دانش و عملکرد سیستم مدیریت باتری BMS، مقدمه

نام کامل BMS سیستم مدیریت باتری است.این دستگاهی است که وضعیت باتری های ذخیره انرژی را کنترل می کند.این عمدتا برای مدیریت هوشمند و نگهداری سلول های باتری فردی، جلوگیری از شارژ و تخلیه بیش از حد باتری ها، افزایش عمر باتری و نظارت بر وضعیت باتری استفاده می شود.به طور کلی، BMS به عنوان یک برد مدار یا یک جعبه سخت افزار نشان داده می شود.

 

BMS یکی از زیرسیستم های اصلی سیستم ذخیره انرژی باتری است که وظیفه نظارت بر وضعیت عملکرد هر باتری در واحد ذخیره انرژی باتری و اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اعتماد واحد ذخیره سازی انرژی را بر عهده دارد.BMS می‌تواند پارامترهای وضعیت باتری ذخیره‌سازی انرژی را در زمان واقعی (از جمله ولتاژ تک سلولی، دمای قطب باتری، جریان حلقه باتری، ولتاژ پایانه بسته باتری، مقاومت عایق سیستم باتری و غیره) نظارت و جمع‌آوری کند. انجام تجزیه و تحلیل و محاسبه لازم بر روی پارامترهای وضعیت مربوطه برای به دست آوردن پارامترهای ارزیابی وضعیت بیشتر سیستم.همچنین می تواند به کنترل موثر خود باتری ذخیره انرژی مطابق با استراتژی های کنترل حفاظتی خاص دست یابد تا از عملکرد ایمن و قابل اعتماد کل واحد ذخیره انرژی باتری اطمینان حاصل شود.در عین حال، BMS می تواند با سایر دستگاه های خارجی (PCS، EMS، سیستم حفاظت در برابر آتش و غیره) از طریق رابط ارتباطی خود و رابط ورودی آنالوگ/دیجیتال تعامل داشته باشد تا یک کنترل پیوندی از زیرسیستم های مختلف در کل توان ذخیره انرژی ایجاد کند. ایستگاه، اطمینان از عملکرد ایمن، قابل اعتماد و کارآمد متصل به شبکه نیروگاه.

2) معماری

از دیدگاه معماری توپولوژی، BMS به دو دسته متمرکز و توزیع شده بر اساس نیازهای مختلف پروژه تقسیم می شود.

 

BMS متمرکز

به بیان ساده، BMS متمرکز از یک سخت افزار واحد BMS برای جمع آوری تمام سلول ها استفاده می کند که برای سناریوهایی با سلول های کمی مناسب است.

BMS متمرکز دارای مزایای کم هزینه، ساختار فشرده و قابلیت اطمینان بالا است و معمولاً در سناریوهایی با ظرفیت کم، فشار کل کم و حجم کم سیستم باتری مانند ابزارهای برقی، ربات ها (ربات های هندلینگ، ربات های کمکی) استفاده می شود. خانه‌های هوشمند IOT (روبات‌های جارو، جاروبرقی‌های برقی)، لیفتراک‌های برقی، وسایل نقلیه الکتریکی کم‌سرعت (دوچرخه‌های برقی، موتورسیکلت‌های برقی، ماشین‌های گشت‌وگذار برقی، ماشین‌های گشت برقی، ماشین‌های گلف برقی و غیره) و وسایل نقلیه هیبریدی سبک.

سخت افزار متمرکز BMS را می توان به مناطق ولتاژ بالا و ولتاژ پایین تقسیم کرد.ناحیه ولتاژ بالا مسئول جمع آوری ولتاژ تک سلولی، ولتاژ کل سیستم و نظارت بر مقاومت عایق است.ناحیه ولتاژ پایین شامل مدارهای منبع تغذیه، مدارهای CPU، مدارهای ارتباطی CAN، مدارهای کنترل و غیره است.

از آنجایی که سیستم باتری برق وسایل نقلیه مسافربری به سمت ظرفیت بالا، فشار کل بالا و حجم زیاد در حال توسعه است، معماری های BMS توزیع شده عمدتاً در مدل های خودروهای برقی خالص و هیبریدی پلاگین استفاده می شود.

BMS توزیع شده

در حال حاضر اصطلاحات مختلفی برای BMS توزیع شده در صنعت وجود دارد و شرکت های مختلف نام های مختلفی دارند.باتری قدرت BMS عمدتاً دارای معماری دو لایه اصلی است:

 

BMS ذخیره انرژی به دلیل اندازه بزرگ بسته باتری معمولاً یک معماری سه لایه است و یک لایه کنترل اصلی در بالای لایه های Slave و اصلی کنترل دارد.

درست مانند باتری ها که مجموعه های باتری را تشکیل می دهند، که به نوبه خود پشته ها را تشکیل می دهند، BMS سه لایه نیز از همان قانون رو به بالا پیروی می کند:

از کنترل: واحد مدیریت باتری (BMU)، که اطلاعات را از باتری های جداگانه جمع آوری می کند.

ولتاژ و دمای سلول باتری را کنترل کنید

یکسان سازی باتری در بسته

آپلود اطلاعات

مدیریت حرارتی

آلارم غیر عادی

کنترل اصلی: واحد مدیریت کلاستر باتری: BCU (واحد کلاستر باتری که به عنوان واحد مدیریت ولتاژ بالا HVU، BCMU و غیره نیز شناخته می شود)، مسئول جمع آوری اطلاعات BMU و جمع آوری اطلاعات کلاستر باتری است.

