1) ¿Qué es BMS?
El nombre completo de BMS es Sistema de gestión de baterías.Es un dispositivo que monitorea el estado de las baterías de almacenamiento de energía.Se utiliza principalmente para la gestión y el mantenimiento inteligentes de celdas de batería individuales, evitando la sobrecarga y descarga excesiva de las baterías, extendiendo la vida útil de la batería y monitoreando el estado de la batería.Generalmente, BMS se representa como una placa de circuito o una caja de hardware.
El BMS es uno de los subsistemas centrales del sistema de almacenamiento de energía de la batería, responsable de monitorear el estado operativo de cada batería en la unidad de almacenamiento de energía de la batería y garantizar el funcionamiento seguro y confiable de la unidad de almacenamiento de energía.El BMS puede monitorear y recopilar los parámetros de estado de la batería de almacenamiento de energía en tiempo real (incluidos, entre otros, el voltaje de una sola celda, la temperatura del polo de la batería, la corriente del circuito de la batería, el voltaje del terminal del paquete de la batería, la resistencia de aislamiento del sistema de la batería, etc.) y realice los análisis y cálculos necesarios sobre los parámetros de estado relevantes para obtener más parámetros de evaluación del estado del sistema.También puede lograr un control efectivo de la propia batería de almacenamiento de energía de acuerdo con estrategias de control de protección específicas para garantizar el funcionamiento seguro y confiable de toda la unidad de almacenamiento de energía de la batería.Al mismo tiempo, el BMS puede interactuar con otros dispositivos externos (PCS, EMS, sistema de protección contra incendios, etc.) a través de su propia interfaz de comunicación y de entrada analógica/digital para formar un control de enlace de varios subsistemas en todo el sistema de almacenamiento de energía. central eléctrica, garantizando un funcionamiento seguro, fiable y eficiente conectado a la red de la central eléctrica.
2) Arquitectura
Desde la perspectiva de la arquitectura topológica, BMS se divide en dos categorías: centralizado y distribuido según los diferentes requisitos del proyecto.
BMS centralizado
En pocas palabras, el BMS centralizado utiliza un único hardware BMS para recopilar todas las celdas, lo cual es adecuado para escenarios con pocas celdas.
El BMS centralizado tiene las ventajas de bajo costo, estructura compacta y alta confiabilidad, y se usa comúnmente en escenarios con baja capacidad, baja presión total y pequeño volumen del sistema de batería, como herramientas eléctricas, robots (robots de manipulación, robots de asistencia), Hogares inteligentes IOT (robots barredores, aspiradores eléctricos), carretillas elevadoras eléctricas, vehículos eléctricos de baja velocidad (bicicletas eléctricas, motocicletas eléctricas, coches turísticos eléctricos, patrullas eléctricas, carritos de golf eléctricos, etc.) y vehículos híbridos ligeros.
El hardware BMS centralizado se puede dividir en áreas de alto y bajo voltaje.El área de alto voltaje es responsable de recolectar el voltaje de una sola celda, el voltaje total del sistema y monitorear la resistencia del aislamiento.El área de bajo voltaje incluye circuitos de suministro de energía, circuitos de CPU, circuitos de comunicación CAN, circuitos de control, etc.
A medida que el sistema de baterías de energía de los vehículos de pasajeros continúa desarrollándose hacia una alta capacidad, una alta presión total y un gran volumen, las arquitecturas BMS distribuidas se utilizan principalmente en modelos de vehículos híbridos enchufables y eléctricos puros.
BMS distribuido
En la actualidad, existen varios términos para BMS distribuido en la industria y diferentes empresas tienen diferentes nombres.El BMS de batería de energía tiene principalmente una arquitectura maestro-esclavo de dos niveles:
El BMS de almacenamiento de energía suele tener una arquitectura de tres niveles debido al gran tamaño del paquete de baterías, con una capa de control maestro por encima de las capas de control principal y esclava.
Así como las baterías forman grupos de baterías, que a su vez forman pilas, el BMS de tres niveles también sigue la misma regla ascendente:
Desde el control: unidad de gestión de baterías (BMU), que recopila información de baterías individuales.
Monitorear el voltaje y la temperatura de la celda de la batería.
Ecualización de batería en el paquete.
Carga de información
gestión térmica
alarma anormal
Control maestro: Unidad de gestión del grupo de baterías: BCU (unidad de grupo de baterías, también conocida como unidad de gestión de alto voltaje HVU, BCMU, etc.), responsable de recopilar información de BMU y recopilar información del grupo de baterías.
