1) Cos'è il BMS?
Il nome completo del BMS è Battery Management System.È un dispositivo che monitora lo stato delle batterie di accumulo dell'energia.Viene utilizzato principalmente per la gestione e la manutenzione intelligente delle singole celle della batteria, prevenendo il sovraccarico e lo scaricamento eccessivo delle batterie, prolungando la durata della batteria e monitorando lo stato della batteria.Generalmente, il BMS è rappresentato come un circuito stampato o una scatola hardware.
Il BMS è uno dei sottosistemi principali del sistema di accumulo dell'energia della batteria, responsabile del monitoraggio dello stato operativo di ciascuna batteria nell'unità di accumulo dell'energia della batteria e di garantire il funzionamento sicuro e affidabile dell'unità di accumulo dell'energia.Il BMS può monitorare e raccogliere i parametri di stato della batteria di accumulo dell'energia in tempo reale (inclusi ma non limitati a tensione della singola cella, temperatura dei poli della batteria, corrente del circuito della batteria, tensione del terminale del pacco batteria, resistenza di isolamento del sistema batteria, ecc.) e eseguire l'analisi e il calcolo necessari sui parametri di stato rilevanti per ottenere più parametri di valutazione dello stato del sistema.Può anche ottenere un controllo efficace della batteria di accumulo dell'energia stessa secondo specifiche strategie di controllo della protezione per garantire il funzionamento sicuro e affidabile dell'intera unità di accumulo dell'energia della batteria.Allo stesso tempo, il BMS può interagire con altri dispositivi esterni (PCS, EMS, sistema di protezione antincendio, ecc.) attraverso la propria interfaccia di comunicazione e l'interfaccia di ingresso analogico/digitale per formare un controllo di collegamento di vari sottosistemi nell'intero sistema di accumulo dell'energia. centrale elettrica, garantendo il funzionamento sicuro, affidabile ed efficiente della centrale collegata alla rete.
2) Architettura
Dal punto di vista dell'architettura topologica, i BMS si dividono in due categorie: centralizzati e distribuiti in base alle diverse esigenze progettuali.
BMS centralizzato
In poche parole, il BMS centralizzato utilizza un unico hardware BMS per raccogliere tutte le celle, il che è adatto a scenari con poche celle.
Il BMS centralizzato presenta i vantaggi di basso costo, struttura compatta e alta affidabilità ed è comunemente utilizzato in scenari con bassa capacità, bassa pressione totale e volume ridotto del sistema batteria, come utensili elettrici, robot (robot di movimentazione, robot di assistenza), Case intelligenti IOT (robot spazzatrici, aspirapolvere elettrici), carrelli elevatori elettrici, veicoli elettrici a bassa velocità (biciclette elettriche, motociclette elettriche, auto turistiche elettriche, auto di pattuglia elettriche, golf cart elettrici, ecc.) e veicoli ibridi leggeri.
L'hardware BMS centralizzato può essere suddiviso in aree ad alta e bassa tensione.L'area ad alta tensione è responsabile della raccolta della tensione della singola cella, della tensione totale del sistema e del monitoraggio della resistenza di isolamento.L'area a bassa tensione comprende circuiti di alimentazione, circuiti CPU, circuiti di comunicazione CAN, circuiti di controllo e così via.
Poiché il sistema di batterie dei veicoli passeggeri continua a svilupparsi verso elevata capacità, elevata pressione totale e grande volume, le architetture BMS distribuite vengono utilizzate principalmente nei modelli di veicoli ibridi plug-in e puramente elettrici.
BMS distribuito
Al momento, nel settore esistono diversi termini per indicare i BMS distribuiti e diverse aziende hanno nomi diversi.Il BMS della batteria di alimentazione ha principalmente un'architettura master-slave a due livelli:
Il BMS di accumulo dell'energia è solitamente un'architettura a tre livelli a causa delle grandi dimensioni del pacco batteria, con uno strato di controllo principale sopra gli strati di controllo principale e slave.
Proprio come le batterie formano cluster di batterie, che a loro volta formano pile, anche il BMS a tre livelli segue la stessa regola ascendente:
Dal controllo: unità di gestione della batteria (BMU), che raccoglie informazioni dalle singole batterie.
Monitorare la tensione e la temperatura della cella della batteria
Equalizzazione della batteria nella confezione
Caricamento delle informazioni
gestione termica
Allarme anomalo
Controllo principale: Unità di gestione del cluster batteria: BCU (unità cluster batteria, nota anche come unità di gestione dell'alta tensione HVU, BCMU, ecc.), responsabile della raccolta delle informazioni BMU e della raccolta delle informazioni sul cluster batteria.
