Akunhallintajärjestelmän BMS-tiedot ja toiminnot, esittely

BMS:n koko nimi on Battery Management System.Se on laite, joka valvoo energiaa varastoivien akkujen tilaa.Sitä käytetään pääasiassa yksittäisten akkukennojen älykkääseen hallintaan ja ylläpitoon, akkujen ylilataamisen ja ylipurkautumisen estämiseen, akun käyttöiän pidentämiseen ja akun tilan seurantaan.Yleensä BMS esitetään piirilevynä tai laitteistokotelona.

 

BMS on yksi akkuenergian varastointijärjestelmän ydinalijärjestelmistä, jonka tehtävänä on seurata kunkin akun toimintatilaa akkuenergian varastointiyksikössä ja varmistaa energian varastointiyksikön turvallinen ja luotettava toiminta.BMS voi seurata ja kerätä energiaa varastoivan akun tilaparametreja reaaliajassa (mukaan lukien, mutta ei rajoittuen, yksikennon jännite, akun napojen lämpötila, akkusilmukkavirta, akun napajännite, akkujärjestelmän eristysvastus jne.) suorittaa tarvittavat analyysit ja laskelmat asiaankuuluville tilaparametreille saadaksesi lisää järjestelmän tilan arviointiparametreja.Se voi myös saavuttaa tehokkaan hallinnan itse energiavarastossa erityisten suojaushallintastrategioiden mukaisesti varmistaakseen koko akun energian varastointiyksikön turvallisen ja luotettavan toiminnan.Samanaikaisesti BMS voi olla vuorovaikutuksessa muiden ulkoisten laitteiden (PCS, EMS, paloturvallisuusjärjestelmä jne.) kanssa oman kommunikaatiorajapinnansa ja analogisen/digitaalisen tuloliitännän kautta muodostaen eri alijärjestelmien linkitysohjauksen koko energian varastointitehossa. asema, joka varmistaa voimalaitoksen turvallisen, luotettavan ja tehokkaan verkkoon kytketyn toiminnan.

2) Arkkitehtuuri

Topologia-arkkitehtuurin näkökulmasta BMS on jaettu kahteen kategoriaan: keskitettyyn ja hajautettuun eri projektivaatimusten mukaan.

 

Keskitetty BMS

Yksinkertaisesti sanottuna keskitetty BMS käyttää yhtä BMS-laitteistoa kaikkien solujen keräämiseen, mikä sopii skenaarioihin, joissa on vähän soluja.

Keskitetyn BMS:n etuna on alhainen hinta, kompakti rakenne ja korkea luotettavuus, ja sitä käytetään yleisesti skenaarioissa, joissa kapasiteetti, alhainen kokonaispaine ja pieni akkujärjestelmän tilavuus, kuten sähkötyökalut, robotit (käsittelyrobotit, avustavat robotit), IOT-älykodit (lakaisurobotit, sähköiset pölynimurit), sähkötrukit, sähkökäyttöiset hidasajoneuvot (sähköpyörät, sähkömoottoripyörät, sähköiset kiertoajeluautot, sähköiset partioautot, sähköiset golfkärryt jne.) ja kevyet hybridiajoneuvot.

Keskitetty BMS-laitteisto voidaan jakaa korkea- ja pienjännitealueisiin.Korkeajännitealue on vastuussa yhden kennojännitteen, järjestelmän kokonaisjännitteen keräämisestä ja eristysvastuksen valvonnasta.Pienjännitealue sisältää tehonsyöttöpiirit, CPU-piirit, CAN-tietoliikennepiirit, ohjauspiirit ja niin edelleen.

Henkilöajoneuvojen tehoakkujärjestelmän kehittyessä edelleen kohti suurta kapasiteettia, korkeaa kokonaispainetta ja suurta volyymiä, hajautettuja BMS-arkkitehtuureja käytetään pääasiassa ladattavissa hybridi- ja puhtaasti sähköautomalleissa.

Jaettu BMS

Tällä hetkellä hajautetulle BMS:lle on alalla erilaisia ​​termejä, ja eri yrityksillä on eri nimiä.Virta-akun BMS:llä on enimmäkseen kaksitasoinen master-slave-arkkitehtuuri:

 

Energian varastointijärjestelmä on yleensä kolmiportainen arkkitehtuuri akun suuren koon vuoksi, ja pääohjauskerros on orja- ja pääohjauskerroksen yläpuolella.

Aivan kuten akut muodostavat akkuklustereita, jotka vuorostaan ​​muodostavat pinoja, myös kolmikerroksinen BMS noudattaa samaa ylöspäin suuntautuvaa sääntöä:

Ohjauksesta: akunhallintayksikkö (BMU), joka kerää tietoja yksittäisistä akuista.

Tarkkaile akkukennon jännitettä ja lämpötilaa

Akun tasaus pakkauksessa

Tietojen lataus

lämmönhallinta

Epänormaali hälytys

Pääohjaus: Akkuklusterin hallintayksikkö: BCU (akkuklusteriyksikkö, joka tunnetaan myös nimellä korkeajännitehallintayksikkö HVU, BCMU jne.), joka vastaa BMU-tietojen keräämisestä ja akkuklusteritietojen keräämisestä.

