מערכת ניהול סוללות BMS ידע ותפקוד, מבוא

השם המלא של BMS הוא Battery Management System.זהו מכשיר המנטר את מצבן של סוללות אחסון אנרגיה.הוא משמש בעיקר לניהול ותחזוקה מושכלת של תאי סוללה בודדים, מניעת טעינת יתר ופריקת יתר של סוללות, הארכת חיי הסוללה וניטור מצב הסוללה.בדרך כלל, BMS מיוצג כלוח מעגלים או כקופסת חומרה.

 

ה-BMS היא אחת מתת-המערכות הליבה של מערכת אגירת האנרגיה של הסוללה, האחראית על ניטור מצב הפעולה של כל סוללה ביחידת אגירת האנרגיה והבטחת פעולה בטוחה ואמינה של יחידת אגירת האנרגיה.ה-BMS יכול לנטר ולאסוף את פרמטרי המצב של סוללת אגירת האנרגיה בזמן אמת (כולל אך לא רק מתח תא בודד, טמפרטורת עמוד הסוללה, זרם לולאת הסוללה, מתח מסוף ערכת הסוללה, התנגדות בידוד מערכת הסוללה וכו'), וכן לבצע ניתוח וחישוב הכרחיים על פרמטרי סטטוס רלוונטיים כדי לקבל עוד פרמטרים להערכת מצב מערכת.זה גם יכול להשיג שליטה יעילה בסוללת אגירת האנרגיה עצמה על פי אסטרטגיות בקרת הגנה ספציפיות כדי להבטיח פעולה בטוחה ואמינה של כל יחידת אחסון האנרגיה של הסוללה.במקביל, ה-BMS יכול לקיים אינטראקציה עם התקנים חיצוניים אחרים (PCS, EMS, מערכת הגנה מפני אש וכו') באמצעות ממשק תקשורת משלו וממשק קלט אנלוגי/דיגיטלי כדי ליצור בקרת הצמדה של תת-מערכות שונות בכל כוח אחסון האנרגיה. תחנה, הבטחת פעולה בטוחה, אמינה ויעילה המחוברת לרשת של תחנת הכוח.

2) אדריכלות

מנקודת המבט של ארכיטקטורת טופולוגיה, BMS מחולק לשתי קטגוריות: ריכוזיות ומופצות בהתאם לדרישות הפרויקט השונות.

 

BMS מרכזי

במילים פשוטות, BMS מרכזי משתמש בחומרת BMS אחת לאיסוף כל התאים, המתאים לתרחישים עם מעט תאים.

ל-BMS מרכזי יש את היתרונות של עלות נמוכה, מבנה קומפקטי ואמינות גבוהה, והוא נפוץ בתרחישים עם קיבולת נמוכה, לחץ כולל נמוך ונפח מערכת סוללה קטן, כגון כלי עבודה חשמליים, רובוטים (טיפול ברובוטים, רובוטים מסייעים), בתים חכמים של IOT (רובוטים גורפים, שואבי אבק חשמליים), מלגזות חשמליות, רכבים חשמליים במהירות נמוכה (אופניים חשמליים, אופנועים חשמליים, מכוניות סיור חשמליות, מכוניות סיור חשמליות, עגלות גולף חשמליות ועוד) וכלי רכב היברידיים קלים.

ניתן לחלק את חומרת ה-BMS הריכוזית לאזורי מתח גבוה ומתח נמוך.אזור המתח הגבוה אחראי לאיסוף מתח תא בודד, מתח כולל של המערכת וניטור התנגדות הבידוד.אזור המתח הנמוך כולל מעגלי אספקת חשמל, מעגלי CPU, מעגלי תקשורת CAN, מעגלי בקרה וכו'.

מכיוון שמערכת סוללות הכוח של רכבי נוסעים ממשיכה להתפתח לקראת קיבולת גבוהה, לחץ כולל גבוה ונפח גדול, ארכיטקטורות BMS מבוזרות משמשות בעיקר בדגמי רכבים היברידיים נטענים וטהורים.

BMS מבוזר

כיום קיימים מונחים שונים ל-BMS מבוזר בענף, ולחברות שונות יש שמות שונים.לסוללת הכוח BMS יש בעיקר ארכיטקטורת מאסטר-עבד דו-שכבתית:

 

ה-BMS לאחסון אנרגיה הוא בדרך כלל ארכיטקטורה תלת-שכבתית בשל הגודל הגדול של ערכת הסוללות, עם שכבת בקרה ראשית מעל שכבת העבד והשליטה הראשית.