Acquisizione della corrente del cluster batteria, acquisizione della tensione totale, rilevamento delle perdite
Protezione dallo spegnimento quando lo stato della batteria è anomalo
Sotto la gestione del BMS, la calibrazione della capacità e la calibrazione SOC possono essere completate separatamente come base per la successiva gestione di carica e scarica
L'unità di gestione dell'array di batterie (BAU) è responsabile della gestione centralizzata delle batterie nell'intero stack di batterie di accumulo di energia.Si collega a varie unità di gestione del gruppo batterie e scambia informazioni con altri dispositivi per fornire feedback sullo stato operativo del gruppo batterie.
Gestione della carica e scarica dell'array di batterie
Autocontrollo del sistema BMS e allarme di diagnosi dei guasti
Allarme diagnosi guasto pacco batteria
Protezione di sicurezza per varie anomalie e guasti nel gruppo batterie
Comunicare con altri dispositivi come PCS ed EMS
Archiviazione, trasmissione ed elaborazione dei dati
Livello di gestione della batteria: responsabile della raccolta di varie informazioni (tensione, temperatura) delle singole batterie, del calcolo e dell'analisi di SOC e SOH delle batterie, del raggiungimento dell'equalizzazione attiva delle singole batterie e del caricamento di informazioni anomale delle singole batterie sullo strato dell'unità batteria BCMU.Attraverso la comunicazione esterna CAN, è interconnesso tramite una catena a margherita.
Livello di gestione della batteria: responsabile della raccolta di varie informazioni dalle singole batterie caricate dalla BMU, della raccolta di varie informazioni sul pacco batteria (tensione del pacco, temperatura del pacco), correnti di carica e scarica del pacco batteria, calcolo e analisi di SOC e SOH del pacco batteria e caricando tutte le informazioni nel livello BAMS dell'unità cluster della batteria.Attraverso la comunicazione esterna CAN, è interconnesso tramite una catena a margherita.
Livello di gestione del cluster batteria: responsabile della raccolta di varie informazioni sulla batteria caricate da BCMU e del caricamento di tutte le informazioni sul sistema EMS di monitoraggio dello stoccaggio dell'energia tramite l'interfaccia RJ45;comunicare con il PCS per inviare informazioni anomale rilevanti sulla batteria al PCS (interfaccia CAN o RS485) e dotato di nodi hardware asciutti per comunicare con il PCS.Inoltre, esegue la valutazione BSE (Stima dello stato della batteria) del sistema batteria, il rilevamento dello stato del sistema elettrico, la gestione dei contattori, la gestione termica, la gestione del funzionamento, la gestione della carica, la gestione della diagnostica ed esegue la gestione della rete di comunicazione interna ed esterna.Comunica con i subordinati tramite CAN.
3) Cosa fa il BMS?
Le funzioni del BMS sono numerose, ma il nucleo e ciò che ci preoccupa maggiormente sono tre aspetti:
Uno è il rilevamento (gestione dello stato), che è la funzione di base del BMS.Misura la tensione, la resistenza, la temperatura e infine rileva lo stato della batteria.Vogliamo sapere qual è lo stato della batteria, quanta energia e capacità ha, quanto è sana, quanta energia produce e quanto è sicura.Questo è sensitivo.
Il secondo è la gestione (gestione del saldo).Alcuni dicono che BMS è la tata della batteria.Allora questa tata dovrebbe gestirlo.Cosa gestire?È per rendere la batteria migliore possibile.Il più elementare è la gestione del bilanciamento e la gestione termica.
Il terzo è la protezione (gestione della sicurezza).Anche la tata ha un lavoro da svolgere.Se la batteria ha qualche stato, deve essere protetta e deve essere lanciato un allarme.
Naturalmente esiste anche una componente di gestione della comunicazione che trasferisce i dati all'interno o all'esterno del sistema attraverso determinati protocolli.
Il BMS ha molte altre funzioni, come il controllo del funzionamento, il monitoraggio dell'isolamento, la gestione termica, ecc., che non vengono discusse qui.
3.1 Percezione – Misurazione e stima
La funzione di base del BMS è misurare e stimare i parametri della batteria, inclusi parametri di base come tensione, corrente, temperatura e stato, nonché calcoli dei dati sullo stato della batteria come SOC e SOH.Il campo delle batterie di potenza coinvolge anche i calcoli di SOP (stato di potenza) e SOE (stato di energia), che non vengono discussi qui.Ci concentreremo sui primi due dati più ampiamente utilizzati.
Misurazione delle cellule
1) Misurazione delle informazioni di base: la funzione più elementare del sistema di gestione della batteria è misurare la tensione, la corrente e la temperatura delle singole celle della batteria, che costituisce la base per tutti i calcoli di alto livello e la logica di controllo nel sistema di gestione della batteria.