جمع آوری جریان خوشه باتری، جذب ولتاژ کل، تشخیص نشتی

حفاظت از خاموش شدن باتری در صورت غیرعادی بودن وضعیت باتری

تحت مدیریت BMS، کالیبراسیون ظرفیت و کالیبراسیون SOC را می توان به طور جداگانه به عنوان مبنایی برای مدیریت شارژ و تخلیه بعدی تکمیل کرد.

واحد مدیریت آرایه باتری (BAU) مسئول مدیریت متمرکز باتری ها در کل پشته باتری ذخیره انرژی است.به واحدهای مختلف مدیریت خوشه باتری متصل می شود و اطلاعات را با سایر دستگاه ها مبادله می کند تا بازخوردی در مورد وضعیت عملکرد آرایه باتری ارائه دهد.

مدیریت شارژ و دشارژ آرایه باتری

هشدار سیستم BMS خود بررسی و تشخیص عیب

هشدار تشخیص عیب بسته باتری

حفاظت ایمنی برای ناهنجاری‌ها و خطاهای مختلف در آرایه باتری

با دستگاه های دیگر مانند PCS و EMS ارتباط برقرار کنید

ذخیره سازی، انتقال و پردازش داده ها

لایه مدیریت باتری: مسئول جمع‌آوری اطلاعات مختلف (ولتاژ، دما) تک باتری‌ها، محاسبه و تجزیه و تحلیل SOC و SOH باتری‌ها، دستیابی به یکسان سازی فعال تک باتری‌ها و بارگذاری اطلاعات غیرعادی باتری‌های جداگانه در لایه واحد بسته باتری BCMU.از طریق ارتباط خارجی CAN، از طریق یک زنجیره دیزی به هم متصل می شود.

لایه مدیریت باتری: مسئول جمع آوری اطلاعات مختلف از تک باتری های بارگذاری شده توسط BMU، جمع آوری اطلاعات مختلف در مورد بسته باتری (ولتاژ بسته، دمای بسته)، جریان های شارژ و دشارژ بسته باتری، محاسبه و تجزیه و تحلیل SOC و SOH بسته باتری است. ، و بارگذاری تمام اطلاعات در لایه BAMS واحد خوشه باتری.از طریق ارتباط خارجی CAN، از طریق یک زنجیره دیزی به هم متصل می شود.

لایه مدیریت خوشه باتری: مسئول جمع آوری اطلاعات مختلف باتری آپلود شده توسط BCMU و بارگذاری تمام اطلاعات به سیستم نظارت بر ذخیره انرژی EMS از طریق رابط RJ45.ارتباط با PCS برای ارسال اطلاعات غیرعادی مربوط به باتری به PCS (رابط CAN یا RS485) و مجهز به گره های خشک سخت افزاری برای ارتباط با PCS.علاوه بر این، ارزیابی سیستم باتری BSE (تخمین وضعیت باتری)، تشخیص وضعیت سیستم الکتریکی، مدیریت کنتاکتور، مدیریت حرارتی، مدیریت عملیات، مدیریت شارژ، مدیریت تشخیصی، و مدیریت شبکه ارتباطی داخلی و خارجی را انجام می‌دهد.از طریق CAN با زیردستان ارتباط برقرار می کند.

3) BMS چه کاری انجام می دهد؟

کارکردهای BMS متعدد هستند، اما هسته اصلی و آنچه ما بیشتر نگران آن هستیم سه جنبه است:

یکی سنجش (مدیریت حالت) است که وظیفه اصلی BMS است.ولتاژ، مقاومت، دما را اندازه گیری می کند و در نهایت وضعیت باتری را حس می کند.می خواهیم بدانیم باتری در چه وضعیتی قرار دارد، چقدر انرژی و ظرفیت دارد، چقدر سالم است، چقدر برق تولید می کند و چقدر ایمن است.این حس است.

دوم مدیریت (مدیریت تعادل).برخی می گویند که BMS پرستار باتری است.پس این دایه باید آن را مدیریت کند.چه چیزی را مدیریت کنیم؟این است که باتری را تا حد ممکن خوب کنید.اساسی ترین آنها مدیریت تعادل و مدیریت حرارتی است.

سوم حفاظت (مدیریت ایمنی).دایه هم کار داره.اگر باتری وضعیت خاصی دارد، باید از آن محافظت شود و زنگ هشدار به صدا درآید.

البته یک جزء مدیریت ارتباطات نیز وجود دارد که داده ها را در داخل یا خارج از سیستم از طریق پروتکل های خاصی منتقل می کند.

BMS دارای عملکردهای بسیار دیگری مانند کنترل عملیات، نظارت بر عایق، مدیریت حرارتی و غیره است که در اینجا به آنها پرداخته نمی شود.

 

3.1 ادراک - اندازه گیری و تخمین

عملکرد اصلی BMS اندازه گیری و تخمین پارامترهای باتری از جمله پارامترهای اساسی مانند ولتاژ، جریان، دما و حالت و همچنین محاسبات داده های وضعیت باتری مانند SOC و SOH است.زمینه باتری های قدرت نیز شامل محاسبات SOP (وضعیت قدرت) و SOE (وضعیت انرژی) است که در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرد.ما بر روی دو داده اول که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند تمرکز خواهیم کرد.

اندازه گیری سلول

1) اندازه‌گیری اطلاعات پایه: اساسی‌ترین عملکرد سیستم مدیریت باتری اندازه‌گیری ولتاژ، جریان و دمای تک تک سلول‌های باتری است که پایه و اساس تمام محاسبات سطح بالا و منطق کنترل در سیستم مدیریت باتری است.