בדיוק כמו סוללות יוצרות אשכולות סוללות, שבתורם יוצרות ערימות, גם ה-BMS שלוש השכבות עוקב אחר אותו כלל כלפי מעלה:

מהבקרה: יחידת ניהול סוללות (BMU), אשר אוספת מידע מסוללות בודדות.

עקוב אחר המתח והטמפרטורה של תא הסוללה

השוואת סוללה באריזה

העלאת מידע

ניהול תרמי

אזעקה חריגה

בקרת אב: יחידת ניהול אשכול סוללות: BCU (יחידת אשכול סוללות, המכונה גם יחידת ניהול מתח גבוה HVU, BCMU וכו'), אחראית על איסוף מידע BMU ואיסוף מידע על אשכול סוללות.

רכישת זרם של אשכול סוללות, רכישת מתח כולל, איתור נזילות

הגנת כיבוי כאשר מצב הסוללה אינו תקין

תחת הניהול של BMS, ניתן להשלים כיול קיבולת וכיול SOC בנפרד כבסיס לניהול טעינה ופריקה עוקבים

יחידת ניהול מערך הסוללות (BAU) אחראית לניהול מרוכז של הסוללות בכל ערימת הסוללות לאחסון האנרגיה.הוא מתחבר ליחידות ניהול מקבצי סוללות שונות ומחליף מידע עם מכשירים אחרים כדי לספק משוב על מצב הפעולה של מערך הסוללות.

ניהול טעינה ופריקה של מערך הסוללות

מערכת BMS בדיקה עצמית ואזעקת אבחון תקלות

אזעקת אבחון תקלות של ערכת סוללה

הגנה בטיחותית לחריגות ותקלות שונות במערך הסוללות

תקשר עם מכשירים אחרים כגון PCS ו-EMS

אחסון, שידור ועיבוד נתונים

שכבת ניהול סוללות: אחראית על איסוף מידע שונים (מתח, טמפרטורה) של סוללות בודדות, חישוב וניתוח SOC ו-SOH של סוללות, השגת שוויון אקטיבי של סוללות בודדות, והעלאת מידע חריג של סוללות בודדות לשכבת יחידת הסוללות BCMU.באמצעות תקשורת חיצונית של CAN, הוא מחובר באמצעות שרשרת דייזי.

שכבת ניהול הסוללה: אחראית על איסוף מידע שונה מסוללות בודדות שהועלו על ידי ה-BMU, איסוף מידע מגוון על ערכת הסוללות (מתח חבילה, טמפרטורת חבילה), זרמי טעינה ופריקה של ערכת סוללות, חישוב וניתוח ה-SOC וה-SOH של ערכת הסוללות. , והעלאת כל המידע לשכבת יחידת מקבץ הסוללות BAMS.באמצעות תקשורת חיצונית של CAN, הוא מחובר באמצעות שרשרת דייזי.

שכבת ניהול אשכול סוללות: אחראית על איסוף מידע סוללה שונים שהועלה על ידי BCMU והעלאת כל המידע למערכת ניטור אגירת האנרגיה EMS דרך ממשק RJ45;תקשורת עם PCS כדי לשלוח מידע חריג רלוונטי של הסוללה אל PCS (ממשק CAN או RS485), ומצויד בצמתים יבשים בחומרה לתקשורת עם PCS.בנוסף, היא מבצעת הערכת מערכת סוללות BSE (Battery State Estimate), זיהוי מצב מערכת החשמל, ניהול מגע, ניהול תרמי, ניהול תפעול, ניהול טעינה, ניהול אבחון, ומבצעת ניהול רשתות תקשורת פנימיות וחיצוניות.מתקשר עם הכפופים דרך CAN.

3) מה עושה BMS?

הפונקציות של BMS הן רבות, אבל הליבה ומה שאנחנו הכי מודאגים ממנו הם שלושה היבטים:

האחת היא חישה (ניהול מדינה), שהיא התפקיד הבסיסי של BMS.הוא מודד מתח, התנגדות, טמפרטורה, ובסופו של דבר חש את מצב הסוללה.אנחנו רוצים לדעת מה מצב הסוללה, כמה אנרגיה וקיבולת יש לה, כמה היא בריאה, כמה כוח היא מפיקה ועד כמה היא בטוחה.זו חישה.