Akkuklusterin virranotto, kokonaisjännitteen hankinta, vuodon havaitseminen

Virransuojaus, kun akun tila on epänormaali

BMS:n hallinnassa kapasiteetin kalibrointi ja SOC-kalibrointi voidaan suorittaa erikseen pohjaksi myöhempään lataus- ja purkuhallintaan

Akkumatriisin hallintayksikkö (BAU) vastaa akkujen keskitetystä hallinnasta koko energiavarastoakkupinossa.Se muodostaa yhteyden useisiin akkuklusterin hallintayksiköihin ja vaihtaa tietoja muiden laitteiden kanssa antaakseen palautetta akkuryhmän toimintatilasta.

Akkujärjestelmän latauksen ja purkamisen hallinta

BMS-järjestelmän itsetarkistus ja vikadiagnostiikkahälytys

Akun vianmäärityshälytys

Suojaus akkujärjestelmän erilaisiin poikkeavuuksiin ja vioihin

Kommunikoi muiden laitteiden, kuten PCS:n ja EMS:n, kanssa

Tiedon tallennus, siirto ja käsittely

Akun hallintakerros: vastaa yksittäisten akkujen erilaisten tietojen (jännite, lämpötila) keräämisestä, akkujen SOC- ja SOH-arvojen laskemisesta ja analysoinnista, yksittäisten akkujen aktiivisen tasauksen saavuttamisesta ja yksittäisten akkujen epänormaalin tiedon lataamisesta akkuyksikkökerrokseen BCMU.Ulkoisen CAN-viestinnän kautta se on yhdistetty toisiinsa ketjun kautta.

Akunhallintakerros: vastaa erilaisten tietojen keräämisestä yksittäisistä BMU:n lataamista akuista, erilaisten tietojen keräämisestä akusta (akun jännite, akun lämpötila), akun lataus- ja purkausvirroista, akun SOC- ja SOH-arvojen laskemisesta ja analysoinnista. ja lataa kaikki tiedot akkuklusteriyksikkökerrokseen BAMS.Ulkoisen CAN-viestinnän kautta se on yhdistetty toisiinsa ketjun kautta.

Akkuklusterin hallintakerros: vastaa erilaisten BCMU:n lataamien akkutietojen keräämisestä ja kaiken tiedon lataamisesta energian varastoinnin valvontaan EMS-järjestelmään RJ45-liitännän kautta;kommunikointi PCS:n kanssa lähettääkseen asiaankuuluvat epänormaalit tiedot akusta PCS:lle (CAN- tai RS485-liitäntä) ja varustettu laitteiston kuivasolmuilla kommunikoidakseen PCS:n kanssa.Lisäksi se suorittaa akkujärjestelmän BSE (Battery State Estimate) arvioinnin, sähköjärjestelmän tilan havaitsemisen, kontaktorin hallinnan, lämmönhallinnan, toiminnanhallinnan, latauksen hallinnan, diagnostiikan hallinnan sekä sisäisen ja ulkoisen tietoliikenneverkon hallinnan.Kommunikoi alaistensa kanssa CAN:n kautta.

3) Mitä BMS tekee?

BMS:n toimintoja on lukuisia, mutta ydin ja se, mistä olemme eniten huolissamme, ovat kolme näkökohtaa:

Yksi on tunnistus (tilanhallinta), joka on BMS:n perustoiminto.Se mittaa jännitettä, resistanssia, lämpötilaa ja lopulta tunnistaa akun tilan.Haluamme tietää, mikä on akun tila, kuinka paljon energiaa ja kapasiteettia siinä on, kuinka terve se on, kuinka paljon tehoa se tuottaa ja kuinka turvallinen se on.Tämä on aistimista.

Toinen on hallinta (tasehallinta).Jotkut sanovat, että BMS on akun lastenhoitaja.Sitten tämän lastenhoitajan pitäisi hoitaa se.Mitä hallita?Tarkoituksena on tehdä akusta mahdollisimman hyvä.Perustason hallinta on tasapainonhallinta ja lämmönhallinta.

Kolmas on suoja (turvallisuuden hallinta).Myös lastenhoitajalla on työtä.Jos akulla on jokin tila, se on suojattava ja hälytys on tehtävä.

Tietenkin on myös viestintähallintakomponentti, joka siirtää tietoja järjestelmän sisällä tai sen ulkopuolelle tiettyjen protokollien kautta.

BMS:llä on monia muita toimintoja, kuten toiminnanohjaus, eristysvalvonta, lämmönhallinta jne., joita ei käsitellä tässä.

 

3.1 Havainto – mittaaminen ja estimointi

BMS:n perustehtävä on mitata ja arvioida akun parametreja, mukaan lukien perusparametrit, kuten jännite, virta, lämpötila ja tila, sekä akun tilatietojen, kuten SOC ja SOH, laskelmat.Tehoakkujen alaan kuuluu myös SOP (state of power) ja SOE (state of energy) laskelmia, joita ei käsitellä tässä.Keskitymme kahteen ensimmäiseen laajemmin käytettyyn dataan.

Solun mittaus

1) Perustiedon mittaus: Akunhallintajärjestelmän perustehtävä on mitata yksittäisten akkukennojen jännite, virta ja lämpötila, mikä on perusta kaikille akunhallintajärjestelmän huipputason laskelmille ja ohjauslogiikalle.

