1) Uravnotežite visoki i niski napon kako biste poboljšali efikasnost baterije: Tokom punjenja i pražnjenja iu mirovanju, visokonaponske baterije se mogu prazniti, a niskonaponske baterije mogu puniti;

(2) Prenos energije sa malim gubicima: energija se uglavnom prenosi, a ne jednostavno gubi, poboljšavajući efikasnost korišćenja energije;

(3) Velika ravnotežna struja: Generalno, ravnotežna struja je između 1 i 10 A, a ravnoteža je brža;

Aktivno izjednačavanje zahtijeva konfiguraciju odgovarajućih kola i uređaja za skladištenje energije, što dovodi do velikog volumena i povećanja troškova.Ova dva uslova zajedno određuju da aktivno izjednačavanje nije lako promovisati i primeniti.

Osim toga, proces aktivnog ekvilizacijskog punjenja i pražnjenja implicitno povećava vijek trajanja baterije.Za ćelije koje zahtijevaju punjenje i pražnjenje kako bi se postigla ravnoteža, dodatno opterećenje može uzrokovati da premaše starenje običnih ćelija, što rezultira većim jazom u performansama u odnosu na druge ćelije.

Neki stručnjaci smatraju da dva gornja izraza trebaju odgovarati disipativnoj ravnoteži i nedisipativnoj ravnoteži.Da li je aktivan ili pasivan treba da zavisi od događaja koji pokreće proces ravnoteže.Ako sistem dostigne stanje u kojem mora biti pasivan, pasivan je.Ako ga postavljaju ljudi, postavljanje programa ravnoteže kada nije potrebno balansirati se naziva aktivnom ravnotežom.

Na primjer, kada je pražnjenje na kraju, ćelija najnižeg napona dostigla je napon prekida pražnjenja, dok druge ćelije i dalje imaju snagu.U ovom trenutku, kako bi se ispraznio što je moguće više električne energije, sistem prenosi električnu energiju visokoenergetskih ćelija na niskoenergetske ćelije, omogućavajući da se proces pražnjenja nastavi dok se sva energija ne isprazni.Ovo je pasivni proces izjednačavanja.Ako sistem predvidi da će doći do neravnoteže na kraju pražnjenja kada je preostalo još 40% snage, on će pokrenuti aktivni proces izjednačavanja.

Aktivno izjednačavanje se dijeli na centralizirane i decentralizirane metode.Metoda centraliziranog izjednačavanja dobiva energiju iz cijelog baterijskog paketa, a zatim koristi uređaj za konverziju energije da dopuni energiju baterijama s manje energije.Decentralizovano izjednačavanje uključuje vezu za skladištenje energije između susednih baterija, koja može biti induktor ili kondenzator, omogućavajući protok energije između susednih baterija.

U trenutnoj strategiji kontrole ravnoteže, postoje oni koji uzimaju napon ćelije kao kontrolni ciljni parametar, a postoje i oni koji predlažu korištenje SOC-a kao ciljnog parametra ravnoteže.Uzimajući napon ćelije kao primjer.

Prvo postavite par graničnih vrijednosti za pokretanje i završetak izjednačavanja: na primjer, u setu baterija, kada razlika između ekstremnog napona jedne ćelije i prosječnog napona skupa dostigne 50mV, ekvilizacija se pokreće, a kada dostigne 5mV, ekvilizacija je završena.

BMS prikuplja napon svake ćelije prema fiksnom ciklusu akvizicije, izračunava prosječnu vrijednost, a zatim izračunava razliku između napona svake ćelije i prosječne vrijednosti;

Ako maksimalna razlika dostigne 50mV, BMS treba da pokrene proces ekvilizacije;

Nastavite korak 2 tokom procesa ekvilizacije sve dok sve vrijednosti razlike ne budu manje od 5mV, a zatim završite izjednačavanje.

Treba napomenuti da svi BMS-ovi ne zahtijevaju ovaj korak, a naknadne strategije mogu varirati ovisno o metodi balansa.