השני הוא ניהול (ניהול איזון).יש אנשים שאומרים ש-BMS היא המטפלת של הסוללה.אז המטפלת הזו צריכה לנהל את זה.מה לנהל?זה לעשות את הסוללה טובה ככל האפשר.הבסיסי ביותר הוא ניהול איזון וניהול תרמי.

השלישי הוא הגנה (ניהול בטיחות).גם למטפלת יש עבודה לעשות.אם לסוללה יש מצב מסוים, יש להגן עליה ויש להפעיל אזעקה.

כמובן שיש גם רכיב ניהול תקשורת המעביר נתונים בתוך או מחוצה למערכת באמצעות פרוטוקולים מסוימים.

ל-BMS פונקציות רבות נוספות, כגון בקרת תפעול, ניטור בידוד, ניהול תרמי וכו', שלא נדון כאן.

 

3.1 תפיסה - מדידה ואומדן

התפקיד הבסיסי של BMS הוא למדוד ולהעריך פרמטרים של סוללה, כולל פרמטרים בסיסיים כגון מתח, זרם, טמפרטורה ומצב, כמו גם חישובים של נתוני מצב הסוללה כגון SOC ו-SOH.תחום סוללות הכוח כולל גם חישובים של SOP (מצב הספק) ו-SOE (מצב אנרגיה), שאינם נדונים כאן.נתמקד בשני הנתונים הראשונים בשימוש נרחב יותר.

מדידת תאים

1) מדידת מידע בסיסית: התפקיד הבסיסי ביותר של מערכת ניהול הסוללה הוא למדוד את המתח, הזרם והטמפרטורה של תאי הסוללה הבודדים, המהווה את הבסיס לכל החישובים ברמה העליונה ולוגיקת הבקרה במערכת ניהול הסוללה.

2) בדיקת התנגדות בידוד: נדרשת בדיקת בידוד לכל מערכת המצברים ומערכת המתח הגבוה בתוך מערכת ניהול המצברים.

3) זיהוי נעילת מתח גבוה (HVIL): משמש לאשר את תקינות מערכת המתח הגבוה כולה וליזום אמצעי בטיחות כאשר שלמות לולאת מערכת המתח הגבוה נפגעת.

חישוב SOC

SOC מתייחס למצב הטעינה, שהוא הקיבולת הנותרת של הסוללה.במילים פשוטות, זה כמה כוח נשאר בסוללה.

SOC הוא הפרמטר החשוב ביותר ב-BMS, שכן כל השאר מבוסס עליו.לכן, הדיוק והחוסן שלו (הידוע גם כיכולת תיקון שגיאות) חשובים ביותר.ללא SOC מדויק, שום פונקציית הגנה לא יכולה לגרום ל-BMS לעבוד כראוי, מכיוון שהסוללה לרוב תהיה במצב מוגן, מה שלא מאפשר להאריך את חיי הסוללה.

נכון לעכשיו, שיטות הערכת ה-SOC המרכזיות כוללות שיטת מתח במעגל פתוח, שיטת אינטגרציה של זרם, שיטת סינון קלמן ושיטת רשת עצבית.שתי השיטות הראשונות משמשות בדרך כלל.שתי השיטות האחרונות כוללות ידע מתקדם כמו מודלים של אינטגרציה ובינה מלאכותית, שאינם מפורטים כאן.

ביישומים מעשיים, לרוב משתמשים במספר אלגוריתמים בשילוב, כאשר אלגוריתמים שונים מאומצים בהתאם למצב הטעינה והפריקה של הסוללה.

שיטת מתח במעגל פתוח

העיקרון של שיטת מתח במעגל פתוח הוא להשתמש ביחס הפונקציונלי הקבוע יחסית בין מתח מעגל פתוח ל-SOC בתנאי של מיקום סטטי ארוך טווח של הסוללה, ובכך להעריך את ה-SOC על סמך מתח מעגל פתוח.האופניים החשמליים עם סוללת עופרת-חומצה שנפוצה בעבר משתמש בשיטה זו כדי להעריך SOC.שיטת מתח במעגל פתוח היא פשוטה ונוחה, אך יש גם חסרונות רבים:

1. יש להשאיר את הסוללה עומדת לאורך זמן, אחרת יהיה קשה לייצב את מתח המעגל הפתוח בפרק זמן קצר;