2) Test della resistenza di isolamento: il test di isolamento è necessario per l'intero sistema di batterie e per il sistema ad alta tensione all'interno del sistema di gestione della batteria.
3) Rilevamento dell'interblocco ad alta tensione (HVIL): utilizzato per confermare l'integrità dell'intero sistema ad alta tensione e avviare misure di sicurezza quando l'integrità del circuito del sistema ad alta tensione è compromessa.
Calcolo del SOC
Il SOC si riferisce allo stato di carica, ovvero la capacità rimanente della batteria.In poche parole, è la quantità di energia rimasta nella batteria.
Il SOC è il parametro più importante nel BMS, poiché tutto il resto si basa su di esso.Pertanto, la sua precisione e robustezza (nota anche come capacità di correzione degli errori) sono estremamente importanti.Senza un SOC accurato, nessuna funzione di protezione può far funzionare correttamente il BMS, poiché la batteria sarà spesso in uno stato protetto, rendendo impossibile prolungarne la durata.
Attualmente, i principali metodi di stima del SOC includono il metodo della tensione a circuito aperto, il metodo dell'integrazione della corrente, il metodo del filtro di Kalman e il metodo della rete neurale.I primi due metodi sono comunemente usati.Gli ultimi due metodi implicano conoscenze avanzate come i modelli di integrazione e l’intelligenza artificiale, che non vengono descritte in dettaglio qui.
Nelle applicazioni pratiche, vengono spesso utilizzati più algoritmi in combinazione, adottando algoritmi diversi a seconda dello stato di carica e scarica della batteria.
metodo della tensione a circuito aperto
Il principio del metodo della tensione a circuito aperto consiste nell'utilizzare la relazione funzionale relativamente fissa tra la tensione a circuito aperto e il SOC in condizioni di posizionamento statico a lungo termine della batteria, e quindi stimare il SOC in base alla tensione a circuito aperto.La bicicletta elettrica con batteria al piombo precedentemente utilizzata utilizza questo metodo per stimare il SOC.Il metodo della tensione a circuito aperto è semplice e conveniente, ma presenta anche molti svantaggi:
1. La batteria deve essere lasciata in piedi per un lungo periodo, altrimenti la tensione a circuito aperto sarà difficile da stabilizzare in un breve periodo di tempo;
2. Esiste un plateau di tensione nelle batterie, in particolare nelle batterie al litio ferro fosfato, in cui la tensione terminale e la curva SOC sono approssimativamente lineari durante l'intervallo SOC30%-80%;
3. La batteria si trova a temperature diverse o in fasi di vita diverse e, sebbene la tensione a circuito aperto sia la stessa, la differenza effettiva del SOC potrebbe essere notevole;
Come mostrato nella figura seguente, quando utilizziamo questa bicicletta elettrica, se il SOC attuale viene visualizzato al 100%, la tensione diminuisce durante l'accelerazione e la potenza potrebbe essere visualizzata all'80%.Quando smettiamo di accelerare, la tensione aumenta e la potenza torna al 100%.Pertanto il display della potenza del nostro scooter elettrico non è accurato.Quando ci fermiamo, ha energia, ma quando ripartiamo, rimane senza energia.Questo potrebbe non essere un problema della batteria, ma potrebbe essere dovuto al fatto che l'algoritmo SoC del BMS è troppo semplice.
Metodo integrale An-Shi
Il metodo di integrazione continua Anshicontinuous calcola direttamente il valore SOC in tempo reale attraverso la definizione di SOC.
Dato il valore SOC iniziale, purché sia possibile misurare la corrente della batteria (dove la corrente di scarica è positiva), la variazione della capacità della batteria può essere calcolata con precisione attraverso l'integrazione della corrente, ottenendo il SOC rimanente.
Questo metodo fornisce risultati di stima relativamente affidabili in un breve periodo di tempo, ma a causa degli errori di misurazione del sensore di corrente e del graduale degrado della capacità della batteria, l'integrazione della corrente a lungo termine introdurrà alcune deviazioni.Pertanto, viene generalmente utilizzato insieme al metodo della tensione a circuito aperto per stimare il valore iniziale per la stima del SOC con requisiti di bassa precisione e può anche essere utilizzato insieme al metodo di filtro di Kalman per la previsione del SOC a breve termine.