Tehnologija balansa također je povezana s vrstom baterije.Općenito se vjeruje da je LFP pogodniji za aktivnu ravnotežu, dok su ternarne baterije pogodne za pasivnu ravnotežu.

Faza intenzivne konkurencije u BMS-u je uglavnom podržana troškovima i pouzdanošću.Trenutno još nije postignuta eksperimentalna verifikacija aktivnog balansiranja.Očekuje se da će nivo funkcionalne sigurnosti krenuti prema ASIL-C i ASIL-D, ali je cijena prilično visoka.Stoga su sadašnje velike kompanije oprezne u pogledu aktivnog balansiranja istraživanja.Neke velike fabrike čak žele da ukinu modul za balansiranje i da se sva balansiranja obavljaju eksterno, slično održavanju vozila na gorivo.Svaki put kada vozilo prijeđe određenu udaljenost, ono će ići u 4S trgovinu na vanjsko balansiranje.Ovo će smanjiti troškove cijelog vozila BMS, a također će imati koristi za odgovarajuću 4S prodavnicu.To je win-win situacija za sve strane.Stoga, lično, razumijem da bi ovo moglo postati trend!

3.3 Zaštita – dijagnostika kvara i alarm

BMS nadzor je usklađen sa hardverom električnog sistema i podeljen je na različite nivoe kvara (manji kvar, ozbiljan kvar, fatalni kvar) u skladu sa različitim radnim uslovima baterije.Poduzimaju se različite mjere rukovanja u različitim nivoima kvara: upozorenje, ograničenje snage ili direktno isključenje visokog napona.Greške uključuju kvarove u prikupljanju podataka i racionalnosti, električne kvarove (senzori i aktuatori), kvarove u komunikaciji i kvarove statusa baterije.

Uobičajeni primjer je kada se baterija pregrije, BMS utvrđuje da se baterija pregrijava na osnovu prikupljene temperature baterije, zatim kontrolira krug ove baterije da se isključi, izvodi zaštitu od pregrijavanja i šalje upozorenje sistemima upravljanja kao što je EMS.

3.4 Komunikacija

Normalan rad BMS-a ne može se odvojiti od njegove komunikacijske funkcije.Bilo da se radi o kontroli baterije tokom upravljanja baterijom, prenosu statusa baterije u vanjski svijet ili primanju kontrolnih instrukcija, potrebna je stabilna komunikacija.

U sistemu napajanja baterija, jedan kraj BMS-a je povezan sa akumulatorom, a drugi kraj je povezan sa upravljačkim i elektronskim sistemima celog vozila.Sveukupno okruženje koristi CAN protokol, ali postoji razlika između korištenja internog CAN-a između unutrašnjih komponenti baterije i korištenja CAN-a vozila između baterije i cijelog vozila.

Nasuprot tome, BMS za skladištenje energije i interna komunikacija u osnovi koriste CAN protokol, ali njegova eksterna komunikacija (eksterna se uglavnom odnosi na dispečerski sistem centrale za skladištenje energije PCS) često koristi formate Internet protokola TCP/IP protokol i modbus protokol.

4) BMS za skladištenje energije

Proizvođači BMS-a za skladištenje energije općenito su evoluirali iz BMS-a na baterije, tako da mnogi dizajni i termini imaju istorijsko porijeklo

Na primjer, baterija za napajanje se općenito dijeli na BMU (Jedinica za nadzor baterije) i BCU (Upravljačka jedinica baterije), pri čemu prva prikuplja podatke, a druga ih kontrolira.