2. קיימת רמת מתח בסוללות, במיוחד סוללות ליתיום ברזל פוספט, שבה מתח הטרמינל ועקומת SOC הם ליניאריים בקירוב בטווח SOC30%-80%;

3. הסוללה נמצאת בטמפרטורות שונות או בשלבי חיים שונים, ולמרות שמתח המעגל הפתוח זהה, ההבדל SOC בפועל עשוי להיות גדול;

כפי שמוצג באיור למטה, כאשר אנו משתמשים באופניים חשמליים אלה, אם ה-SOC הנוכחי מוצג כ-100%, המתח יורד בעת האצה, וההספק עשוי להיות מוצג כ-80%.כאשר אנו מפסיקים להאיץ, המתח עולה, וההספק קופץ חזרה ל-100%.אז תצוגת הכוח של הקורקינט החשמלי שלנו אינה מדויקת.כשאנחנו עוצרים, יש לו כוח, אבל כשאנחנו מתחילים, נגמר לו הכוח.ייתכן שזו אינה בעיה בסוללה, אך עשויה לנבוע מכך שאלגוריתם ה-SoC של ה-BMS פשוט מדי.

שיטת אנ-שי אינטגרלית

שיטת האינטגרציה Anshicontinuous מחשבת ישירות את ערך SOC בזמן אמת באמצעות הגדרת SOC.

בהינתן ערך ה-SOC הראשוני, כל עוד ניתן למדוד את זרם הסוללה (כאשר זרם הפריקה חיובי), ניתן לחשב במדויק את השינוי בקיבולת הסוללה באמצעות אינטגרציה של זרם, וכתוצאה מכך ה-SOC הנותר.

לשיטה זו יש תוצאות הערכה אמינות יחסית בפרק זמן קצר, אך עקב שגיאות מדידה של חיישן הזרם והדרדרות הדרגתית של קיבולת הסוללה, שילוב זרם ארוך טווח יציג סטיות מסוימות.לכן, הוא משמש בדרך כלל בשילוב עם שיטת מתח במעגל פתוח כדי להעריך את הערך ההתחלתי להערכת SOC עם דרישות דיוק נמוכות, וניתן להשתמש בו גם בשילוב עם שיטת סינון קלמן לחיזוי SOC לטווח קצר.

SOC (State Of Charge) שייך לאלגוריתם הבקרה הליבה של BMS, המייצג את מצב הקיבולת הנוכחית שנותרה.זה מושג בעיקר באמצעות שיטת האינטגרציה של אמפר-שעה ואלגוריתם EKF (מסנן קלמן מורחב), בשילוב עם אסטרטגיות תיקון (כגון תיקון מתח במעגל פתוח, תיקון טעינה מלאה, תיקון סוף טעינה, תיקון קיבולת תחת טמפרטורות שונות ו-SOH, וכו.).שיטת האינטגרציה של אמפר-שעה אמינה יחסית בתנאי של הבטחת דיוק רכישת זרם, אך היא אינה חזקה.בשל הצטברות הטעויות, יש לשלב אותה עם אסטרטגיות תיקון.שיטת EKF חזקה אך האלגוריתם מורכב יחסית וקשה ליישום.יצרני מיינסטרים מקומיים יכולים להשיג דיוק של פחות מ-6% בטמפרטורת החדר, אך קשה להעריך בטמפרטורות גבוהות ונמוכות והנחת סוללה.

תיקון SOC

עקב תנודות נוכחיות, ה-SOC המשוער עשוי להיות לא מדויק, ויש לשלב אסטרטגיות תיקון שונות בתהליך האומדן.

 

חישוב SOH

SOH מתייחס למצב הבריאות, המציין את המצב הבריאותי הנוכחי של הסוללה (או מידת השפלת הסוללה).הוא מיוצג בדרך כלל כערך שבין 0 ל-100%, כאשר ערכים מתחת ל-80% נחשבים בדרך כלל כמציינים שהסוללה אינה שמישה עוד.זה יכול להיות מיוצג על ידי שינויים בקיבולת הסוללה או התנגדות פנימית.בעת שימוש בקיבולת, הקיבולת האמיתית של הסוללה הנוכחית נאמדת על סמך נתונים מתהליך הפעולה של הסוללה, והיחס בינה לבין הקיבולת המדורגת הוא SOH.SOH מדויק ישפר את דיוק האומדן של מודולים אחרים כאשר הסוללה מתדרדרת.