2) تست مقاومت عایق: آزمایش عایق برای کل سیستم باتری و سیستم ولتاژ بالا در سیستم مدیریت باتری لازم است.

3) تشخیص اینترلاک ولتاژ بالا (HVIL): برای تأیید یکپارچگی کل سیستم ولتاژ بالا و شروع اقدامات ایمنی هنگامی که یکپارچگی حلقه سیستم ولتاژ بالا به خطر می افتد استفاده می شود.

محاسبه SOC

SOC به حالت شارژ اشاره دارد که ظرفیت باقیمانده باتری است.به عبارت ساده، میزان انرژی باقی مانده در باتری است.

SOC مهمترین پارامتر در BMS است، زیرا همه چیز بر اساس آن است.بنابراین دقت و استحکام آن (که به عنوان قابلیت تصحیح خطا نیز شناخته می شود) بسیار مهم است.بدون SOC دقیق، هیچ مقدار عملکرد حفاظتی نمی تواند BMS را به درستی کار کند، زیرا باتری اغلب در حالت محافظت شده قرار می گیرد و افزایش عمر باتری را غیرممکن می کند.

در حال حاضر، روش های اصلی برآورد SOC شامل روش ولتاژ مدار باز، روش یکپارچه سازی جریان، روش فیلتر کالمن و روش شبکه عصبی است.دو روش اول معمولا استفاده می شود.دو روش اخیر شامل دانش پیشرفته ای مانند مدل های یکپارچه سازی و هوش مصنوعی است که در اینجا به تفصیل توضیح داده نشده است.

در کاربردهای عملی، الگوریتم‌های متعدد اغلب به صورت ترکیبی استفاده می‌شوند و الگوریتم‌های مختلفی بسته به وضعیت شارژ و دشارژ باتری اتخاذ می‌شوند.

روش ولتاژ مدار باز

اصل روش ولتاژ مدار باز استفاده از رابطه عملکردی نسبتاً ثابت بین ولتاژ مدار باز و SOC تحت شرایط استاتیک طولانی مدت باتری و در نتیجه تخمین SOC بر اساس ولتاژ مدار باز است.دوچرخه برقی باتری سرب اسیدی که قبلاً استفاده می شد از این روش برای تخمین SOC استفاده می کند.روش ولتاژ مدار باز ساده و راحت است، اما معایب زیادی نیز دارد:

1. باتری باید برای مدت طولانی ثابت بماند، در غیر این صورت تثبیت ولتاژ مدار باز در مدت زمان کوتاهی مشکل خواهد بود.

2. یک فلات ولتاژ در باتری ها، به ویژه باتری های فسفات آهن لیتیوم وجود دارد، که در آن ولتاژ پایانه و منحنی SOC در محدوده SOC30٪ -80٪ ​​تقریباً خطی هستند.

3. باتری در دماهای مختلف یا مراحل مختلف عمر متفاوت است، و اگرچه ولتاژ مدار باز یکسان است، تفاوت SOC واقعی ممکن است زیاد باشد.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، زمانی که از این دوچرخه برقی استفاده می کنیم، اگر SOC فعلی به صورت 100% نمایش داده شود، در هنگام شتاب گیری ولتاژ کاهش می یابد و ممکن است قدرت 80% نمایش داده شود.هنگامی که شتاب را متوقف می کنیم، ولتاژ افزایش می یابد و قدرت به 100٪ باز می گردد.بنابراین نمایشگر قدرت اسکوتر برقی ما دقیق نیست.وقتی متوقف می‌شویم، قدرت دارد، اما وقتی راه‌اندازی می‌کنیم، قدرتش تمام می‌شود.ممکن است این مشکل از باتری نباشد، اما ممکن است به دلیل ساده بودن الگوریتم SoC BMS باشد.

روش انتگرال An-Shi

روش ادغام Anshicontinuous مستقیماً مقدار SOC را در زمان واقعی از طریق تعریف SOC محاسبه می کند.

با توجه به مقدار اولیه SOC، تا زمانی که بتوان جریان باتری را اندازه گیری کرد (در جایی که جریان تخلیه مثبت است)، تغییر ظرفیت باتری را می توان به طور دقیق از طریق یکپارچه سازی جریان محاسبه کرد و در نتیجه SOC باقی مانده است.

این روش نتایج تخمین نسبتاً قابل اعتمادی در مدت زمان کوتاه دارد، اما به دلیل خطاهای اندازه گیری سنسور جریان و کاهش تدریجی ظرفیت باتری، ادغام جریان طولانی مدت انحرافات خاصی را ایجاد می کند.بنابراین، به طور کلی همراه با روش ولتاژ مدار باز برای تخمین مقدار اولیه برای تخمین SOC با الزامات دقت پایین استفاده می شود و همچنین می تواند همراه با روش فیلتر کالمن برای پیش بینی کوتاه مدت SOC استفاده شود.