Adquisición de corriente del grupo de baterías, adquisición de voltaje total, detección de fugas
Protección de apagado cuando el estado de la batería es anormal
Bajo la gestión de BMS, la calibración de capacidad y la calibración de SOC se pueden completar por separado como base para la gestión posterior de carga y descarga.
La unidad de gestión del conjunto de baterías (BAU) es responsable de la gestión centralizada de las baterías en todo el conjunto de baterías de almacenamiento de energía.Se conecta a varias unidades de gestión del grupo de baterías e intercambia información con otros dispositivos para proporcionar información sobre el estado operativo del conjunto de baterías.
Gestión de carga y descarga del conjunto de baterías.
Alarma de diagnóstico de fallas y autocomprobación del sistema BMS
Alarma de diagnóstico de falla del paquete de baterías
Protección de seguridad para diversas anomalías y fallas en el conjunto de baterías.
Comunicarse con otros dispositivos como PCS y EMS
Almacenamiento, transmisión y procesamiento de datos.
Capa de gestión de baterías: responsable de recopilar información diversa (voltaje, temperatura) de baterías individuales, calcular y analizar SOC y SOH de baterías, lograr la ecualización activa de baterías individuales y cargar información anormal de baterías individuales en la capa de unidad de paquete de baterías BCMU.A través de comunicación externa CAN, se interconecta a través de una cadena tipo margarita.
Capa de gestión de baterías: responsable de recopilar información diversa de baterías individuales cargadas por la BMU, recopilar información diversa sobre el paquete de baterías (voltaje del paquete, temperatura del paquete), corrientes de carga y descarga del paquete de baterías, calcular y analizar el SOC y SOH del paquete de baterías. y cargar toda la información en la capa de unidad del grupo de baterías BAMS.A través de comunicación externa CAN, se interconecta a través de una cadena tipo margarita.
Capa de gestión del grupo de baterías: responsable de recopilar diversa información de la batería cargada por BCMU y cargar toda la información al sistema EMS de monitoreo del almacenamiento de energía a través de la interfaz RJ45;comunicándose con PCS para enviar información anormal relevante de la batería a PCS (interfaz CAN o RS485) y equipado con nodos secos de hardware para comunicarse con PCS.Además, realiza evaluación BSE (estimación del estado de la batería) del sistema de baterías, detección del estado del sistema eléctrico, gestión de contactores, gestión térmica, gestión de operaciones, gestión de carga, gestión de diagnóstico y realiza gestión de redes de comunicaciones internas y externas.Se comunica con subordinados a través de CAN.
3) ¿Qué hace BMS?
Las funciones de BMS son numerosas, pero el núcleo y lo que más nos preocupa son tres aspectos:
Uno es la detección (gestión del estado), que es la función básica de BMS.Mide voltaje, resistencia, temperatura y, en última instancia, detecta el estado de la batería.Queremos saber cuál es el estado de la batería, cuánta energía y capacidad tiene, en qué estado de salud está, cuánta energía produce y qué tan segura es.Esto es sentir.
El segundo es la gestión (gestión del saldo).Algunas personas dicen que BMS es la niñera de la batería.Entonces esta niñera debería encargarse de ello.¿Qué gestionar?Es para que la batería sea lo mejor posible.Los más básicos son la gestión del equilibrio y la gestión térmica.
El tercero es la protección (gestión de la seguridad).La niñera también tiene un trabajo que hacer.Si la batería tiene algún estado, es necesario protegerla y generar una alarma.
Por supuesto, también existe un componente de gestión de comunicaciones que transfiere datos dentro o fuera del sistema a través de ciertos protocolos.
BMS tiene muchas otras funciones, como control de funcionamiento, monitorización de aislamiento, gestión térmica, etc., que no se tratan aquí.
3.1 Percepción – Medición y Estimación
La función básica de BMS es medir y estimar los parámetros de la batería, incluidos parámetros básicos como voltaje, corriente, temperatura y estado, así como cálculos de datos del estado de la batería como SOC y SOH.El campo de las baterías eléctricas también implica cálculos de SOP (estado de energía) y SOE (estado de energía), que no se analizan aquí.Nos centraremos en los dos primeros datos más utilizados.