ישנן שתי הגדרות שונות של SOH בתעשייה:

הגדרת SOH מבוססת על דהיית קיבולת

במהלך השימוש בסוללות ליתיום-יון, החומר הפעיל בתוך הסוללה יורד בהדרגה, ההתנגדות הפנימית עולה, והקיבולת יורדת.לכן, ניתן להעריך את SOH לפי קיבולת הסוללה.מצב הבריאות של הסוללה מתבטא כיחס בין הקיבולת הנוכחית לקיבולת ההתחלתית, וה-SOH שלה מוגדר כ:

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

איפה: C_fade הוא הקיבולת האבודה של הסוללה;C_standard הוא הקיבולת הנומינלית.

תקן IEEE 1188-1996 קובע שכאשר הקיבולת של סוללת החשמל יורדת ל-80%, יש להחליף את הסוללה.לכן, בדרך כלל אנו רואים שהסוללה SOH אינה זמינה כאשר היא מתחת ל-80%.

הגדרת SOH מבוססת על הנחתת הספק (פאוור פאד)

ההזדקנות של כמעט כל סוגי הסוללות תוביל לעלייה בהתנגדות הפנימית של הסוללה.ככל שההתנגדות הפנימית של הסוללה גבוהה יותר, הכוח הזמין נמוך יותר.לכן, ניתן להעריך את ה-SOH באמצעות הנחתת הספק.

3.2 ניהול – טכנולוגיה מאוזנת

לכל סוללה יש "אישיות" משלה

כדי לדבר על איזון, אנחנו צריכים להתחיל עם סוללות.אפילו לסוללות המיוצרות באותה אצווה על ידי אותו יצרן יש מחזורי חיים ו"אישיות" משלהן - הקיבולת של כל סוללה לא יכולה להיות זהה לחלוטין.יש שתי סיבות לחוסר עקביות זה:

האחת היא חוסר העקביות של ייצור תאים

האחת היא חוסר העקביות של תגובות אלקטרוכימיות.

חוסר עקביות בייצור

קל להבין חוסר עקביות בייצור.לדוגמה, במהלך תהליך הייצור, חוסר עקביות בסרעפת וחוסר עקביות של חומרי קתודה ואנודה עלולים לגרום לחוסר עקביות בקיבולת הסוללה הכוללת.סוללת 50AH סטנדרטית עשויה להפוך ל-49AH או 51AH.

אי עקביות אלקטרוכימית

חוסר העקביות של האלקטרוכימיה הוא שבתהליך הטעינה והפריקה של הסוללות, גם אם הייצור והעיבוד של שני התאים זהים, הסביבה התרמית לעולם לא יכולה להיות עקבית בתהליך התגובה האלקטרוכימית.לדוגמה, בעת ביצוע מודולי סוללה, הטמפרטורה של הטבעת שמסביב חייבת להיות נמוכה מזו של האמצע.זה גורם לחוסר עקביות ארוכת טווח בין כמויות הטעינה והפריקה, מה שמוביל בתורו לקיבולת תא סוללה לא עקבית;כאשר זרמי הטעינה והפריקה של סרט ה-SEI על תא הסוללה אינם עקביים במשך זמן רב, גם ההזדקנות של סרט ה-SEI תהיה לא עקבית.

*סרט SEI: "ממשק אלקטרוליט מוצק" (ממשק אלקטרוליט מוצק).במהלך תהליך פריקת הטעינה הראשונה של סוללת ליתיום יון נוזלית, חומר האלקטרודה מגיב עם האלקטרוליט על ממשק הפאזה המוצק-נוזל כדי ליצור שכבת פסיבציה המכסה את פני חומר האלקטרודה.סרט SEI הוא מבודד אלקטרוני אך מוליך מצוין של יוני ליתיום, אשר לא רק מגן על האלקטרודה אלא גם אינו משפיע על תפקוד הסוללה.להזדקנות סרט SEI יש השפעה משמעותית על בריאות הסוללה.

לכן, חוסר אחידות (או דיסקרטיות) של ערכות סוללות הוא ביטוי בלתי נמנע של פעולת הסוללה.

למה צריך איזון

הסוללות שונות, אז למה לא לנסות לעשות אותן זהות?כי חוסר עקביות ישפיע על הביצועים של ערכת הסוללות.