2) Eristysresistanssitestaus: Eristystestaus vaaditaan koko akkujärjestelmälle ja akunhallintajärjestelmän suurjännitejärjestelmälle.

3) High Voltage Interlock Detection (HVIL): käytetään varmistamaan koko suurjännitejärjestelmän eheys ja käynnistämään turvatoimenpiteet, kun suurjännitejärjestelmän silmukan eheys vaarantuu.

SOC-laskenta

SOC tarkoittaa lataustilaa, joka on akun jäljellä oleva kapasiteetti.Yksinkertaisesti sanottuna se kertoo kuinka paljon virtaa on jäljellä akussa.

SOC on BMS:n tärkein parametri, sillä kaikki muukin perustuu siihen.Siksi sen tarkkuus ja kestävyys (tunnetaan myös virheenkorjauskyvynä) ovat erittäin tärkeitä.Ilman tarkkaa SOC:ta mikään suojatoiminto ei saa BMS:ää toimimaan kunnolla, koska akku on usein suojatussa tilassa, jolloin akun käyttöiän pidentäminen on mahdotonta.

Tällä hetkellä valtavirran SOC-estimointimenetelmiä ovat avoimen piirin jännitemenetelmä, virran integrointimenetelmä, Kalman-suodatinmenetelmä ja hermoverkkomenetelmä.Kaksi ensimmäistä menetelmää ovat yleisesti käytössä.Kaksi jälkimmäistä menetelmää sisältävät edistynyttä tietämystä, kuten integraatiomalleja ja tekoälyä, joita ei käsitellä tässä.

Käytännön sovelluksissa käytetään usein useita algoritmeja yhdessä, ja erilaisia ​​algoritmeja omaksutaan riippuen akun lataus- ja purkutilasta.

avoimen piirin jännitemenetelmä

Avopiirin jännitemenetelmän periaate on käyttää suhteellisen kiinteää toiminnallista suhdetta avoimen piirin jännitteen ja SOC:n välillä akun pitkäaikaisen staattisen sijoituksen ehdoissa ja siten arvioida SOC avoimen piirin jännitteen perusteella.Aiemmin yleisesti käytetty lyijyakkusähköpyörä käyttää tätä menetelmää SOC:n arvioimiseen.Avoimen piirin jännitemenetelmä on yksinkertainen ja kätevä, mutta siinä on myös monia haittoja:

1. Akku on jätettävä seisomaan pitkäksi aikaa, muuten avoimen piirin jännitettä on vaikea stabiloida lyhyessä ajassa;

2. Akuissa, erityisesti litiumrautafosfaattiakuissa, on jännitetasanne, jossa napajännite ja SOC-käyrä ovat suunnilleen lineaarisia SOC30-80% alueella;

3. Akku on eri lämpötiloissa tai eri käyttöiän vaiheissa, ja vaikka avoimen piirin jännite on sama, todellinen SOC-ero voi olla suuri;

Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, kun käytämme tätä sähköpyörää, jos nykyinen SOC näytetään 100 %:na, jännite laskee kiihdytettäessä ja teho voidaan näyttää 80 %:na.Kun lopetamme kiihtymisen, jännite nousee ja teho hyppää takaisin 100 prosenttiin.Joten sähköskootterimme tehonäyttö ei ole tarkka.Kun pysähdymme, siinä on virtaa, mutta kun lähdemme liikkeelle, se loppuu.Tämä ei ehkä ole ongelma akussa, vaan se voi johtua siitä, että BMS:n SoC-algoritmi on liian yksinkertainen.

An-Shi integraalinen menetelmä

Anshicontinuous-integrointimenetelmä laskee SOC-arvon suoraan reaaliajassa SOC:n määritelmän kautta.

Kun otetaan huomioon alkuperäinen SOC-arvo, niin kauan kuin akun virta voidaan mitata (kun purkausvirta on positiivinen), akun kapasiteetin muutos voidaan laskea tarkasti virran integroinnin avulla, mikä johtaa jäljellä olevaan SOC:hen.

Tällä menetelmällä on suhteellisen luotettavat estimointitulokset lyhyessä ajassa, mutta virta-anturin mittausvirheiden ja akun kapasiteetin asteittaisen heikkenemisen vuoksi pitkäaikainen virran integrointi aiheuttaa tiettyjä poikkeamia.Siksi sitä käytetään yleisesti avoimen piirin jännitemenetelmän yhteydessä SOC-estimoinin alkuarvon arvioimiseen alhaisilla tarkkuusvaatimuksilla, ja sitä voidaan käyttää myös Kalmanin suodatusmenetelmän kanssa lyhytaikaiseen SOC-ennustukseen.