Medición celular
1) Medición de información básica: la función más básica del sistema de gestión de baterías es medir el voltaje, la corriente y la temperatura de las celdas de batería individuales, que es la base de todos los cálculos de alto nivel y la lógica de control en el sistema de gestión de baterías.
2) Prueba de resistencia de aislamiento: Se requieren pruebas de aislamiento para todo el sistema de batería y el sistema de alto voltaje dentro del sistema de gestión de batería.
3) Detección de enclavamiento de alto voltaje (HVIL): se utiliza para confirmar la integridad de todo el sistema de alto voltaje e iniciar medidas de seguridad cuando la integridad del bucle del sistema de alto voltaje se ve comprometida.
Cálculo del SOC
SOC se refiere al estado de carga, que es la capacidad restante de la batería.En pocas palabras, es cuánta energía queda en la batería.
SOC es el parámetro más importante en BMS, ya que todo lo demás se basa en él.Por lo tanto, su precisión y robustez (también conocida como capacidad de corrección de errores) son extremadamente importantes.Sin un SOC preciso, ninguna función de protección puede hacer que BMS funcione correctamente, ya que la batería a menudo estará en un estado protegido, lo que hará imposible extender su vida útil.
En la actualidad, los principales métodos de estimación de SOC incluyen el método de voltaje de circuito abierto, el método de integración de corriente, el método de filtro de Kalman y el método de red neuronal.Los dos primeros métodos se utilizan habitualmente.Los dos últimos métodos implican conocimientos avanzados, como modelos de integración e inteligencia artificial, que no se detallan aquí.
En aplicaciones prácticas, a menudo se utilizan múltiples algoritmos en combinación, y se adoptan diferentes algoritmos dependiendo del estado de carga y descarga de la batería.
método de voltaje de circuito abierto
El principio del método de voltaje de circuito abierto es utilizar la relación funcional relativamente fija entre el voltaje de circuito abierto y el SOC bajo la condición de colocación estática a largo plazo de la batería y, por lo tanto, estimar el SOC en función del voltaje de circuito abierto.La bicicleta eléctrica con batería de plomo-ácido utilizada anteriormente utiliza este método para estimar el SOC.El método de voltaje de circuito abierto es simple y conveniente, pero también tiene muchas desventajas:
1. La batería debe dejarse en reposo durante mucho tiempo; de lo contrario, será difícil estabilizar el voltaje del circuito abierto en un corto período de tiempo;
2. Hay una meseta de voltaje en las baterías, especialmente en las baterías de fosfato de hierro y litio, donde el voltaje terminal y la curva SOC son aproximadamente lineales durante el rango SOC 30%-80%;
3. La batería tiene diferentes temperaturas o diferentes etapas de vida y, aunque el voltaje del circuito abierto es el mismo, la diferencia de SOC real puede ser grande;
Como se muestra en la figura siguiente, cuando usamos esta bicicleta eléctrica, si el SOC actual se muestra como 100%, el voltaje cae al acelerar y la potencia puede mostrarse como 80%.Cuando dejamos de acelerar, el voltaje aumenta y la potencia vuelve al 100%.Por lo tanto, la visualización de potencia de nuestro scooter eléctrico no es precisa.Cuando paramos tiene potencia, pero cuando arrancamos se queda sin potencia.Puede que esto no sea un problema con la batería, pero puede deberse a que el algoritmo SoC del BMS sea demasiado simple.
Método integral de An-Shi
El método de integración continua de Anshi calcula directamente el valor de SOC en tiempo real mediante la definición de SOC.
Dado el valor de SOC inicial, siempre que se pueda medir la corriente de la batería (donde la corriente de descarga es positiva), el cambio en la capacidad de la batería se puede calcular con precisión mediante la integración de corriente, lo que da como resultado el SOC restante.
Este método tiene resultados de estimación relativamente confiables en un corto período de tiempo, pero debido a errores de medición del sensor de corriente y la degradación gradual de la capacidad de la batería, la integración de corriente a largo plazo introducirá ciertas desviaciones.Por lo tanto, generalmente se usa junto con el método de voltaje de circuito abierto para estimar el valor inicial para la estimación de SOC con requisitos de precisión bajos, y también se puede usar junto con el método de filtrado de Kalman para la predicción de SOC a corto plazo.