Il SOC (State Of Charge) appartiene all'algoritmo di controllo principale del BMS e rappresenta l'attuale stato della capacità rimanente.Si ottiene principalmente attraverso il metodo di integrazione ampere-ora e l'algoritmo EKF (filtro Kalman esteso), combinato con strategie di correzione (come correzione della tensione a circuito aperto, correzione della carica completa, correzione della fine della carica, correzione della capacità a diverse temperature e SOH, eccetera.).Il metodo di integrazione ampere-ora è relativamente affidabile a condizione di garantire la precisione dell'acquisizione della corrente, ma non è robusto.A causa dell’accumulo di errori, deve essere combinato con strategie di correzione.Il metodo EKF è robusto ma l’algoritmo è relativamente complesso e difficile da implementare.I principali produttori nazionali possono raggiungere una precisione inferiore al 6% a temperatura ambiente, ma è difficile effettuare una stima ad alte e basse temperature e all’attenuazione della batteria.
Correzione del SOC
A causa delle fluttuazioni attuali, il SOC stimato potrebbe essere impreciso e nel processo di stima è necessario incorporare varie strategie di correzione.
Calcolo dell'SOH
SOH si riferisce allo Stato di Salute, che indica lo stato di salute attuale della batteria (o il grado di degrado della batteria).Solitamente viene rappresentato come un valore compreso tra 0 e 100%, con valori inferiori all'80% generalmente considerati indicanti che la batteria non è più utilizzabile.Può essere rappresentato da cambiamenti nella capacità della batteria o nella resistenza interna.Quando si utilizza la capacità, la capacità effettiva della batteria attuale viene stimata in base ai dati del processo operativo della batteria e il rapporto tra questa e la capacità nominale è il SOH.Un SOH accurato migliorerà la precisione della stima di altri moduli quando la batteria si sta deteriorando.
Esistono due diverse definizioni di SOH nel settore:
Definizione SOH basata sull'attenuazione della capacità
Durante l'utilizzo delle batterie agli ioni di litio, il materiale attivo all'interno della batteria diminuisce gradualmente, la resistenza interna aumenta e la capacità diminuisce.Pertanto, l'SOH può essere stimato in base alla capacità della batteria.Lo stato di salute della batteria è espresso come il rapporto tra la capacità attuale e la capacità iniziale e il suo SOH è definito come:
SOH=(C_standard-C_dissolvenza)/C_standard ×100%
Dove: C_fade è la capacità perduta della batteria;C_standard è la capacità nominale.
Lo standard IEEE 1188-1996 stabilisce che quando la capacità della batteria scende all'80%, la batteria deve essere sostituita.Pertanto, di solito consideriamo che il SOH della batteria non è disponibile quando è inferiore all'80%.
Definizione SOH basata sull'attenuazione di potenza (Power Fade)
L'invecchiamento di quasi tutti i tipi di batterie porterà ad un aumento della resistenza interna della batteria.Maggiore è la resistenza interna della batteria, minore è la potenza disponibile.Pertanto, l'SOH può essere stimato utilizzando l'attenuazione di potenza.
3.2 Management – Tecnologia Equilibrata
Ogni batteria ha la sua “personalità”
Per parlare di equilibrio dobbiamo iniziare dalle batterie.Anche le batterie prodotte nello stesso lotto dallo stesso produttore hanno i propri cicli di vita e “personalità”: la capacità di ciascuna batteria non può essere esattamente la stessa.Ci sono due ragioni per questa incoerenza:
Uno è l’incoerenza della produzione cellulare
Uno è l'incoerenza delle reazioni elettrochimiche.
incoerenza produttiva
Le incoerenze produttive sono facili da comprendere.Ad esempio, durante il processo di produzione, le incoerenze del diaframma e dei materiali del catodo e dell'anodo possono comportare incoerenze della capacità complessiva della batteria.Una batteria standard da 50 Ah può diventare da 49 Ah o 51 Ah.
incoerenza elettrochimica
L'incoerenza dell'elettrochimica è che nel processo di carica e scarica della batteria, anche se la produzione e la lavorazione delle due celle sono identiche, l'ambiente termico non può mai essere coerente nel processo di reazione elettrochimica.Ad esempio, quando si realizzano moduli batteria, la temperatura dell'anello circostante deve essere inferiore a quella centrale.Ciò si traduce in un’incoerenza a lungo termine tra le quantità di carica e scarica, che a sua volta porta a una capacità incoerente delle celle della batteria;Quando le correnti di carica e scarica della pellicola SEI sulla cella della batteria sono incoerenti per un lungo periodo, anche l'invecchiamento della pellicola SEI sarà incoerente.