SOC (State Of Charge) kuuluu BMS:n ydinohjausalgoritmiin ja edustaa nykyistä jäljellä olevan kapasiteetin tilaa.Se saavutetaan pääasiassa ampeerituntiintegrointimenetelmällä ja EKF (Extended Kalman Filter) -algoritmilla yhdistettynä korjausstrategioihin (kuten avoimen piirin jännitteen korjaus, täyden latauksen korjaus, latauspään korjaus, kapasiteetin korjaus eri lämpötiloissa ja SOH, jne.).Ampeerituntiintegrointimenetelmä on suhteellisen luotettava sillä edellytyksellä, että varmistetaan virranoton tarkkuus, mutta se ei ole kestävä.Virheiden kertymisen vuoksi se on yhdistettävä korjausstrategioihin.EKF-menetelmä on vankka, mutta algoritmi on suhteellisen monimutkainen ja vaikea toteuttaa.Kotimaiset valtavirran valmistajat voivat saavuttaa alle 6 %:n tarkkuuden huoneenlämmössä, mutta korkeissa ja matalissa lämpötiloissa ja akun vaimennuksen arvioiminen on vaikeaa.

SOC-korjaus

Nykyisten vaihteluiden vuoksi arvioitu SOC voi olla epätarkka, ja erilaisia ​​korjausstrategioita on sisällytettävä estimointiprosessiin.

 

SOH-laskenta

SOH viittaa terveydentilaan, joka ilmaisee akun nykyisen terveydentilan (tai akun heikkenemisasteen).Se esitetään tyypillisesti arvona 0–100 %, ja alle 80 %:n arvojen katsotaan yleensä osoittavan, että akku ei ole enää käyttökelpoinen.Sitä voidaan edustaa akun kapasiteetin tai sisäisen resistanssin muutoksilla.Kapasiteettia käytettäessä nykyisen akun todellinen kapasiteetti arvioidaan akun käyttöprosessin tietojen perusteella ja tämän suhde nimelliskapasiteettiin on SOH.Tarkka SOH parantaa muiden moduulien estimointitarkkuutta akun heikentyessä.

Alalla on kaksi erilaista SOH:n määritelmää:

SOH-määritelmä perustuu kapasiteetin häipymiseen

Litiumioniakkuja käytettäessä akun sisällä oleva aktiivinen materiaali vähenee vähitellen, sisäinen vastus kasvaa ja kapasiteetti heikkenee.Siksi SOH voidaan arvioida akun kapasiteetin perusteella.Akun kunto ilmaistaan ​​nykyisen kapasiteetin ja alkuperäisen kapasiteetin suhteena, ja sen SOH määritellään seuraavasti:

SOH=(C_standardi-C_häivytys)/C_standardi × 100 %

Missä: C_fade on akun menetetty kapasiteetti;C_standard on nimelliskapasiteetti.

IEEE-standardi 1188-1996 edellyttää, että kun tehoakun kapasiteetti laskee 80 prosenttiin, akku on vaihdettava.Siksi katsomme yleensä, että akku SOH ei ole käytettävissä, kun se on alle 80%.

SOH-määritelmä tehonvaimennuksen perusteella (Power Fade)

Lähes kaikentyyppisten akkujen ikääntyminen johtaa akun sisäisen vastuksen lisääntymiseen.Mitä suurempi akun sisäinen vastus on, sitä pienempi on käytettävissä oleva teho.Siksi SOH voidaan arvioida tehon vaimennuksen avulla.

3.2 Hallinto – tasapainoinen teknologia

Jokaisella akulla on oma "persoonallisuutensa"

Puhuaksemme tasapainosta meidän on aloitettava akuista.Jopa saman valmistajan samassa erässä valmistamilla akuilla on omat elinkaarensa ja "persoonallisuutensa" – jokaisen akun kapasiteetti ei voi olla täysin sama.Tälle epäjohdonmukaisuudelle on kaksi syytä:

Yksi on solutuotannon epäjohdonmukaisuus

Yksi on sähkökemiallisten reaktioiden epäjohdonmukaisuus.

tuotannon epäjohdonmukaisuus

Tuotannon epäjohdonmukaisuudet on helppo ymmärtää.Esimerkiksi tuotantoprosessin aikana kalvon epäjohdonmukaisuudet sekä katodi- ja anodimateriaalien epäjohdonmukaisuudet voivat johtaa akun kapasiteetin yleisiin epäjohdonmukaisuuksiin.Tavallinen 50 AH akku voi olla 49 AH tai 51 AH.

sähkökemiallinen epäjohdonmukaisuus

Sähkökemian epäjohdonmukaisuus on se, että akun lataus- ja purkuprosessissa, vaikka kahden kennon tuotanto ja käsittely olisivat identtisiä, lämpöympäristö ei voi koskaan olla johdonmukainen sähkökemiallisen reaktion prosessissa.Esimerkiksi akkumoduuleita valmistettaessa ympäröivän renkaan lämpötilan on oltava alhaisempi kuin keskiosan lämpötila.Tämä johtaa pitkäaikaiseen epäjohdonmukaisuuteen lataus- ja purkumäärien välillä, mikä puolestaan ​​johtaa epäjohdonmukaiseen akkukennokapasiteettiin;Kun akkukennon SEI-kalvon lataus- ja purkausvirrat ovat epäyhtenäisiä pitkän aikaa, myös SEI-kalvon ikääntyminen on epäyhtenäistä.