SOC (Estado de carga) pertenece al algoritmo de control central de BMS y representa el estado actual de la capacidad restante.Se logra principalmente mediante el método de integración de amperios-hora y el algoritmo EKF (filtro Kalman extendido), combinados con estrategias de corrección (como corrección de voltaje de circuito abierto, corrección de carga completa, corrección de final de carga, corrección de capacidad bajo diferentes temperaturas y SOH, etc.).El método de integración de amperios-hora es relativamente confiable bajo la condición de garantizar la precisión de la adquisición actual, pero no es robusto.Debido a la acumulación de errores se debe combinar con estrategias de corrección.El método EKF es robusto pero el algoritmo es relativamente complejo y difícil de implementar.Los principales fabricantes nacionales pueden lograr una precisión de menos del 6% a temperatura ambiente, pero estimar la atenuación de la batería a temperaturas altas y bajas es difícil.
Corrección SOC
Debido a las fluctuaciones actuales, el SOC estimado puede ser inexacto y es necesario incorporar varias estrategias de corrección al proceso de estimación.
Cálculo de SOH
SOH se refiere al estado de salud, que indica el estado actual de la batería (o el grado de degradación de la batería).Por lo general, se representa como un valor entre 0 y 100 %, y generalmente se considera que los valores inferiores al 80 % indican que la batería ya no se puede utilizar.Puede estar representado por cambios en la capacidad de la batería o la resistencia interna.Cuando se utiliza capacidad, la capacidad real de la batería actual se estima en función de los datos del proceso operativo de la batería, y la relación entre esta y la capacidad nominal es el SOH.Un SOH preciso mejorará la precisión de la estimación de otros módulos cuando la batería se esté deteriorando.
Existen dos definiciones diferentes de SOH en la industria:
Definición de SOH basada en el desvanecimiento de la capacidad
Durante el uso de baterías de iones de litio, el material activo dentro de la batería disminuye gradualmente, la resistencia interna aumenta y la capacidad disminuye.Por lo tanto, el SOH puede estimarse mediante la capacidad de la batería.El estado de salud de la batería se expresa como la relación entre la capacidad actual y la capacidad inicial, y su SOH se define como:
SOH=(C_estándar-C_desvanecimiento)/C_estándar ×100%
Donde: C_fade es la capacidad perdida de la batería;C_estándar es la capacidad nominal.
El estándar IEEE 1188-1996 estipula que cuando la capacidad de la batería de alimentación cae al 80%, se debe reemplazar la batería.Por lo tanto, solemos considerar que el SOH de la batería no está disponible cuando está por debajo del 80%.
Definición de SOH basada en atenuación de potencia (Power Fade)
El envejecimiento de casi todos los tipos de baterías provocará un aumento de la resistencia interna de la batería.Cuanto mayor sea la resistencia interna de la batería, menor será la potencia disponible.Por lo tanto, la SOH se puede estimar utilizando la atenuación de potencia.
3.2 Gestión – Tecnología equilibrada
Cada batería tiene su propia “personalidad”
Para hablar de equilibrio, tenemos que empezar por las baterías.Incluso las baterías producidas en el mismo lote por el mismo fabricante tienen sus propios ciclos de vida y “personalidades”: la capacidad de cada batería no puede ser exactamente la misma.Hay dos razones para esta inconsistencia:
Uno es la inconsistencia de la producción celular.
Uno es la inconsistencia de las reacciones electroquímicas.
inconsistencia de producción
Las inconsistencias en la producción son fáciles de entender.Por ejemplo, durante el proceso de producción, las inconsistencias del diafragma y las inconsistencias de los materiales del cátodo y del ánodo pueden resultar en inconsistencias generales en la capacidad de la batería.Una batería estándar de 50AH puede convertirse en 49AH o 51AH.
inconsistencia electroquímica
La inconsistencia de la electroquímica es que en el proceso de carga y descarga de la batería, incluso si la producción y el procesamiento de las dos celdas son idénticos, el ambiente térmico nunca puede ser consistente en el proceso de reacción electroquímica.Por ejemplo, al fabricar módulos de batería, la temperatura del anillo circundante debe ser inferior a la del medio.Esto da como resultado una inconsistencia a largo plazo entre las cantidades de carga y descarga, lo que a su vez conduce a una capacidad inconsistente de las celdas de la batería;Cuando las corrientes de carga y descarga de la película SEI en la celda de la batería son inconsistentes durante mucho tiempo, el envejecimiento de la película SEI también será inconsistente.