Budući da je baterijska ćelija elektrohemijski proces, više ćelija baterije formira bateriju.Zbog karakteristika svake baterijske ćelije, bez obzira na to koliko je precizan proizvodni proces, tokom vremena i ovisno o okruženju, u svakoj baterijskoj ćeliji će postojati greške i nedosljednosti.Stoga je sistem upravljanja baterijom procijeniti trenutno stanje baterije kroz ograničene parametre, što je pomalo kao da doktor tradicionalne kineske medicine dijagnosticira pacijentu promatranjem simptoma, a ne zapadnjačka medicina koja zahtijeva fizičku i hemijsku analizu.Fizička i hemijska analiza ljudskog tela slična je elektrohemijskim karakteristikama baterije, koje se mogu meriti velikim eksperimentalnim instrumentima.Međutim, za ugrađene sisteme je teško procijeniti neke indikatore elektrohemije.Stoga je BMS poput starog doktora kineske medicine.

4.1 Troslojna arhitektura BMS skladišta energije

Zbog velikog broja baterijskih ćelija u sistemima za skladištenje energije, u cilju uštede troškova, BMS se uglavnom implementira slojevito, sa dva ili tri sloja.Trenutno, mainstream je tri sloja: glavna kontrola/master kontrola/slave kontrola.

4.2 Detaljan opis BMS za skladištenje energije

5) Trenutna situacija i budući trend

Postoji nekoliko vrsta proizvođača koji proizvode BMS:

Prva kategorija je krajnji korisnik sa najdominantnijom snagom u akumulatoru BMS – fabrike automobila.Zapravo, najjača proizvodna snaga BMS-a u inostranstvu su i fabrike automobila, kao što su General Motors, Tesla, itd. Kod kuće postoje BYD, Huating Power itd.

Druga kategorija su fabrike baterija, uključujući proizvođače ćelija i pakovanja, kao što su Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad, itd.;

Treći tip proizvođača BMS-a su oni sa dugogodišnjim iskustvom u tehnologiji energetske elektronike i imaju timove za istraživanje i razvoj sa univerzitetskim ili srodnim poduzećima, kao što su Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology i Kegong Electronics.

Za razliku od BMS energetskih baterija, kojim uglavnom dominiraju proizvođači terminalnih vozila, čini se da krajnji korisnici baterija za skladištenje energije nemaju potrebu ili posebne akcije da učestvuju u istraživanju i razvoju i proizvodnji BMS-a.Takođe je malo verovatno da će potrošiti mnogo novca i energije za razvoj sistema upravljanja baterijama velikih razmera.Stoga se može smatrati da industriji baterija za skladištenje energije BMS nedostaje važan igrač sa apsolutnim prednostima, ostavljajući ogroman prostor za razvoj i maštu proizvođačima baterija i dobavljačima koji se fokusiraju na BMS za skladištenje energije.Ako se uspostavi tržište skladištenja energije, to će proizvođačima baterija i profesionalnim proizvođačima BMS-a dati puno prostora za razvoj i manji otpor konkurenciji.

Trenutno postoji relativno mali broj profesionalnih proizvođača BMS-a koji su fokusirani na razvoj BMS-a za skladištenje energije, uglavnom zbog činjenice da je tržište skladištenja energije još uvijek u povojima i još uvijek postoje mnoge nedoumice oko budućeg razvoja pohranjivanja energije na tržištu.Stoga većina proizvođača nije razvila BMS koji se odnosi na skladištenje energije.U stvarnom poslovnom okruženju postoje i proizvođači koji kupuju baterije za električna vozila BMS za korištenje kao BMS za baterije za pohranu energije.Vjeruje se da će u budućnosti proizvođači profesionalnih električnih vozila BMS također vjerovatno postati važan dio dobavljača BMS-a koji se koriste u velikim projektima skladištenja energije.

U ovoj fazi postoji nedostatak jedinstvenih standarda za BMS koje obezbeđuju različiti dobavljači sistema za skladištenje energije.Različiti proizvođači imaju različite dizajne i definicije za BMS, a ovisno o različitim baterijama s kojima su kompatibilni, SOX algoritam, tehnologija ekvilizacije i preneseni sadržaj komunikacijskih podataka također se mogu razlikovati.U praktičnoj primjeni BMS-a, takve razlike će povećati troškove primjene i biti štetne za industrijski razvoj.Stoga će standardizacija i modularizacija BMS-a također biti važan smjer razvoja u budućnosti.