SOC (State Of Charge) متعلق به الگوریتم کنترل اصلی BMS است که وضعیت ظرفیت باقیمانده فعلی را نشان می دهد.این عمدتاً از طریق روش یکپارچه سازی آمپر ساعت و الگوریتم EKF (فیلتر کالمن توسعه یافته) همراه با استراتژی های اصلاح (مانند اصلاح ولتاژ مدار باز، اصلاح شارژ کامل، اصلاح پایان شارژ، اصلاح ظرفیت تحت دماهای مختلف و SOH) به دست می آید. و غیره.).روش ادغام آمپر ساعت تحت شرایط اطمینان از دقت اکتساب جریان نسبتا قابل اعتماد است، اما قوی نیست.به دلیل انباشتگی خطاها باید با راهبردهای اصلاحی ترکیب شود.روش EKF قوی است اما الگوریتم نسبتاً پیچیده و پیاده سازی آن دشوار است.تولیدکنندگان اصلی داخلی می‌توانند در دمای اتاق به دقت کمتر از 6 درصد دست یابند، اما تخمین در دماهای بالا و پایین و تضعیف باتری دشوار است.

تصحیح SOC

با توجه به نوسانات فعلی، SOC تخمین زده ممکن است نادرست باشد، و استراتژی های تصحیح مختلفی باید در فرآیند تخمین گنجانده شوند.

 

محاسبه SOH

SOH به وضعیت سلامت اشاره دارد که وضعیت سلامت فعلی باتری (یا درجه تخریب باتری) را نشان می دهد.معمولاً به عنوان مقداری بین 0 تا 100٪ نشان داده می شود که مقادیر کمتر از 80٪ معمولاً نشان می دهد که باتری دیگر قابل استفاده نیست.می توان آن را با تغییر در ظرفیت باتری یا مقاومت داخلی نشان داد.هنگام استفاده از ظرفیت، ظرفیت واقعی باتری فعلی بر اساس داده های فرآیند کار باتری تخمین زده می شود و نسبت آن به ظرفیت نامی SOH است.هنگامی که باتری در حال خراب شدن است، یک SOH دقیق دقت تخمین ماژول های دیگر را بهبود می بخشد.

دو تعریف مختلف از SOH در صنعت وجود دارد:

تعریف SOH بر اساس محو شدن ظرفیت

در طول استفاده از باتری های لیتیوم یون، مواد فعال داخل باتری به تدریج کاهش می یابد، مقاومت داخلی افزایش می یابد و ظرفیت کاهش می یابد.بنابراین، SOH را می توان با ظرفیت باتری تخمین زد.وضعیت سلامت باتری به صورت نسبت ظرفیت فعلی به ظرفیت اولیه بیان می شود و SOH آن به صورت زیر تعریف می شود:

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

کجا: C_fade ظرفیت از دست رفته باتری است.C_standard ظرفیت اسمی است.

استاندارد IEEE 1188-1996 تصریح می کند که وقتی ظرفیت باتری برق به 80٪ کاهش می یابد، باتری باید تعویض شود.بنابراین، ما معمولاً در نظر می گیریم که SOH باتری زمانی که زیر 80٪ باشد در دسترس نیست.

تعریف SOH بر اساس تضعیف توان (Power Fade)

کهنه شدن تقریباً همه انواع باتری ها منجر به افزایش مقاومت داخلی باتری می شود.هرچه مقاومت داخلی باتری بیشتر باشد، توان موجود کمتر است.بنابراین، SOH را می توان با استفاده از تضعیف توان تخمین زد.

3.2 مدیریت - فناوری متوازن

هر باتری "شخصیت" خود را دارد

برای صحبت در مورد تعادل، باید از باتری ها شروع کنیم.حتی باتری‌هایی که در یک دسته توسط یک سازنده تولید می‌شوند، چرخه عمر و "شخصیت" خود را دارند - ظرفیت هر باتری نمی‌تواند دقیقاً یکسان باشد.دو دلیل برای این ناهماهنگی وجود دارد:

یکی ناهماهنگی تولید سلولی است

یکی ناهماهنگی واکنش های الکتروشیمیایی است.

ناهماهنگی تولید

ناسازگاری های تولید به راحتی قابل درک است.به عنوان مثال، در طول فرآیند تولید، ناهماهنگی دیافراگم و ناهماهنگی مواد کاتد و آند می تواند منجر به ناهماهنگی ظرفیت کلی باتری شود.یک باتری استاندارد 50AH ممکن است به 49AH یا 51AH تبدیل شود.

ناسازگاری الکتروشیمیایی

ناهماهنگی الکتروشیمی این است که در فرآیند شارژ و دشارژ باتری، حتی اگر تولید و پردازش دو سلول یکسان باشد، محیط حرارتی هرگز نمی تواند در فرآیند واکنش الکتروشیمیایی سازگار باشد.به عنوان مثال، هنگام ساخت ماژول های باتری، دمای حلقه اطراف باید کمتر از دمای وسط باشد.این منجر به ناهماهنگی طولانی مدت بین مقادیر شارژ و دشارژ می شود که به نوبه خود منجر به ناسازگاری ظرفیت سلول باتری می شود.هنگامی که جریان های شارژ و تخلیه فیلم SEI روی سلول باتری برای مدت طولانی ناسازگار باشد، پیری فیلم SEI نیز ناسازگار خواهد بود.

*فیلم SEI: "رابط الکترولیت جامد" (رابط الکترولیت جامد).در طول اولین فرآیند تخلیه شارژ باتری لیتیوم یون مایع، ماده الکترود با الکترولیت روی سطح مشترک فاز جامد-مایع واکنش می دهد تا یک لایه غیرفعال سازی که سطح ماده الکترود را می پوشاند تشکیل دهد.فیلم SEI یک عایق الکترونیکی است اما یک رسانای عالی از یون های لیتیوم است که نه تنها از الکترود محافظت می کند بلکه بر عملکرد باتری نیز تأثیر نمی گذارد.کهنه شدن فیلم SEI تاثیر قابل توجهی بر سلامت باتری دارد.