*Película SEI: “solid electrolyte interface” (interfaz de electrolito sólido).Durante el primer proceso de descarga de carga de una batería de iones de litio líquido, el material del electrodo reacciona con el electrolito en la interfaz de la fase sólido-líquido para formar una capa de pasivación que cubre la superficie del material del electrodo.La película SEI es un aislante electrónico pero un excelente conductor de iones de litio, que no solo protege el electrodo sino que tampoco afecta el funcionamiento de la batería.El envejecimiento de la película SEI tiene un impacto significativo en la salud de la batería.
Por lo tanto, la falta de uniformidad (o discreción) de los paquetes de baterías es una manifestación inevitable del funcionamiento de la batería.
Por qué se necesita el equilibrio
Las baterías son diferentes, así que ¿por qué no intentar hacerlas iguales?Porque la inconsistencia afectará el rendimiento de la batería.
El paquete de baterías en serie sigue el efecto de barril corto: en el sistema de paquetes de baterías en serie, la capacidad de todo el sistema de paquetes de baterías está determinada por la unidad más pequeña.
Supongamos que tenemos un paquete de baterías que consta de tres baterías:
Sabemos que la sobrecarga y la descarga excesiva pueden dañar gravemente las baterías.Por lo tanto, cuando la batería B está completamente cargada durante la carga o cuando el SoC de la batería B es muy bajo durante la descarga, es necesario detener la carga y descarga para proteger la batería B. Como resultado, la energía de las baterías A y C no puede ser completamente cargada. utilizado.Esto lleva a:
La capacidad útil real de la batería ha disminuido: las baterías A y C, que podrían haber utilizado la capacidad disponible, ahora no pueden hacerlo para acomodar la batería B. Es como dos personas con tres piernas atadas, con las Persona más alta incapaz de dar grandes pasos.
Duración reducida de la batería: una zancada más pequeña requiere más pasos y cansa más las piernas.Con una capacidad reducida, el número de ciclos de carga y descarga aumenta, lo que resulta en una mayor degradación de la batería.Por ejemplo, una sola celda puede alcanzar 4000 ciclos al 100 % de DoD, pero en el uso real no puede alcanzar el 100 % y el número de ciclos ciertamente no llegará a 4000.
*DoD, Profundidad de descarga, representa el porcentaje de la capacidad de descarga de la batería con respecto a la capacidad nominal de la batería.
La inconsistencia de las baterías conduce a una disminución en el rendimiento del paquete de baterías.Cuando el tamaño del módulo de batería es grande, se conectan varias cadenas de baterías en serie y una gran diferencia de voltaje hará que la capacidad de toda la caja disminuya.Cuantas más baterías se conecten en serie, más capacidad perderán.Sin embargo, en nuestras aplicaciones, especialmente en aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía, existen dos requisitos importantes:
La primera es la batería de larga duración, que puede reducir en gran medida los costos de operación y mantenimiento.El sistema de almacenamiento de energía tiene altos requisitos para la vida útil del paquete de baterías.La mayoría de los domésticos están diseñados para 15 años.Si suponemos 300 ciclos por año, 15 años son 4500 ciclos, lo que sigue siendo muy alto.Necesitamos maximizar la vida útil de cada batería para que la vida útil total de todo el paquete de baterías pueda alcanzar la vida útil de diseño tanto como sea posible y reducir el impacto de la dispersión de la batería en la vida útil del paquete de baterías.
El segundo ciclo profundo, especialmente en el escenario de aplicación de reducción de picos, liberar un kWh más de electricidad generará un punto más de ingresos.Es decir, haremos 80%DoD o 90%DoD.Cuando se utiliza el ciclo profundo en el sistema de almacenamiento de energía, se manifestará la dispersión de la batería durante la descarga de cola.Por lo tanto, para garantizar la liberación total de la capacidad de cada celda en condiciones de carga y descarga profundas, es necesario exigir que el BMS de almacenamiento de energía tenga fuertes capacidades de gestión de ecualización y suprima la aparición de coherencia entre las celdas de la batería. .
Estos dos requisitos son exactamente contrarios a la inconsistencia de la batería.Para lograr aplicaciones de paquetes de baterías más eficientes, debemos tener una tecnología de equilibrio más efectiva para reducir el impacto de la inconsistencia de la batería.
tecnología de equilibrio
La tecnología de ecualización de baterías es una forma de hacer iguales baterías con diferentes capacidades.Hay dos métodos de ecualización comunes: ecualización unidireccional de disipación de energía (ecualización pasiva) y ecualización bidireccional de transferencia de energía (ecualización activa).