*Film SEI: “interfaccia elettrolita solida” (interfaccia elettrolita solida).Durante il primo processo di scarica della carica della batteria agli ioni di litio liquida, il materiale dell'elettrodo reagisce con l'elettrolita sull'interfaccia della fase solido-liquido per formare uno strato di passivazione che copre la superficie del materiale dell'elettrodo.La pellicola SEI è un isolante elettronico ma un ottimo conduttore di ioni di litio, che non solo protegge l'elettrodo ma non influisce sul funzionamento della batteria.L'invecchiamento della pellicola SEI ha un impatto significativo sulla salute della batteria.
Pertanto, la non uniformità (o discrezione) dei pacchi batteria è una manifestazione inevitabile del funzionamento della batteria.
Perché è necessario l'equilibrio
Le batterie sono diverse, quindi perché non provare a renderle uguali?Perché l'incoerenza influenzerà le prestazioni della batteria.
Il pacco batteria in serie segue l'effetto barile corto: nel sistema a pacco batteria in serie, la capacità dell'intero sistema a pacco batteria è determinata dalla singola unità più piccola.
Supponiamo di avere un pacco batteria composto da tre batterie:
Sappiamo che il sovraccarico e lo scaricamento eccessivo possono danneggiare seriamente le batterie.Pertanto, quando la batteria B è completamente carica durante la carica o quando il SoC della batteria B è molto basso durante la scarica, è necessario interrompere la carica e la scarica per proteggere la batteria B. Di conseguenza, la potenza delle batterie A e C non può essere completamente utilizzato.Questo porta a:
La capacità effettivamente utilizzabile del pacco batteria è diminuita: le batterie A e C, che avrebbero potuto utilizzare la capacità disponibile, ora non sono in grado di farlo per ospitare la batteria B. È come due persone su tre gambe legate insieme, con il persona più alta incapace di fare grandi passi.
Durata della batteria ridotta: una lunghezza del passo minore richiede più passi e rende le gambe più stanche.Con una capacità ridotta, il numero di cicli di carica e scarica aumenta, con conseguente maggiore degrado della batteria.Ad esempio, una singola cella può raggiungere 4000 cicli al 100% DoD, ma nell’uso reale non può raggiungere il 100% e il numero di cicli non raggiungerà sicuramente 4000.
*DoD, profondità di scarica, rappresenta la percentuale della capacità di scarica della batteria rispetto alla capacità nominale della batteria.
L'inconsistenza delle batterie porta ad una diminuzione delle prestazioni del pacco batteria.Quando le dimensioni del modulo batteria sono grandi, più stringhe di batterie vengono collegate in serie e una grande differenza di tensione singola causerà una diminuzione della capacità dell'intera scatola.Più batterie sono collegate in serie, maggiore è la capacità che perdono.Tuttavia, nelle nostre applicazioni, soprattutto nelle applicazioni dei sistemi di accumulo dell'energia, ci sono due requisiti importanti:
La prima è la batteria a lunga durata, che può ridurre notevolmente i costi di funzionamento e manutenzione.Il sistema di accumulo dell'energia ha requisiti elevati per la durata della batteria.La maggior parte di quelli domestici sono progettati per 15 anni.Se assumiamo 300 cicli all'anno, 15 anni equivalgono a 4500 cicli, che è ancora molto elevato.Dobbiamo massimizzare la durata di ciascuna batteria in modo che la durata totale dell'intero pacco batteria possa raggiungere il più possibile la durata prevista e ridurre l'impatto della dispersione della batteria sulla durata del pacco batteria.
Il secondo ciclo profondo, soprattutto nello scenario applicativo del peak shaving, rilasciando un kWh di elettricità in più porterà un punto di ricavo in più.Vale a dire, faremo l’80% DoD o il 90% DoD.Quando si utilizza il ciclo profondo nel sistema di accumulo dell'energia, si manifesterà la dispersione della batteria durante la scarica di coda.Pertanto, al fine di garantire il pieno rilascio della capacità di ogni singola cella in condizioni di carica e scarica profonda, è necessario richiedere che il BMS di accumulo dell'energia abbia forti capacità di gestione dell'equalizzazione e sopprima il verificarsi di coerenza tra le celle della batteria .
Questi due requisiti sono esattamente contrari all'incoerenza della batteria.Per ottenere applicazioni più efficienti per le batterie, dobbiamo disporre di una tecnologia di bilanciamento più efficace per ridurre l'impatto dell'incoerenza delle batterie.
tecnologia dell'equilibrio
La tecnologia di equalizzazione della batteria è un modo per rendere uguali batterie con capacità diverse.Esistono due metodi di equalizzazione comuni: equalizzazione unidirezionale con dissipazione di energia (equalizzazione passiva) e equalizzazione bidirezionale con trasferimento di energia (equalizzazione attiva).