بنابراین، عدم یکنواختی (یا گسستگی) بسته های باتری، جلوه اجتناب ناپذیر عملکرد باتری است.

چرا تعادل لازم است

باتری ها متفاوت هستند، پس چرا سعی نکنید آنها را یکسان کنید؟زیرا ناهماهنگی بر عملکرد بسته باتری تأثیر می گذارد.

بسته باتری به صورت سری از اثر بشکه کوتاه پیروی می کند: در سیستم بسته باتری سری، ظرفیت کل سیستم بسته باتری توسط کوچکترین واحد تعیین می شود.

فرض کنید یک بسته باتری متشکل از سه باتری داریم:

بدانید که شارژ و دشارژ بیش از حد می تواند به باتری آسیب جدی وارد کند.بنابراین، زمانی که باتری B در حین شارژ کامل شارژ می شود یا زمانی که SoC باتری B در هنگام تخلیه بسیار کم است، برای محافظت از باتری B، لازم است شارژ و دشارژ متوقف شود. در نتیجه توان باتری های A و C نمی تواند به طور کامل تامین شود. مورد استفاده قرار گرفت.

این منجر به:

ظرفیت واقعی قابل استفاده بسته باتری کاهش یافته است: باتری A و C که می توانستند از ظرفیت موجود استفاده کنند، اکنون نمی توانند این کار را انجام دهند تا باتری B را در خود جای دهند. مانند دو نفر است که روی سه پا بسته شده اند، با قد بلندتر که قادر به برداشتن قدم های بزرگ نیست.

کاهش عمر باتری: طول گام کوچکتر به مراحل بیشتری نیاز دارد و باعث خستگی بیشتر پاها می شود.با کاهش ظرفیت، تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ افزایش می‌یابد که منجر به تخریب بیشتر باتری می‌شود.به عنوان مثال، یک سلول منفرد می تواند به 4000 چرخه در 100٪ DoD برسد، اما در استفاده واقعی نمی تواند به 100٪ برسد و تعداد چرخه ها قطعا به 4000 نمی رسد.

*DoD، عمق تخلیه، درصد ظرفیت تخلیه باتری به ظرفیت نامی باتری را نشان می دهد.

ناهماهنگی باتری ها منجر به کاهش عملکرد بسته باتری می شود.هنگامی که اندازه ماژول باتری بزرگ است، چندین رشته باتری به صورت سری به هم متصل می شوند و یک اختلاف ولتاژ بزرگ باعث کاهش ظرفیت کل جعبه می شود.هرچه تعداد باتری‌های سری بیشتر وصل شوند، ظرفیت بیشتری را از دست می‌دهند.با این حال، در کاربردهای ما، به ویژه در کاربردهای سیستم ذخیره انرژی، دو الزام مهم وجود دارد:

اولین مورد باتری با عمر طولانی است که می تواند هزینه های عملیات و نگهداری را تا حد زیادی کاهش دهد.سیستم ذخیره انرژی نیازمندی های بالایی برای عمر بسته باتری است.اکثر نمونه های داخلی برای 15 سال طراحی شده اند.اگر 300 چرخه در سال را فرض کنیم، 15 سال 4500 چرخه است که باز هم بسیار زیاد است.ما باید عمر هر باتری را به حداکثر برسانیم تا کل عمر بسته باتری تا حد امکان به عمر طراحی برسد و تاثیر پراکندگی باتری بر عمر بسته باتری را کاهش دهیم.

چرخه عمیق دوم، به ویژه در سناریوی کاربردی پیک تراشیدن، آزاد کردن یک کیلووات ساعت برق بیشتر، یک نقطه درآمد بیشتر به همراه خواهد داشت.یعنی 80% DoD یا 90% DoD را انجام خواهیم داد.هنگامی که چرخه عمیق در سیستم ذخیره انرژی استفاده می شود، پراکندگی باتری در هنگام تخلیه دم آشکار می شود.بنابراین، به منظور اطمینان از آزادسازی کامل ظرفیت هر سلول در شرایط شارژ عمیق و تخلیه عمیق، لازم است BMS ذخیره انرژی دارای قابلیت مدیریت یکسان سازی قوی باشد و از وقوع یکنواختی بین سلول های باتری جلوگیری کند. .

این دو الزام دقیقاً بر خلاف ناهماهنگی باتری هستند.برای دستیابی به برنامه‌های بسته باتری کارآمدتر، باید فناوری متعادل‌سازی مؤثرتری برای کاهش تأثیر ناسازگاری باتری داشته باشیم.

فناوری تعادل

فن آوری یکسان سازی باتری روشی برای یکسان ساختن باتری هایی با ظرفیت های مختلف است.دو روش متداول یکسان سازی وجود دارد: یکسان سازی یک طرفه اتلاف انرژی (تعادل غیرفعال) و یکسان سازی دو طرفه انتقال انرژی (تعادل فعال).

(1) تعادل منفعل

اصل یکسان سازی غیرفعال موازی کردن یک مقاومت تخلیه قابل تعویض در هر رشته از باتری ها است.BMS مقاومت تخلیه را کنترل می کند تا سلول های ولتاژ بالاتر را تخلیه کند و انرژی الکتریکی را به عنوان گرما از بین می برد.به عنوان مثال، هنگامی که باتری B تقریباً به طور کامل شارژ می شود، سوئیچ باز می شود تا مقاومت باتری B بتواند انرژی الکتریکی اضافی را به عنوان گرما دفع کند.سپس شارژ ادامه می یابد تا باتری های A و C نیز به طور کامل شارژ شوند.