(1) Saldo pasivo
El principio de ecualización pasiva consiste en poner en paralelo una resistencia de descarga conmutable en cada cadena de baterías.El BMS controla la resistencia de descarga para descargar las celdas de mayor voltaje, disipando la energía eléctrica en forma de calor.Por ejemplo, cuando la batería B está casi completamente cargada, el interruptor se abre para permitir que la resistencia de la batería B disipe el exceso de energía eléctrica en forma de calor.Luego la carga continúa hasta que las baterías A y C también estén completamente cargadas.
Este método sólo puede descargar celdas de alto voltaje y no puede recargar celdas de baja capacidad.Debido a la limitación de potencia de la resistencia de descarga, la corriente de ecualización es generalmente pequeña (menos de 1A).
Las ventajas de la ecualización pasiva son el bajo costo y el diseño de circuito simple;las desventajas son que se basa en la capacidad restante más baja de la batería para la ecualización, lo que no puede aumentar la capacidad de las baterías con capacidad restante baja, y que el 100% de la energía ecualizada se desperdicia en forma de calor.
(2) Saldo activo
A través de algoritmos, múltiples cadenas de baterías transfieren la energía de las celdas de alto voltaje a las de bajo voltaje utilizando componentes de almacenamiento de energía, descargando las baterías de mayor voltaje y usando la energía liberada para cargar las celdas de menor voltaje.La energía se transfiere principalmente en lugar de disiparse.
De esta manera, durante la carga, la batería B, que alcanza primero el 100% de voltaje, se descarga en A y C, y las tres baterías se cargan completamente juntas.Durante la descarga, cuando la carga restante de la batería B es demasiado baja, A y C “cargan” B, de modo que la celda B no alcanza el umbral SOC para detener la descarga tan rápidamente.
Principales características de la tecnología de equilibrio activo.
(1) Equilibre el voltaje alto y bajo para mejorar la eficiencia del paquete de baterías: durante la carga, descarga y en reposo, las baterías de alto voltaje se pueden descargar y las baterías de bajo voltaje se pueden cargar;
(2) Transferencia de energía con bajas pérdidas: la energía se transfiere principalmente en lugar de simplemente perderse, lo que mejora la eficiencia de la utilización de la energía;
(3) Corriente de equilibrio grande: generalmente, la corriente de equilibrio está entre 1 y 10 A, y el equilibrio es más rápido;
La ecualización activa requiere la configuración de los circuitos y dispositivos de almacenamiento de energía correspondientes, lo que genera un gran volumen y un mayor costo.Estas dos condiciones juntas determinan que la igualación activa no es fácil de promover y aplicar.
Además, el proceso de carga y descarga de ecualización activa aumenta implícitamente el ciclo de vida de la batería.Para las celdas que requieren carga y descarga para lograr el equilibrio, la carga de trabajo adicional puede hacer que excedan el envejecimiento de las celdas ordinarias, lo que resulta en una mayor brecha de rendimiento con otras celdas.
Algunos expertos creen que las dos expresiones anteriores deberían corresponder al equilibrio disipativo y al equilibrio no disipativo.Si es activo o pasivo debería depender del evento que desencadena el proceso de equilibrio.Si el sistema llega a un estado en el que tiene que ser pasivo, es pasivo.Si lo establecen los humanos, establecer el programa de equilibrio cuando no es necesario estar equilibrado se denomina equilibrio activo.
Por ejemplo, cuando la descarga llega al final, la celda de menor voltaje ha alcanzado el voltaje de corte de descarga, mientras que otras celdas aún tienen energía.En este momento, para descargar la mayor cantidad de electricidad posible, el sistema transfiere la electricidad de las celdas de alta energía a las celdas de baja energía, permitiendo que el proceso de descarga continúe hasta que se descargue toda la energía.Este es un proceso de ecualización pasiva.Si el sistema predice que habrá un desequilibrio al final de la descarga cuando aún quede el 40% de potencia, iniciará un proceso de ecualización activa.
La ecualización activa se divide en métodos centralizados y descentralizados.El método de ecualización centralizada obtiene energía de todo el paquete de baterías y luego utiliza un dispositivo de conversión de energía para complementar las baterías con menos energía.La ecualización descentralizada implica un vínculo de almacenamiento de energía entre baterías adyacentes, que puede ser un inductor o un condensador, lo que permite que la energía fluya entre baterías adyacentes.