(1) Saldo passivo
Il principio dell'equalizzazione passiva consiste nel collegare in parallelo un resistore di scarica commutabile su ciascuna stringa di batterie.Il BMS controlla il resistore di scarica per scaricare le celle a voltaggio più elevato, dissipando l'energia elettrica sotto forma di calore.Ad esempio, quando la batteria B è quasi completamente carica, l'interruttore viene aperto per consentire al resistore sulla batteria B di dissipare l'energia elettrica in eccesso sotto forma di calore.Quindi la ricarica continua finché anche le batterie A e C non sono completamente cariche.
Questo metodo può scaricare solo celle ad alta tensione e non può ricaricare celle a bassa capacità.A causa della limitazione di potenza della resistenza di scarica, la corrente di equalizzazione è generalmente piccola (meno di 1 A).
I vantaggi dell'equalizzazione passiva sono il basso costo e la progettazione semplice del circuito;gli svantaggi sono che per l'equalizzazione si basa sulla capacità residua minima della batteria, che non può aumentare la capacità delle batterie con capacità residua ridotta, e che il 100% della potenza equalizzata viene sprecata sotto forma di calore.
(2) Saldo attivo
Attraverso algoritmi, più stringhe di batterie trasferiscono l’energia delle celle ad alta tensione a celle a bassa tensione utilizzando componenti di accumulo dell’energia, scaricando le batterie ad alta tensione e utilizzando l’energia rilasciata per caricare le celle a bassa tensione.L'energia viene principalmente trasferita anziché dissipata.
In questo modo, durante la carica, la batteria B, che raggiunge per prima il 100% di tensione, si scarica in A e C, e le tre batterie vengono caricate completamente insieme.Durante la scarica, quando la carica residua della batteria B è troppo bassa, A e C “caricano” B, in modo che la cella B non raggiunga così rapidamente la soglia SOC per interrompere la scarica.
Principali caratteristiche della tecnologia di bilanciamento attivo
(1) Bilanciare l'alta e la bassa tensione per migliorare l'efficienza del pacco batteria: durante la carica, lo scaricamento e a riposo, le batterie ad alta tensione possono essere scaricate e le batterie a bassa tensione possono essere caricate;
(2) Trasferimento di energia con perdite ridotte: l'energia viene principalmente trasferita anziché semplicemente persa, migliorando l'efficienza dell'utilizzo dell'energia;
(3) Grande corrente di equilibrio: generalmente, la corrente di equilibrio è compresa tra 1 e 10 A e l'equilibrio è più veloce;
L'equalizzazione attiva richiede la configurazione dei circuiti corrispondenti e dei dispositivi di accumulo dell'energia, il che comporta un volume elevato e un aumento dei costi.Queste due condizioni insieme determinano che la perequazione attiva non è facile da promuovere e applicare.
Inoltre, il processo di carica e scarica con equalizzazione attiva aumenta implicitamente la durata della batteria.Per le celle che richiedono carica e scarica per raggiungere l'equilibrio, il carico di lavoro aggiuntivo può far sì che superino l'invecchiamento delle celle normali, determinando un maggiore divario prestazionale rispetto alle altre celle.
Alcuni esperti ritengono che le due espressioni sopra dovrebbero corrispondere all'equilibrio dissipativo e all'equilibrio non dissipativo.Il fatto che sia attivo o passivo dovrebbe dipendere dall'evento che innesca il processo di equilibrio.Se il sistema raggiunge uno stato in cui deve essere passivo, è passivo.Se viene impostato dall’uomo, l’impostazione del programma di equilibrio quando non è necessario essere in equilibrio si chiama equilibrio attivo.
Ad esempio, quando la scarica è al termine, la cella con il voltaggio più basso ha raggiunto la tensione di interruzione della scarica, mentre le altre celle sono ancora alimentate.In questo momento, per scaricare quanta più elettricità possibile, il sistema trasferisce l'elettricità delle celle ad alta energia a celle a bassa energia, consentendo al processo di scarica di continuare fino a quando tutta l'energia non viene scaricata.Questo è un processo di equalizzazione passiva.Se il sistema prevede che ci sarà uno squilibrio alla fine della scarica quando rimane ancora il 40% di potenza, avvierà un processo di equalizzazione attiva.
L'equalizzazione attiva è divisa in metodi centralizzati e decentralizzati.Il metodo di equalizzazione centralizzata ottiene energia dall'intero pacco batterie e quindi utilizza un dispositivo di conversione dell'energia per integrare energia alle batterie con meno energia.L'equalizzazione decentralizzata prevede un collegamento di accumulo di energia tra batterie adiacenti, che può essere un induttore o un condensatore, consentendo all'energia di fluire tra batterie adiacenti.