این روش فقط می تواند سلول های ولتاژ بالا را تخلیه کند و نمی تواند سلول های کم ظرفیت را شارژ کند.به دلیل محدودیت توان مقاومت تخلیه، جریان یکسان سازی معمولاً کوچک است (کمتر از 1A).

مزایای یکسان سازی غیرفعال هزینه کم و طراحی مدار ساده است.معایب آن این است که بر اساس کمترین ظرفیت باتری باقی مانده برای یکسان سازی است که نمی تواند ظرفیت باتری های با ظرفیت کم باقی مانده را افزایش دهد و 100٪ از توان برابر شده به صورت گرما هدر می رود.

(2) تعادل فعال

از طریق الگوریتم‌ها، رشته‌های متعدد باتری، انرژی سلول‌های ولتاژ بالا را با استفاده از اجزای ذخیره‌سازی انرژی به سلول‌های ولتاژ پایین منتقل می‌کنند، باتری‌های ولتاژ بالاتر را تخلیه می‌کنند و از انرژی آزاد شده برای شارژ سلول‌های ولتاژ پایین‌تر استفاده می‌کنند.انرژی عمدتا به جای اتلاف منتقل می شود.

به این ترتیب در هنگام شارژ باتری B که ابتدا به ولتاژ 100 درصد می رسد به A و C تخلیه می شود و سه باتری با هم کاملا شارژ می شوند.در حین تخلیه، زمانی که شارژ باقیمانده باتری B خیلی کم است، A و C B را "شارژ" می کنند، به طوری که سلول B به آستانه SOC برای توقف تخلیه به این سرعت نمی رسد.

ویژگی های اصلی فناوری متعادل کننده فعال

(1) تعادل ولتاژ بالا و پایین را برای بهبود کارایی بسته باتری: در طول شارژ و تخلیه و در حالت استراحت، باتری های ولتاژ بالا را می توان تخلیه کرد و باتری های ولتاژ پایین را می توان شارژ کرد.

(2) انتقال انرژی کم تلفات: انرژی عمدتاً به جای از دست دادن ساده منتقل می شود و کارایی استفاده از توان را بهبود می بخشد.

(3) جریان تعادل بزرگ: به طور کلی، جریان تعادل بین 1 و 10A است، و تعادل سریعتر است.

یکسان سازی فعال نیاز به پیکربندی مدارهای مربوطه و دستگاه های ذخیره انرژی دارد که منجر به حجم زیاد و افزایش هزینه می شود.این دو شرط با هم مشخص می کنند که ارتقاء و اعمال تساوی فعال آسان نیست.

علاوه بر این، فرآیند شارژ و دشارژ یکسان سازی فعال به طور ضمنی عمر چرخه باتری را افزایش می دهد.برای سلول هایی که برای رسیدن به تعادل نیاز به شارژ و دشارژ دارند، بار کاری اضافی ممکن است باعث شود که آنها از پیری سلول های معمولی فراتر بروند و در نتیجه شکاف عملکردی بیشتری با سلول های دیگر ایجاد کنند.

برخی از کارشناسان معتقدند که دو عبارت فوق باید با تعادل اتلاف کننده و تعادل غیراستهلاک مطابقت داشته باشند.فعال یا غیرفعال بودن آن باید به رویدادی بستگی داشته باشد که فرآیند تعادل را آغاز می کند.اگر سیستم به حالتی برسد که باید منفعل باشد، منفعل است.اگر توسط انسان تنظیم شده باشد، تنظیم برنامه تعادل در مواقعی که لازم نیست متعادل باشد، تعادل فعال نامیده می شود.

به عنوان مثال، هنگامی که دشارژ در پایان است، کمترین سلول ولتاژ به ولتاژ قطع تخلیه رسیده است، در حالی که سلول های دیگر هنوز برق دارند.در این زمان، سیستم برای تخلیه هر چه بیشتر الکتریسیته، الکتریسیته سلول‌های پرانرژی را به سلول‌های کم‌انرژی منتقل می‌کند و اجازه می‌دهد تا فرآیند تخلیه ادامه یابد تا تمام نیرو تخلیه شود.این یک فرآیند یکسان سازی غیرفعال است.اگر سیستم پیش‌بینی کند که در پایان تخلیه زمانی که هنوز 40 درصد نیرو باقی مانده است، عدم تعادل وجود خواهد داشت، یک فرآیند یکسان سازی فعال را آغاز می‌کند.

یکسان سازی فعال به دو روش متمرکز و غیرمتمرکز تقسیم می شود.روش یکسان سازی متمرکز انرژی را از کل بسته باتری دریافت می کند و سپس از یک دستگاه تبدیل انرژی برای تکمیل انرژی باتری ها با انرژی کمتر استفاده می کند.یکسان سازی غیرمتمرکز شامل یک پیوند ذخیره انرژی بین باتری های مجاور است که می تواند یک سلف یا خازن باشد و به انرژی اجازه می دهد بین باتری های مجاور جریان یابد.

در استراتژی کنترل تعادل فعلی، کسانی هستند که ولتاژ سلول را به عنوان پارامتر هدف کنترلی در نظر می گیرند، و همچنین کسانی هستند که استفاده از SOC را به عنوان پارامتر هدف کنترل تعادل پیشنهاد می کنند.ولتاژ سلول را به عنوان مثال در نظر بگیرید.