En la estrategia de control de equilibrio actual, hay quienes toman el voltaje de la celda como parámetro objetivo de control, y también hay quienes proponen utilizar SOC como parámetro objetivo de control de equilibrio.Tomando como ejemplo el voltaje de la celda.
Primero, establezca un par de valores umbral para iniciar y finalizar la ecualización: por ejemplo, en un conjunto de baterías, cuando la diferencia entre el voltaje extremo de una sola celda y el voltaje promedio del conjunto alcanza los 50 mV, se inicia la ecualización, y cuando alcanza los 5 mV, finaliza la ecualización.
El BMS recopila el voltaje de cada celda de acuerdo con un ciclo de adquisición fijo, calcula el valor promedio y luego calcula la diferencia entre el voltaje de cada celda y el valor promedio;
Si la diferencia máxima alcanza los 50 mV, el BMS debe iniciar el proceso de ecualización;
Continúe con el paso 2 durante el proceso de ecualización hasta que todos los valores de diferencia sean inferiores a 5 mV y luego finalice la ecualización.
Cabe señalar que no todos los BMS requieren este paso y las estrategias posteriores pueden variar según el método de equilibrio.
La tecnología de equilibrio también está relacionada con el tipo de batería.En general, se cree que las LFP son más adecuadas para el equilibrio activo, mientras que las baterías ternarias son adecuadas para el equilibrio pasivo.
La etapa de intensa competencia en BMS se sustenta principalmente en el costo y la confiabilidad.Actualmente, aún no se ha logrado la verificación experimental del equilibrio activo.Se espera que el nivel de seguridad funcional avance hacia ASIL-C y ASIL-D, pero el coste es bastante elevado.Por lo tanto, las grandes empresas actuales se muestran cautelosas a la hora de realizar investigaciones activas sobre el equilibrio.Algunas grandes fábricas incluso quieren cancelar el módulo de equilibrado y realizar todo el equilibrado externamente, de forma similar al mantenimiento de los vehículos de combustible.Cada vez que el vehículo recorre una determinada distancia, irá a la tienda 4S para su equilibrio externo.Esto reducirá el costo de todo el BMS del vehículo y también beneficiará a la tienda 4S correspondiente.Es una situación en la que todas las partes ganan.Por eso, personalmente, entiendo que esto puede convertirse en tendencia.
3.3 Protección – diagnóstico de fallas y alarma
El monitoreo BMS coincide con el hardware del sistema eléctrico y se divide en diferentes niveles de falla (falla menor, falla grave, falla fatal) según las diferentes condiciones de rendimiento de la batería.Se toman diferentes medidas de manejo en diferentes niveles de falla: advertencia, limitación de potencia o corte directo de alta tensión.Las fallas incluyen fallas de racionalidad y adquisición de datos, fallas eléctricas (sensores y actuadores), fallas de comunicación y fallas de estado de la batería.
Un ejemplo común es cuando una batería se sobrecalienta, el BMS determina que la batería se está sobrecalentando en función de la temperatura recopilada de la batería, luego controla el circuito de esta batería para desconectarlo, realiza protección contra el sobrecalentamiento y envía una alerta a los sistemas de gestión como el EMS.
3.4 Comunicación
El funcionamiento normal de BMS no puede separarse de su función de comunicación.Ya sea controlando la batería durante la gestión de la batería, transmitiendo el estado de la batería al mundo exterior o recibiendo instrucciones de control, se requiere una comunicación estable.
En el sistema de batería de energía, un extremo del BMS está conectado a la batería y el otro extremo está conectado a los sistemas electrónicos y de control de todo el vehículo.El entorno general utiliza el protocolo CAN, pero existe una distinción entre usar CAN interno entre los componentes internos del paquete de baterías y usar CAN del vehículo entre el paquete de baterías y todo el vehículo.
Por el contrario, el BMS de almacenamiento de energía y la comunicación interna utilizan básicamente el protocolo CAN, pero su comunicación externa (externa se refiere principalmente al sistema de despacho de la central eléctrica de almacenamiento de energía PCS) a menudo utiliza formatos de protocolo de Internet, protocolo TCP/IP y protocolo modbus.
4) BMS de almacenamiento de energía
Los fabricantes de BMS de almacenamiento de energía generalmente evolucionaron a partir de BMS de batería de energía, por lo que muchos diseños y términos tienen orígenes históricos.