ערכת הסוללות בסדרה עוקבת אחר אפקט חבית קצרה: במערכת ערכת הסוללות בסדרה, הקיבולת של מערכת הסוללות כולה נקבעת על ידי היחידה הבודדת הקטנה ביותר.

נניח שיש לנו ערכת סוללות המורכבת משלוש סוללות:

אני יודע שטעינת יתר ופריקת יתר עלולים לגרום נזק חמור לסוללות.לכן, כאשר סוללה B טעונה במלואה במהלך הטעינה או כאשר ה-SoC של סוללה B נמוך מאוד במהלך הפריקה, יש צורך להפסיק את הטעינה והפריקה כדי להגן על סוללה B. כתוצאה מכך, הספק של סוללות A ו-C לא יכול להיות מלא מנוצל.

זה מוביל ל:

הקיבולת השימושית בפועל של ערכת הסוללות ירדה: סוללה A ו-C, שיכלו להשתמש בקיבולת הזמינה, אינן מסוגלות כעת לעשות זאת כדי להכיל סוללה B. זה כמו שני אנשים על שלוש רגליים קשורות יחד, עם אדם גבוה יותר שאינו מסוגל לעשות צעדים גדולים.

חיי סוללה מופחתים: אורך צעד קטן יותר דורש יותר צעדים והופך את הרגליים לעייפות יותר.עם קיבולת מופחתת, מספר מחזורי הטעינה והפריקה גדל, וכתוצאה מכך השפלה גדולה יותר של הסוללה.לדוגמה, תא בודד יכול להשיג 4000 מחזורים ב-100% DoD, אבל בשימוש בפועל הוא לא יכול להגיע ל-100% ומספר המחזורים בוודאי לא יגיע ל-4000.

*DoD, Depth of discharge, מייצג את אחוז קיבולת פריקת הסוללה לקיבולת המדורגת של הסוללה.

חוסר העקביות של הסוללות מוביל לירידה בביצועים של ערכת הסוללות.כאשר גודל מודול הסוללה גדול, מחרוזות מרובות של סוללות מחוברות בסדרה, והפרש מתח בודד גדול יגרום לקיבולת של הקופסה כולה לרדת.ככל שיותר סוללות מחוברות בסדרה, כך הן מאבדות יותר קיבולת.עם זאת, ביישומים שלנו, במיוחד ביישומי מערכות אחסון אנרגיה, קיימות שתי דרישות חשובות:

הראשון הוא סוללה בעלת חיים ארוכים, שיכולה להפחית מאוד את עלויות התפעול והתחזוקה.למערכת אחסון האנרגיה יש דרישות גבוהות לחיי ערכת הסוללות.רוב הביתיים מיועדים ל-15 שנים.אם נניח 300 מחזורים בשנה, 15 שנים זה 4500 מחזורים, שזה עדיין גבוה מאוד.עלינו למקסם את אורך החיים של כל סוללה כך שכל החיים של ערכת הסוללות כולה יוכלו להגיע לחיי התכנון ככל האפשר, ולהפחית את ההשפעה של פיזור הסוללה על חיי ערכת הסוללות.

המחזור העמוק השני, במיוחד בתרחיש היישום של גילוח שיא, שחרור קוט"ש אחד נוסף של חשמל יביא עוד נקודת הכנסה אחת.כלומר, נעשה 80%DoD או 90%DoD.כאשר נעשה שימוש במחזור העמוק במערכת אגירת האנרגיה, פיזור הסוללה במהלך פריקת הזנב יבוא לידי ביטוי.לכן, על מנת להבטיח שחרור מלא של הקיבולת של כל תא בודד בתנאי טעינה עמוקה ופריקה עמוקה, יש צורך לדרוש מה-BMS של אחסון האנרגיה להיות בעל יכולות חזקות של ניהול השוואות ולדכא את התרחשות העקביות בין תאי הסוללה. .

שתי הדרישות הללו מנוגדות בדיוק לחוסר עקביות בסוללה.כדי להשיג יישומי ערכת סוללות יעילים יותר, עלינו להיות בעלי טכנולוגיית איזון יעילה יותר כדי להפחית את ההשפעה של חוסר עקביות בסוללה.