ابتدا یک جفت مقدار آستانه را برای شروع و پایان یکسان سازی تنظیم کنید: به عنوان مثال، در مجموعه ای از باتری ها، زمانی که اختلاف بین ولتاژ شدید یک سلول واحد و ولتاژ متوسط ​​مجموعه به 50 میلی ولت می رسد، یکسان سازی آغاز می شود و زمانی که به 5 میلی ولت می رسد، یکسان سازی به پایان می رسد.

BMS ولتاژ هر سلول را طبق یک چرخه جذب ثابت جمع آوری می کند، مقدار متوسط ​​را محاسبه می کند و سپس تفاوت بین ولتاژ هر سلول و مقدار متوسط ​​را محاسبه می کند.

اگر حداکثر اختلاف به 50 میلی ولت برسد، BMS باید فرآیند یکسان سازی را شروع کند.

مرحله 2 را در طول فرآیند یکسان سازی ادامه دهید تا مقادیر اختلاف همه کمتر از 5 میلی ولت باشد و سپس تساوی را پایان دهید.

لازم به ذکر است که همه BMS ها به این مرحله نیاز ندارند و استراتژی های بعدی ممکن است بسته به روش تعادل متفاوت باشد.

فناوری تعادل نیز به نوع باتری مربوط می شود.به طور کلی اعتقاد بر این است که LFP برای تعادل فعال مناسب تر است، در حالی که باتری های سه تایی برای تعادل غیرفعال مناسب هستند.

مرحله رقابت شدید در BMS عمدتاً توسط هزینه و قابلیت اطمینان پشتیبانی می شود.در حال حاضر، تأیید تجربی تعادل فعال هنوز به دست نیامده است.انتظار می رود سطح ایمنی عملکردی به سمت ASIL-C و ASIL-D حرکت کند، اما هزینه آن بسیار بالا است.بنابراین، شرکت های بزرگ کنونی در مورد تحقیقات متعادل کننده فعال محتاط هستند.برخی از کارخانه‌های بزرگ حتی می‌خواهند ماژول تعادل را لغو کنند و همه متعادل‌سازی‌ها را به صورت خارجی انجام دهند، مشابه تعمیر و نگهداری خودروهای سوخت‌رسان.هر بار که وسیله نقلیه مسافت مشخصی را طی می کند، برای بالانس خارجی به فروشگاه 4S می رود.این امر هزینه کل BMS خودرو را کاهش می دهد و همچنین به نفع فروشگاه 4S مربوطه خواهد بود.این یک وضعیت برد-برد برای همه طرف ها است.بنابراین، شخصاً می‌دانم که این ممکن است تبدیل به یک روند شود!

3.3 حفاظت - تشخیص خطا و هشدار

مانیتورینگ BMS با سخت افزار سیستم الکتریکی مطابقت دارد و با توجه به شرایط عملکرد متفاوت باتری به سطوح مختلف خرابی (شکست جزئی، خرابی جدی، شکست کشنده) تقسیم می شود.اقدامات کنترلی مختلفی در سطوح مختلف خرابی انجام می شود: هشدار، محدودیت برق یا قطع مستقیم ولتاژ بالا.خرابی‌ها شامل خرابی‌های جمع‌آوری داده و عقلانیت، خرابی‌های الکتریکی (حسگرها و محرک‌ها)، خرابی‌های ارتباطی و خرابی وضعیت باتری است.

یک مثال رایج این است که وقتی باتری بیش از حد گرم می شود، BMS بر اساس دمای باتری جمع آوری شده، تعیین می کند که باتری بیش از حد گرم می شود، سپس مدار این باتری را برای قطع شدن کنترل می کند، حفاظت از گرمای بیش از حد را انجام می دهد و هشداری را به سیستم های مدیریتی مانند EMS ارسال می کند.

3.4 ارتباطات

عملکرد عادی BMS را نمی توان از عملکرد ارتباطی آن جدا کرد.خواه کنترل باتری در حین مدیریت باتری، انتقال وضعیت باتری به دنیای خارج یا دریافت دستورالعمل های کنترلی باشد، ارتباط پایدار مورد نیاز است.

در سیستم باتری قدرت، یک سر BMS به باتری و سر دیگر به کنترل و سیستم های الکترونیکی کل خودرو متصل است.محیط کلی از پروتکل CAN استفاده می کند، اما بین استفاده از CAN داخلی بین اجزای داخلی بسته باتری و استفاده از CAN خودرو بین بسته باتری و کل وسیله نقلیه تفاوت وجود دارد.

در مقابل، BMS ذخیره‌سازی انرژی و ارتباطات داخلی اساساً از پروتکل CAN استفاده می‌کنند، اما ارتباطات خارجی آن (خارجی عمدتاً به سیستم توزیع نیروگاه ذخیره انرژی اشاره دارد) اغلب از فرمت‌های پروتکل اینترنت پروتکل TCP/IP و پروتکل modbus استفاده می‌کند.

4) ذخیره انرژی BMS

سازندگان BMS ذخیره انرژی عموماً از BMS باتری های قدرت تکامل یافته اند، بنابراین بسیاری از طرح ها و اصطلاحات منشأ تاریخی دارند

به عنوان مثال، باتری قدرت به طور کلی به BMU (واحد نظارت باتری) و BCU (واحد کنترل باتری) تقسیم می شود که اولی داده ها را جمع آوری می کند و دومی آن را کنترل می کند.