Por ejemplo, la energía de la batería generalmente se divide en BMU (Unidad de monitoreo de batería) y BCU (Unidad de control de batería), donde la primera recopila datos y la segunda los controla.
Debido a que la celda de la batería es un proceso electroquímico, varias celdas de la batería forman una batería.Debido a las características de cada celda de la batería, no importa cuán preciso sea el proceso de fabricación, habrá errores e inconsistencias en cada celda de la batería con el tiempo y dependiendo del entorno.Por lo tanto, el sistema de gestión de la batería evalúa el estado actual de la batería a través de parámetros limitados, lo cual es un poco como un médico de medicina tradicional china que diagnostica a un paciente observando los síntomas en lugar de que la medicina occidental requiera análisis físicos y químicos.El análisis físico y químico del cuerpo humano es similar a las características electroquímicas de la batería, que pueden medirse mediante instrumentos experimentales a gran escala.Sin embargo, a los sistemas integrados les resulta difícil evaluar algunos indicadores de la electroquímica.Por lo tanto, BMS es como un viejo médico chino.
4.1 Arquitectura de tres capas de almacenamiento de energía BMS
Debido a la gran cantidad de celdas de batería en los sistemas de almacenamiento de energía, para ahorrar costos, el BMS generalmente se implementa en capas, con dos o tres capas.Actualmente, la corriente principal son tres capas: control maestro/control maestro/control esclavo.
4.2 Descripción detallada del BMS de almacenamiento de energía
5) Situación actual y tendencia futura
Hay varios tipos de fabricantes que producen BMS:
La primera categoría es el usuario final con la potencia más dominante en el BMS de baterías de energía: las fábricas de automóviles.De hecho, la mayor fortaleza de fabricación de BMS en el extranjero son también las fábricas de automóviles, como General Motors, Tesla, etc. En casa, están BYD, Huating Power, etc.
La segunda categoría son las fábricas de baterías, incluidos los fabricantes de celdas y fabricantes de paquetes, como Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad, etc.;
El tercer tipo de fabricantes de BMS son aquellos con muchos años de experiencia en tecnología de electrónica de potencia y equipos de I+D con experiencia universitaria o empresarial relacionada, como Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology y Kegong Electronics.
A diferencia del BMS de baterías eléctricas, que está dominado principalmente por fabricantes de vehículos terminales, parece que los usuarios finales de baterías de almacenamiento de energía no tienen necesidad ni acciones específicas para participar en la investigación, el desarrollo y la fabricación de BMS.También es poco probable que gasten mucho dinero y energía para desarrollar sistemas de gestión de baterías a gran escala.Por lo tanto, se puede considerar que la industria de BMS para baterías de almacenamiento de energía carece de un actor importante con ventajas absolutas, lo que deja un enorme espacio para el desarrollo y la imaginación para los fabricantes y proveedores de baterías que se centran en BMS para almacenamiento de energía.Si se establece el mercado de almacenamiento de energía, los fabricantes de baterías y los fabricantes profesionales de BMS tendrán mucho espacio para el desarrollo y menos resistencia competitiva.
Actualmente, hay relativamente pocos fabricantes profesionales de BMS centrados en el desarrollo de BMS de almacenamiento de energía, principalmente debido a que el mercado de almacenamiento de energía aún está en su infancia y todavía hay muchas dudas sobre el desarrollo futuro del almacenamiento de energía en el mercado.Por tanto, la mayoría de los fabricantes no han desarrollado BMS relacionados con el almacenamiento de energía.En el entorno empresarial actual, también hay fabricantes que compran BMS de baterías de vehículos eléctricos para utilizarlos como BMS para baterías de almacenamiento de energía.Se cree que en el futuro, los fabricantes profesionales de BMS para vehículos eléctricos también se convertirán en una parte importante de los proveedores de BMS utilizados en proyectos de almacenamiento de energía a gran escala.
En esta etapa, faltan estándares uniformes para BMS proporcionados por varios proveedores de sistemas de almacenamiento de energía.Los diferentes fabricantes tienen diferentes diseños y definiciones para BMS y, según las diferentes baterías con las que son compatibles, el algoritmo SOX, la tecnología de ecualización y el contenido de datos de comunicación cargados también pueden variar.En la aplicación práctica de BMS, tales diferencias aumentarán los costos de aplicación y serán perjudiciales para el desarrollo industrial.Por lo tanto, la estandarización y modularización de BMS también será una dirección de desarrollo importante en el futuro.
Hora de publicación: 15 de enero de 2024