טכנולוגיית שיווי משקל

טכנולוגיית השוואת סוללות היא דרך להפוך סוללות עם קיבולות שונות זהות.ישנן שתי שיטות שוויון נפוצות: שוויון חד-כיווני פיזור אנרגיה (השוואה פסיבית) והשוואה דו-כיוונית להעברת אנרגיה (השוואה אקטיבית).

(1) איזון פסיבי

עקרון ההשוואה הפסיבי הוא להקביל נגד פריקה שניתן להחלפה על כל מחרוזת סוללות.ה-BMS שולט בנגד הפריקה כדי לפרוק את תאי המתח הגבוה יותר, תוך פיזור האנרגיה החשמלית כחום.לדוגמה, כאשר סוללה B טעונה כמעט במלואה, המתג נפתח כדי לאפשר לנגד בסוללה B לפזר עודפי אנרגיה חשמלית כחום.לאחר מכן הטעינה נמשכת עד שגם הסוללות A ו-C נטענות במלואן.

שיטה זו יכולה לפרוק רק תאים במתח גבוה, ואינה יכולה להטעין מחדש תאים בעלי קיבולת נמוכה.בשל מגבלת ההספק של התנגדות הפריקה, זרם ההשוואה בדרך כלל קטן (פחות מ-1A).

היתרונות של שוויון פסיבי הם עלות נמוכה ועיצוב מעגל פשוט;החסרונות הם שהיא מבוססת על קיבולת הסוללה הנמוכה ביותר להשוואה, שאינה יכולה להגדיל את הקיבולת של סוללות בעלות קיבולת נמוכה, וכי 100% מההספק השוויוני מתבזבז בצורה של חום.

(2) מאזן פעיל

באמצעות אלגוריתמים, מחרוזות מרובות של סוללות מעבירות את האנרגיה של תאים במתח גבוה לתאים במתח נמוך באמצעות רכיבי אחסון אנרגיה, פריקת הסוללות במתח גבוה יותר ושימוש באנרגיה המשתחררת לטעינת התאים במתח נמוך יותר.האנרגיה בעיקר מועברת ולא מתפזרת.

באופן זה, בזמן הטעינה, סוללה B, שמגיעה תחילה ל-100% מתח, מתרוקנת ל-A ו-C, ושלוש הסוללות נטענות במלואן יחד.בזמן פריקה, כאשר שאר הטעינה של סוללה B נמוכה מדי, A ו-C "טוענים" B, כך שתא B לא יגיע לסף SOC לעצירת פריקה כל כך מהר.

תכונות עיקריות של טכנולוגיית איזון פעיל

(1) איזון בין המתח הגבוה והנמוך לשיפור היעילות של ערכת הסוללות: במהלך טעינה ופריקה ובמצב מנוחה, ניתן לפרוק את סוללות המתח הגבוה ולטעון את סוללות המתח הנמוך;

(2) העברת אנרגיה בהפסד נמוך: אנרגיה מועברת בעיקר ולא פשוט אובדת, מה שמשפר את יעילות ניצול החשמל;

(3) זרם שיווי משקל גדול: בדרך כלל, זרם שיווי המשקל הוא בין 1 ל-10A, ושיווי המשקל מהיר יותר;

שוויון פעיל מצריך תצורה של מעגלים מתאימים והתקני אחסון אנרגיה, מה שמוביל לנפח גדול ולעלות מוגברת.שני התנאים הללו יחד קובעים שלא קל לקדם וליישם שוויון אקטיבי.

בנוסף, תהליך הטעינה והפריקה של ההשוואה הפעילים מגדיל באופן מרומז את חיי המחזור של הסוללה.עבור תאים שדורשים טעינה ופריקה כדי להשיג איזון, עומס העבודה הנוסף עלול לגרום להם לחרוג מהזדקנות של תאים רגילים, וכתוצאה מכך פער גדול יותר בביצועים מול תאים אחרים.

כמה מומחים מאמינים ששני הביטויים לעיל צריכים להתאים לשיווי משקל מתפזר ולשיווי משקל לא מתפזר.אם הוא אקטיבי או פסיבי צריך להיות תלוי באירוע שמפעיל את תהליך שיווי המשקל.אם המערכת מגיעה למצב שבו היא צריכה להיות פסיבית, היא פסיבית.אם הוא מוגדר על ידי בני אדם, הגדרת תוכנית שיווי המשקל כאשר אין צורך להיות מאוזן נקראת שיווי משקל פעיל.