از آنجایی که سلول باتری یک فرآیند الکتروشیمیایی است، چندین سلول باتری یک باتری را تشکیل می دهند.با توجه به ویژگی های هر سلول باتری، مهم نیست که فرآیند ساخت چقدر دقیق باشد، به مرور زمان و بسته به محیط، در هر سلول باتری خطا و ناهماهنگی وجود خواهد داشت.بنابراین، سیستم مدیریت باتری این است که وضعیت فعلی باتری را از طریق پارامترهای محدود ارزیابی کند، که کمی شبیه یک پزشک طب سنتی چینی است که بیمار را با مشاهده علائم تشخیص می دهد، نه پزشکی غربی که نیاز به تجزیه و تحلیل فیزیکی و شیمیایی دارد.تجزیه و تحلیل فیزیکی و شیمیایی بدن انسان مشابه ویژگی های الکتروشیمیایی باتری است که می تواند توسط ابزارهای آزمایشی در مقیاس بزرگ اندازه گیری شود.با این حال، ارزیابی برخی از شاخص های الکتروشیمی برای سیستم های تعبیه شده دشوار است.بنابراین، BMS مانند یک پزشک قدیمی طب چینی است.

4.1 معماری سه لایه ذخیره انرژی BMS

با توجه به تعداد زیاد سلول های باتری در سیستم های ذخیره انرژی، به منظور صرفه جویی در هزینه ها، BMS به طور کلی به صورت لایه ای دو یا سه لایه پیاده سازی می شود.در حال حاضر، جریان اصلی سه لایه است: کنترل اصلی / کنترل اصلی / کنترل برده.

4.2 شرح مفصل BMS ذخیره انرژی

5) وضعیت فعلی و روند آینده

چندین نوع سازنده وجود دارد که BMS تولید می کنند:

دسته اول، کاربر نهایی با بیشترین قدرت در باتری برق BMS - کارخانه های خودروسازی است.در واقع قوی ترین نقطه قوت ساخت BMS در خارج از کشور نیز کارخانه های خودروسازی هستند مانند جنرال موتورز، تسلا و ... در داخل BYD، Huating Power و ... هستند.

دسته دوم کارخانه های باتری، از جمله تولید کنندگان سلول و تولید کنندگان بسته، مانند سامسونگ، Ningde Times، Xinwangda، Desay Battery، Topband Co.، Ltd.، Beijing Purrad و غیره هستند.

نوع سوم تولیدکنندگان BMS آنهایی هستند که سالها تجربه در فناوری الکترونیک قدرت دارند و دارای تیم های تحقیق و توسعه با سوابق دانشگاهی یا سازمانی مرتبط هستند، مانند Eternal Electronics، Hangzhou Gaote Electronics، Xie Neng Technology، و Kegong Electronics.

برخلاف BMS باتری‌های قدرت که عمدتاً تحت سلطه سازندگان خودروهای پایانه‌ای است، به نظر می‌رسد که مصرف‌کنندگان نهایی باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی نیاز یا اقدام خاصی برای مشارکت در تحقیق و توسعه و ساخت BMS ندارند.همچنین بعید است که آنها پول و انرژی زیادی را برای توسعه سیستم های مدیریت باتری در مقیاس بزرگ صرف کنند.بنابراین، می توان در نظر گرفت که صنعت BMS باتری ذخیره انرژی فاقد یک بازیگر مهم با مزایای مطلق است و فضای بزرگی برای توسعه و تخیل برای تولید کنندگان و فروشندگان باتری با تمرکز بر BMS ذخیره انرژی باقی می گذارد.اگر بازار ذخیره انرژی ایجاد شود، به تولیدکنندگان باتری و سازندگان حرفه ای BMS فضای زیادی برای توسعه و مقاومت رقابتی کمتری می دهد.

در حال حاضر، تولیدکنندگان حرفه ای BMS نسبتا کمی هستند که بر روی توسعه BMS ذخیره انرژی متمرکز شده اند، عمدتاً به این دلیل که بازار ذخیره انرژی هنوز در مراحل ابتدایی خود است و هنوز تردیدهای زیادی در مورد توسعه آینده ذخیره انرژی در بازار وجود دارد.بنابراین، اکثر تولید کنندگان BMS مربوط به ذخیره انرژی را توسعه نداده اند.در محیط تجاری واقعی، تولیدکنندگانی نیز وجود دارند که BMS باتری خودروهای الکتریکی را برای استفاده به عنوان BMS برای باتری‌های ذخیره انرژی خریداری می‌کنند.اعتقاد بر این است که در آینده، سازندگان حرفه ای BMS خودروهای الکتریکی نیز احتمالاً به بخش مهمی از تامین کنندگان BMS مورد استفاده در پروژه های ذخیره سازی انرژی در مقیاس بزرگ تبدیل خواهند شد.

در این مرحله، فقدان استانداردهای یکنواخت برای BMS ارائه شده توسط تامین کنندگان مختلف سیستم های ذخیره انرژی وجود دارد.سازندگان مختلف طرح‌ها و تعاریف متفاوتی برای BMS دارند و بسته به باتری‌های متفاوتی که با آن‌ها سازگار هستند، الگوریتم SOX، فناوری یکسان سازی و محتوای داده‌های ارتباطی آپلود شده نیز ممکن است متفاوت باشد.در کاربرد عملی BMS، چنین تفاوت هایی هزینه های کاربرد را افزایش داده و برای توسعه صنعتی مضر خواهد بود.بنابراین، استانداردسازی و مدولارسازی BMS نیز یک جهت توسعه مهم در آینده خواهد بود.