*SEI-kalvo: "kiinteä elektrolyyttiliitäntä" (kiinteä elektrolyyttiliitäntä).Nestemäisen litiumioniakun ensimmäisen latauspurkausprosessin aikana elektrodimateriaali reagoi kiinteän ja nestemäisen faasin rajapinnalla olevan elektrolyytin kanssa muodostaen passivointikerroksen, joka peittää elektrodimateriaalin pinnan.SEI-kalvo on elektroninen eriste, mutta erinomainen litiumionien johde, joka ei ainoastaan ​​suojaa elektrodia, vaan ei myöskään vaikuta akun toimintaan.SEI-kalvon ikääntymisellä on merkittävä vaikutus akun terveyteen.

Siksi akkujen epätasaisuus (tai eristäytyminen) on väistämätön osoitus akkujen toiminnasta.

Miksi tasapainoa tarvitaan

Akut ovat erilaisia, joten miksi et yrittäisi tehdä niistä samanlaisia?Koska epäjohdonmukaisuus vaikuttaa akun suorituskykyyn.

Sarjassa oleva akkupaketti noudattaa short-barrel-ilmiötä: sarjassa akkupakkausjärjestelmässä koko akkujärjestelmän kapasiteetti määräytyy pienimmän yksittäisen yksikön mukaan.

Oletetaan, että meillä on akkupaketti, joka koostuu kolmesta akusta:

Tiedämme, että yli- ja ylilataus voivat vahingoittaa akkuja vakavasti.Siksi, kun akku B on ladattu täyteen latauksen aikana tai kun akun B SoC on erittäin alhainen purkamisen aikana, lataaminen ja purkaminen on lopetettava akun B suojelemiseksi. Tämän seurauksena akkujen A ja C tehoa ei voi saada täyteen. hyödynnetty.

Tämä johtaa:

Akun todellinen käyttökapasiteetti on vähentynyt: akut A ja C, jotka olisivat voineet käyttää käytettävissä olevan kapasiteetin, eivät nyt pysty tekemään sitä akun B vastaanottamiseksi. Se on kuin kaksi ihmistä kolmella jalalla sidottuina yhteen, pitempi henkilö, joka ei pysty ottamaan suuria askelia.

Lyhennetty akun käyttöikä: Pienempi askelpituus vaatii enemmän askelia ja väsyttää jalkoja enemmän.Kapasiteetin pienentyessä lataus- ja purkausjaksojen määrä lisääntyy, mikä johtaa akun heikkenemiseen.Esimerkiksi yksi kenno voi saavuttaa 4000 sykliä 100 % DoD:llä, mutta todellisessa käytössä se ei voi saavuttaa 100 %, eikä syklien määrä varmasti saavuta 4000:ta.

*DoD, purkaussyvyys, edustaa akun purkauskapasiteetin prosenttiosuutta akun nimelliskapasiteetista.

Akkujen epäjohdonmukaisuus johtaa akun suorituskyvyn heikkenemiseen.Kun akkumoduulin koko on suuri, useita akkujonoja kytketään sarjaan, ja suuri yksittäinen jännite-ero aiheuttaa koko laatikon kapasiteetin pienenemisen.Mitä enemmän akkuja on kytketty sarjaan, sitä enemmän ne menettävät kapasiteettia.Kuitenkin sovelluksissamme, erityisesti energian varastointijärjestelmäsovelluksissa, on kaksi tärkeää vaatimusta:

Ensimmäinen on pitkäikäinen akku, joka voi vähentää huomattavasti käyttö- ja ylläpitokustannuksia.Energian varastointijärjestelmällä on korkeat vaatimukset akun käyttöiän suhteen.Suurin osa kotimaisista on suunniteltu 15 vuodeksi.Jos oletetaan 300 sykliä vuodessa, 15 vuotta on 4500 sykliä, mikä on edelleen erittäin korkea.Meidän on maksimoitava jokaisen akun käyttöikä, jotta koko akun kokonaiskesto saavuttaa mahdollisimman paljon suunniteltua käyttöikää ja vähentää akun hajoamisen vaikutusta akun käyttöikään.

Toinen syvä sykli, erityisesti huippukuormituksen sovellusskenaariossa, yhden kWh:n lisää sähkön vapauttaminen tuo yhden pisteen lisää tuloja.Toisin sanoen teemme 80 % DoD tai 90 % DoD.Kun energian varastointijärjestelmässä käytetään syvää kiertoa, ilmenee akun hajaantumista hännänpurkauksen aikana.Siksi, jotta varmistetaan jokaisen yksittäisen kennon kapasiteetin täysi vapautuminen syvälatauksen ja syväpurkauksen olosuhteissa, on välttämätöntä edellyttää, että energian varastointijärjestelmällä on vahvat taajuuskorjauksen hallintaominaisuudet ja estettävä johdonmukaisuuden esiintyminen akkukennojen välillä. .

Nämä kaksi vaatimusta ovat täysin ristiriidassa akun epäjohdonmukaisuuden kanssa.Tehokkaiden akkusovellusten saavuttamiseksi meillä on oltava tehokkaampi tasapainotustekniikka akun epäjohdonmukaisuuden vähentämiseksi.

tasapainotekniikka

Paristojen tasaustekniikka on tapa tehdä eri kapasiteetin akut samanlaisiksi.On olemassa kaksi yleistä taajuuskorjausmenetelmää: energiahäviön yksisuuntainen tasaus (passiivinen taajuuskorjaus) ja energiansiirron kaksisuuntainen taajuuskorjaus (aktiivinen taajuuskorjaus).