Nell'attuale strategia di controllo del bilanciamento, c'è chi prende la tensione della cella come parametro target di controllo, e c'è anche chi propone di utilizzare SOC come parametro target di controllo del bilanciamento.Prendiamo ad esempio la tensione della cella.
Innanzitutto, impostare una coppia di valori di soglia per l'inizio e la fine dell'equalizzazione: ad esempio, in un set di batterie, quando la differenza tra la tensione estrema di una singola cella e la tensione media del set raggiunge 50 mV, l'equalizzazione viene avviata e quando raggiunge i 5mV, l'equalizzazione è terminata.
Il BMS raccoglie la tensione di ciascuna cella secondo un ciclo di acquisizione fisso, ne calcola il valore medio, quindi calcola la differenza tra la tensione di ciascuna cella e il valore medio;
Se la differenza massima raggiunge i 50 mV, il BMS deve avviare il processo di equalizzazione;
Continuare il passaggio 2 durante il processo di equalizzazione finché i valori di differenza non sono tutti inferiori a 5 mV, quindi terminare l'equalizzazione.
Va notato che non tutti i BMS richiedono questo passaggio e le strategie successive possono variare a seconda del metodo di bilancio.
La tecnologia di bilanciamento è legata anche al tipo di batteria.Si ritiene generalmente che l'LFP sia più adatto per il bilanciamento attivo, mentre le batterie ternarie siano adatte per il bilanciamento passivo.
La fase di intensa concorrenza nel settore dei BMS è sostenuta principalmente dai costi e dall’affidabilità.Attualmente non è stata ancora portata a termine la verifica sperimentale del bilanciamento attivo.Si prevede che il livello di sicurezza funzionale si sposterà verso ASIL-C e ASIL-D, ma il costo è piuttosto elevato.Pertanto, le attuali grandi aziende sono caute riguardo alla ricerca attiva del bilanciamento.Alcune grandi fabbriche vogliono addirittura cancellare il modulo di bilanciamento e far eseguire tutto il bilanciamento esternamente, in modo simile alla manutenzione dei veicoli a carburante.Ogni volta che il veicolo percorre una certa distanza, andrà al negozio 4S per il bilanciamento esterno.Ciò ridurrà il costo dell'intero BMS del veicolo e andrà a vantaggio anche del corrispondente negozio 4S.È una situazione vantaggiosa per tutte le parti.Pertanto, personalmente, capisco che questa possa diventare una tendenza!
3.3 Protezione – diagnosi dei guasti e allarme
Il monitoraggio BMS è abbinato all'hardware dell'impianto elettrico ed è suddiviso in diversi livelli di guasto (guasto minore, guasto grave, guasto fatale) in base alle diverse condizioni di prestazione della batteria.Vengono adottate diverse misure di gestione in diversi livelli di guasto: avviso, limitazione di potenza o interruzione diretta per alta tensione.I guasti includono errori di acquisizione dei dati e di razionalità, guasti elettrici (sensori e attuatori), errori di comunicazione e errori di stato della batteria.
Un esempio comune è quando una batteria si surriscalda, il BMS determina che la batteria si sta surriscaldando in base alla temperatura della batteria rilevata, quindi controlla il circuito di questa batteria per disconnettersi, esegue la protezione dal surriscaldamento e invia un avviso ai sistemi di gestione come EMS.
3.4 Comunicazione
Il normale funzionamento del BMS non può essere separato dalla sua funzione di comunicazione.Che si tratti di controllare la batteria durante la gestione della batteria, di trasmettere lo stato della batteria al mondo esterno o di ricevere istruzioni di controllo, è necessaria una comunicazione stabile.
Nel sistema a batteria, un'estremità del BMS è collegata alla batteria e l'altra estremità è collegata ai sistemi elettronici e di controllo dell'intero veicolo.L'ambiente generale utilizza il protocollo CAN, ma esiste una distinzione tra l'utilizzo del CAN interno tra i componenti interni del pacco batteria e l'utilizzo del CAN del veicolo tra il pacco batteria e l'intero veicolo.
Al contrario, il BMS di accumulo di energia e la comunicazione interna utilizzano fondamentalmente il protocollo CAN, ma la sua comunicazione esterna (esterna si riferisce principalmente al sistema di dispacciamento PCS della centrale di accumulo di energia) spesso utilizza i formati di protocollo Internet, il protocollo TCP/IP e il protocollo Modbus.
4) BMS di accumulo dell'energia
I produttori di BMS per lo stoccaggio dell'energia generalmente si sono evoluti dai BMS per batterie di alimentazione, quindi molti progetti e termini hanno origini storiche
Ad esempio, la batteria di alimentazione è generalmente divisa in BMU (Battery Monitor Unit) e BCU (Battery Control Unit), con la prima che raccoglie i dati e la seconda che li controlla.