(1) Passiivinen tasapaino

Passiivisen taajuuskorjauksen periaate on kytkeä päälle kytkettävä purkausvastus jokaisessa akkusarjassa.BMS ohjaa purkausvastusta purkamaan korkeajännitteiset kennot ja haihduttamaan sähköenergiaa lämpönä.Esimerkiksi kun akku B on lähes täysin ladattu, kytkin avataan, jotta akun B vastus voi haihduttaa ylimääräistä sähköenergiaa lämpönä.Sitten lataus jatkuu, kunnes myös akut A ja C ovat latautuneet täyteen.

Tämä menetelmä voi purkaa vain korkeajännitteisiä kennoja, eikä se voi ladata uudelleen pienikapasiteettisia kennoja.Purkausvastuksen tehorajoituksesta johtuen tasausvirta on yleensä pieni (alle 1A).

Passiivisen taajuuskorjauksen etuja ovat alhaiset kustannukset ja yksinkertainen piirisuunnittelu;Haittapuolena on, että se perustuu pienimpään jäljellä olevaan akun kapasiteettiin tasausta varten, mikä ei voi lisätä niiden akkujen kapasiteettia, joiden jäljellä oleva kapasiteetti on alhainen, ja että 100 % tasatusta tehosta menee hukkaan lämmön muodossa.

(2) Aktiivinen saldo

Algoritmien avulla useat akkujonot siirtävät korkeajännitteisten kennojen energiaa pienjännitekennoihin käyttämällä energiaa varastoivia komponentteja, purkamalla korkeajännitteisiä akkuja ja käyttämällä vapautuvaa energiaa matalajännitteisten kennojen lataamiseen.Energia pääasiassa siirretään, ei haihdutetaan.

Tällä tavalla latauksen aikana akku B, joka saavuttaa 100 % jännitteen ensin, purkautuu A:lle ja C:lle, ja kolme akkua latautuvat täyteen yhdessä.Purkauksen aikana, kun akun B jäljellä oleva varaus on liian alhainen, A ja C "lataavat" B:tä, jotta kenno B ei saavuta SOC-kynnystä purkautumisen pysäyttämiseksi niin nopeasti.

Aktiivisen tasapainotustekniikan pääominaisuudet

(1) Tasapainota korkea ja matala jännite akun tehokkuuden parantamiseksi: Latauksen ja purkamisen aikana sekä levossa korkeajänniteakut voidaan purkaa ja matalajännitteiset akut ladata;

(2) Pienihäviöinen energiansiirto: energiaa pääasiassa siirretään sen sijaan, että se yksinkertaisesti häviää, mikä parantaa tehonkäytön tehokkuutta;

(3) Suuri tasapainovirta: Yleensä tasapainovirta on välillä 1 - 10 A ja tasapaino on nopeampi;

Aktiivinen tasaus edellyttää vastaavien piirien ja energian varastointilaitteiden konfigurointia, mikä johtaa suureen volyymiin ja kustannusten nousuun.Nämä kaksi ehtoa yhdessä määräävät, että aktiivista tasaamista ei ole helppo edistää ja soveltaa.

Lisäksi aktiivinen tasauslataus- ja purkuprosessi pidentää implisiittisesti akun käyttöikää.Soluissa, jotka vaativat lataamista ja purkamista tasapainon saavuttamiseksi, lisätyökuormitus voi aiheuttaa sen, että ne ylittävät tavallisten kennojen ikääntymisen, mikä johtaa suurempaan suorituskykyeroon muihin kennoihin verrattuna.

Jotkut asiantuntijat uskovat, että kahden yllä olevan ilmaisun tulisi vastata dissipatiivista tasapainoa ja ei-dissipatiivista tasapainoa.Se, onko se aktiivinen vai passiivinen, riippuu tapahtumasta, joka laukaisee tasapainoprosessin.Jos järjestelmä saavuttaa tilan, jossa sen on oltava passiivinen, se on passiivinen.Jos ihmiset asettavat sen, tasapainoohjelman asettamista silloin, kun sen ei tarvitse olla tasapainossa, kutsutaan aktiiviseksi tasapainoksi.

Esimerkiksi kun purkaus on lopussa, alhaisimman jännitteen kenno on saavuttanut purkauskatkaisujännitteen, kun taas muissa kennoissa on edelleen virtaa.Tällä hetkellä, jotta mahdollisimman paljon sähköä voidaan purkaa, järjestelmä siirtää korkean energian kennojen sähkön matalaenergiakennoihin, jolloin purkausprosessi voi jatkua, kunnes kaikki teho on purettu.Tämä on passiivinen tasausprosessi.Jos järjestelmä ennustaa, että purkauksen lopussa on epätasapaino, kun tehoa on vielä jäljellä 40 %, se käynnistää aktiivisen tasausprosessin.

Aktiivinen tasaus on jaettu keskitettyyn ja hajautettuun menetelmään.Keskitetty tasausmenetelmä ottaa energiaa koko akusta ja käyttää sitten energianmuunnoslaitetta täydentämään akkujen energiaa pienemmällä energialla.Hajautettu taajuuskorjaus sisältää energian varastointilinkin viereisten akkujen välillä, joka voi olla induktori tai kondensaattori, jolloin energia pääsee virtaamaan viereisten akkujen välillä.

Nykyisessä tasapainonsäätöstrategiassa on niitä, jotka ottavat kennojännitteen ohjauskohdeparametriksi, ja on myös niitä, jotka ehdottavat SOC:n käyttöä tasapainosäädön kohdeparametriksi.Esimerkkinä kennojännite.

Aseta ensin kynnysarvopari taajuuskorjauksen aloittamista ja lopettamista varten: esimerkiksi akkusarjassa, kun yksittäisen kennon äärijännitteen ja joukon keskijännitteen välinen ero saavuttaa 50 mV, taajuuskorjaus käynnistyy ja kun se saavuttaa 5 mV, tasaus päättyy.

BMS kerää kunkin solun jännitteen kiinteän hankintajakson mukaisesti, laskee keskiarvon ja laskee sitten kunkin solujännitteen ja keskiarvon välisen eron;

Jos maksimiero saavuttaa 50 mV, BMS:n on aloitettava tasausprosessi;

Jatka vaihetta 2 tasausprosessin aikana, kunnes eroarvot ovat kaikki alle 5 mV, ja lopeta sitten tasaus.

On huomattava, että kaikki BMS:t eivät vaadi tätä vaihetta, ja seuraavat strategiat voivat vaihdella tasapainomenetelmän mukaan.

Tasapainotekniikka liittyy myös akun tyyppiin.Yleisesti uskotaan, että LFP soveltuu paremmin aktiiviseen tasapainotukseen, kun taas kolmiosaiset akut sopivat passiiviseen tasapainotukseen.

BMS:n tiukkaa kilpailua tukevat enimmäkseen kustannukset ja luotettavuus.Tällä hetkellä aktiivisen tasapainotuksen kokeellista todentamista ei ole vielä saavutettu.Toiminnallisen turvallisuuden tason odotetaan siirtyvän kohti ASIL-C:tä ja ASIL-D:tä, mutta hinta on melko korkea.Siksi nykyiset suuret yritykset ovat varovaisia ​​aktiivisen tasapainotustutkimuksen suhteen.Jotkut suuret tehtaat haluavat jopa peruuttaa tasapainotusmoduulin ja suorittaa kaikki tasapainotukset ulkoisesti, kuten polttoaineajoneuvojen huolto.Aina kun ajoneuvo kulkee tietyn matkan, se menee 4S-myymälään ulkoiseen tasapainotukseen.Tämä vähentää koko ajoneuvon BMS:n kustannuksia ja hyödyttää myös vastaavaa 4S-myymälää.Tilanne on kaikille osapuolille hyödyllinen.Siksi henkilökohtaisesti ymmärrän, että tästä voi tulla trendi!

3.3 Suojaus – vikadiagnoosi ja hälytys

BMS-valvonta on sovitettu sähköjärjestelmän laitteistoon ja se on jaettu eri vikatasoihin (pieni vika, vakava vika, kuolemaan johtava vika) akun eri suorituskykyolosuhteiden mukaan.Eri vikatasoilla tehdään erilaisia ​​käsittelytoimenpiteitä: varoitus, tehonrajoitus tai suora suurjännitteen katkaisu.Vikoja ovat tiedonkeruu- ja rationaalisuushäiriöt, sähköhäiriöt (anturit ja toimilaitteet), tietoliikennehäiriöt ja akun tilahäiriöt.

Yleinen esimerkki on, kun akku ylikuumenee, BMS määrittää akun ylikuumenemisen kerätyn akun lämpötilan perusteella, ohjaa sitten tämän akun virtapiirin irtikytkentää, suorittaa ylikuumenemissuojauksen ja lähettää hälytyksen hallintajärjestelmille, kuten EMS.

3.4 Viestintä

BMS:n normaalia toimintaa ei voida erottaa sen viestintätoiminnosta.Vaatii vakaata tiedonsiirtoa, olipa kyseessä sitten akun ohjaaminen akun hallinnan aikana, akun tilan välittäminen ulkomaailmalle tai ohjausohjeiden vastaanottaminen.

Tehoakkujärjestelmässä BMS:n toinen pää on kytketty akkuun ja toinen pää koko ajoneuvon ohjaus- ja elektroniikkajärjestelmiin.Yleinen ympäristö käyttää CAN-protokollaa, mutta sisäisen CAN:n käyttäminen akun sisäisten osien välillä ja ajoneuvon CAN:n käyttö akun ja koko ajoneuvon välillä on ero.

Sitä vastoin energian varastointijärjestelmässä ja sisäisessä viestinnässä käytetään periaatteessa CAN-protokollaa, mutta sen ulkoinen viestintä (ulkoinen viittaa lähinnä energiavarastovoimalaitoksen jakelujärjestelmään PCS) käyttää usein Internet-protokollaformaatteja TCP/IP-protokollaa ja modbus-protokollaa.

4) Energian varastointijärjestelmä

Energian varastointijärjestelmän valmistajat ovat yleensä kehittyneet tehoakkujen BMS:stä, joten monilla malleilla ja termeillä on historiallinen alkuperä

Esimerkiksi tehoakku on yleensä jaettu BMU:iin (Battery Monitor Unit) ja BCU:iin (Battery Control Unit), joista ensimmäinen kerää tietoa ja jälkimmäinen ohjaa sitä.