Poiché la cella della batteria è un processo elettrochimico, più celle della batteria formano una batteria.A causa delle caratteristiche di ciascuna cella della batteria, indipendentemente dalla precisione del processo di produzione, nel tempo e a seconda dell'ambiente si verificheranno errori e incoerenze in ciascuna cella della batteria.Pertanto, il sistema di gestione della batteria valuta lo stato attuale della batteria attraverso parametri limitati, un po' come un medico di medicina tradizionale cinese che diagnostica un paziente osservando i sintomi piuttosto che la medicina occidentale che richiede analisi fisiche e chimiche.L'analisi fisica e chimica del corpo umano è simile alle caratteristiche elettrochimiche della batteria, che possono essere misurate mediante strumenti sperimentali su larga scala.Tuttavia, è difficile per i sistemi embedded valutare alcuni indicatori dell’elettrochimica.Pertanto, BMS è come un vecchio medico di medicina cinese.
4.1 Architettura a tre strati del BMS per lo stoccaggio dell'energia
A causa dell'elevato numero di celle della batteria nei sistemi di accumulo dell'energia, al fine di risparmiare sui costi, il BMS viene generalmente implementato a strati, con due o tre strati.Attualmente, la corrente principale prevede tre livelli: controllo master/controllo master/controllo slave.
4.2 Descrizione dettagliata del BMS di accumulo dell'energia
5) Situazione attuale e trend futuro
Esistono diversi tipi di produttori che producono BMS:
La prima categoria è l'utente finale con la maggiore potenza nel BMS delle batterie di alimentazione: le fabbriche di automobili.In effetti, la più forte forza produttiva di BMS all’estero sono anche le fabbriche di automobili, come General Motors, Tesla, ecc. In patria ci sono BYD, Huating Power, ecc.
La seconda categoria sono le fabbriche di batterie, inclusi produttori di celle e produttori di pacchi, come Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad, ecc.;
Il terzo tipo di produttori di BMS sono quelli con molti anni di esperienza nella tecnologia dell'elettronica di potenza e dispongono di team di ricerca e sviluppo con background universitari o aziendali correlati, come Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology e Kegong Electronics.
A differenza del BMS delle batterie di potenza, che è dominato principalmente dai produttori di veicoli terminali, sembra che gli utenti finali delle batterie di accumulo di energia non abbiano necessità o azioni specifiche per partecipare alla ricerca, allo sviluppo e alla produzione di BMS.È anche improbabile che spenderanno molto denaro ed energia per sviluppare sistemi di gestione delle batterie su larga scala.Pertanto, si può ritenere che il settore BMS delle batterie di accumulo di energia manchi di un attore importante con vantaggi assoluti, lasciando un enorme spazio di sviluppo e immaginazione per i produttori e i venditori di batterie che si concentrano sui BMS di accumulo di energia.Se il mercato dello stoccaggio dell’energia verrà consolidato, darà ai produttori di batterie e ai produttori di BMS professionali molto spazio per lo sviluppo e meno resistenza competitiva.
Attualmente, ci sono relativamente pochi produttori di BMS professionali focalizzati sullo sviluppo di BMS per lo stoccaggio dell’energia, principalmente a causa del fatto che il mercato dello stoccaggio dell’energia è ancora agli inizi e ci sono ancora molti dubbi sul futuro sviluppo dello stoccaggio dell’energia sul mercato.Pertanto, la maggior parte dei produttori non ha sviluppato BMS relativi allo stoccaggio dell’energia.Nel contesto economico attuale, ci sono anche produttori che acquistano BMS per batterie di veicoli elettrici da utilizzare come BMS per batterie di accumulo di energia.Si ritiene che in futuro anche i produttori di BMS professionali per veicoli elettrici diventeranno probabilmente una parte importante dei fornitori di BMS utilizzati in progetti di stoccaggio dell’energia su larga scala.
In questa fase mancano standard uniformi per i BMS forniti dai vari fornitori di sistemi di accumulo dell’energia.Diversi produttori hanno design e definizioni diverse per BMS e, a seconda delle diverse batterie con cui sono compatibili, anche l'algoritmo SOX, la tecnologia di equalizzazione e il contenuto dei dati di comunicazione caricati possono variare.Nell’applicazione pratica dei BMS, tali differenze aumenteranno i costi di applicazione e saranno dannose per lo sviluppo industriale.Pertanto, anche la standardizzazione e la modularizzazione dei BMS costituiranno un’importante direzione di sviluppo in futuro.
Orario di pubblicazione: 15 gennaio 2024