Koska akkukenno on sähkökemiallinen prosessi, useat akkukennot muodostavat akun.Jokaisen akkukennon ominaisuuksista johtuen, riippumatta siitä, kuinka tarkka valmistusprosessi on, jokaisessa akkukennossa tulee ajan mittaan ja ympäristöstä riippuen virheitä ja epäjohdonmukaisuuksia.Siksi akunhallintajärjestelmän tarkoituksena on arvioida akun nykytilaa rajoitetuilla parametreilla, mikä on vähän kuin perinteisen kiinalaisen lääketieteen lääkäri, joka diagnosoi potilaan oireita tarkkailemalla eikä länsimaista lääketiedettä, joka vaatii fyysistä ja kemiallista analyysiä.Ihmiskehon fysikaalinen ja kemiallinen analyysi on samanlainen kuin akun sähkökemialliset ominaisuudet, jotka voidaan mitata laajamittaisilla koeinstrumenteilla.Sulautettujen järjestelmien on kuitenkin vaikea arvioida joitain sähkökemian indikaattoreita.Siksi BMS on kuin vanha kiinalaisen lääketieteen lääkäri.

4.1 Energian varastointijärjestelmän kolmikerroksinen arkkitehtuuri

Koska energian varastointijärjestelmissä on paljon akkukennoja, BMS toteutetaan kustannussäästöjen vuoksi yleensä kerroksittain, kaksi tai kolme kerrosta.Tällä hetkellä valtavirta on kolme kerrosta: pääohjaus/isäntäohjaus/orjaohjaus.

4.2 Yksityiskohtainen kuvaus energian varastointijärjestelmästä

5) Nykytilanne ja tulevaisuuden trendi

BMS:ää valmistavia valmistajia on useita:

Ensimmäinen luokka on loppukäyttäjä, jolla on suurin teho akkujen BMS-autotehtaissa.Itse asiassa vahvin BMS-valmistuksen vahvuus ulkomailla on myös autotehtaat, kuten General Motors, Tesla jne. Kotimaassa on BYD, Huating Power jne.

Toinen luokka on akkutehtaat, mukaan lukien solujen valmistajat ja pakkausten valmistajat, kuten Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad jne.;

Kolmannen tyyppisiä BMS-valmistajia ovat ne, joilla on monen vuoden kokemus tehoelektroniikkatekniikasta ja joilla on T&K-tiimejä, joilla on yliopisto- tai vastaava yritystausta, kuten Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology ja Kegong Electronics.

Toisin kuin tehoakkujen BMS, jota pääosin pääteajoneuvojen valmistajat hallitsevat, näyttää siltä, ​​että energiaa varastoivien akkujen loppukäyttäjillä ei ole tarvetta tai erityisiä toimia osallistua BMS:n tutkimukseen ja kehittämiseen sekä valmistukseen.On myös epätodennäköistä, että he käyttävät paljon rahaa ja energiaa suurten akunhallintajärjestelmien kehittämiseen.Siksi voidaan katsoa, ​​että energiavarastojen BMS-teollisuudesta puuttuu tärkeä toimija, jolla on ehdottomia etuja, mikä jättää valtavasti tilaa kehitykselle ja mielikuvitukselle akkujen valmistajille ja myyjille, jotka keskittyvät energian varastointijärjestelmään.Jos energian varastointimarkkinat vakiintuvat, se antaa akkuvalmistajille ja ammattimaisille BMS-valmistajille paljon tilaa kehittyä ja vähentää kilpailun vastusta.

Tällä hetkellä energian varastointijärjestelmän kehittämiseen keskittyviä ammattimaisia ​​BMS-valmistajia on suhteellisen vähän, mikä johtuu pääasiassa siitä, että energian varastointimarkkinat ovat vielä lapsenkengissään ja energian varastoinnin tulevasta kehityksestä markkinoilla on edelleen paljon epäilyksiä.Siksi useimmat valmistajat eivät ole kehittäneet energian varastointiin liittyviä BMS-järjestelmiä.Varsinaisessa liiketoimintaympäristössä on myös valmistajia, jotka ostavat sähköajoneuvojen akkujen BMS:ää käytettäväksi energianvarastojen BMS:nä.Ammattimaisista sähköajoneuvojen BMS-valmistajista uskotaan tulevaisuudessa muodostuvan myös tärkeäksi osaksi suurissa energian varastointiprojekteissa käytettävien BMS-toimittajia.

Tässä vaiheessa eri energian varastointijärjestelmien toimittajilta puuttuvat yhtenäiset standardit BMS:lle.Eri valmistajilla on erilaiset mallit ja määritelmät BMS:lle, ja riippuen eri akuista, joiden kanssa ne ovat yhteensopivia, myös SOX-algoritmi, taajuuskorjaustekniikka ja lähetetty tietoliikennetietosisältö voivat vaihdella.BMS:n käytännön soveltamisessa tällaiset erot lisäävät sovelluskustannuksia ja ovat haitallisia teollisuuden kehitykselle.Siksi BMS:n standardointi ja modularisointi on myös tärkeä kehityssuunta tulevaisuudessa.