לדוגמה, כאשר הפריקה היא בקצה, תא המתח הנמוך ביותר הגיע למתח ניתוק הפריקה, בעוד לתאים אחרים עדיין יש חשמל.בשלב זה, על מנת לפרוק כמה שיותר חשמל, מעבירה המערכת את החשמל של תאים בעלי אנרגיה גבוהה לתאים בעלי אנרגיה נמוכה, ומאפשרת את המשך תהליך הפריקה עד לפרוק כל הכוח.זהו תהליך שיוויון פסיבי.אם המערכת חוזה שיהיה חוסר איזון בתום הפריקה כשעוד נותרו 40% מהספק, היא תתחיל תהליך שוויון אקטיבי.

שוויון אקטיבי מתחלק לשיטות ריכוזיות ומבוזרות.שיטת ההשוואה הריכוזית משיגה אנרגיה מכל ערכת הסוללות, ולאחר מכן משתמשת במכשיר המרת אנרגיה כדי להשלים אנרגיה לסוללות בפחות אנרגיה.שוויון מבוזר כולל קישור אחסון אנרגיה בין סוללות סמוכות, שיכול להיות משרן או קבל, המאפשר זרימת אנרגיה בין סוללות סמוכות.

באסטרטגיית בקרת האיזון הנוכחית, יש מי שלוקחים את מתח התא כפרמטר יעד הבקרה, ויש גם מי שמציע להשתמש ב-SOC כפרמטר יעד בקרת האיזון.ניקח את מתח התא כדוגמה.

ראשית, הגדר זוג ערכי סף להתחלה וסיום של השוואת שוויון: למשל, בסט של סוללות, כאשר ההפרש בין המתח הקיצוני של תא בודד למתח הממוצע של הסט מגיע ל-50mV, מופעלת השוואה, וכאשר. הוא מגיע ל-5mV, ההשוואה מסתיימת.

ה-BMS אוסף את המתח של כל תא לפי מחזור רכישה קבוע, מחשב את הערך הממוצע ולאחר מכן מחשב את ההפרש בין מתח תא לערך הממוצע;

אם ההפרש המרבי מגיע ל-50mV, ה-BMS צריך להתחיל את תהליך ההשוואה;

המשך בשלב 2 במהלך תהליך ההשוואה עד שערכי ההפרש כולם יהיו פחות מ-5mV, ולאחר מכן סיים את ההשוואה.

יש לציין שלא כל ה-BMS דורשות שלב זה, והאסטרטגיות הבאות עשויות להשתנות בהתאם לשיטת האיזון.

טכנולוגיית האיזון קשורה גם לסוג הסוללה.נהוג להאמין ש-LFP מתאים יותר לאיזון אקטיבי, בעוד שסוללות טרינריות מתאימות לאיזון פסיבי.

שלב התחרות האינטנסיבית ב-BMS נתמך בעיקר על ידי עלות ואמינות.נכון לעכשיו, האימות הניסיוני של איזון פעיל טרם הושג.רמת הבטיחות התפקודית צפויה לנוע לכיוון ASIL-C ו-ASIL-D, אך העלות גבוהה למדי.לכן, החברות הגדולות הנוכחיות נזהרות ממחקר איזון אקטיבי.חלק מהמפעלים הגדולים אפילו רוצים לבטל את מודול האיזון ולבצע את כל האיזון באופן חיצוני, בדומה לתחזוקה של רכבי דלק.בכל פעם שהרכב נוסע מרחק מסוים, הוא יגיע לחנות 4S לאיזון חיצוני.זה יוזיל את העלות של כל ה-BMS של הרכב ויועיל גם לחנות 4S המקבילה.זה מצב של win-win לכל הצדדים.לכן, באופן אישי, אני מבין שזה עלול להפוך לטרנד!

3.3 הגנה – אבחון תקלות ואזעקה

ניטור ה-BMS מותאם לחומרה של מערכת החשמל, והוא מחולק לרמות תקלות שונות (תקלה קלה, תקלה חמורה, תקלה קטלנית) בהתאם לתנאי הביצועים השונים של הסוללה.אמצעי טיפול שונים ננקטים ברמות כשל שונות: אזהרה, הגבלת חשמל או ניתוק ישיר במתח גבוה.כשלים כוללים כשלי רכישת נתונים ורציונליות, כשלים חשמליים (חיישנים ומפעילים), כשלי תקשורת ותקלות במצב הסוללה.

דוגמה נפוצה היא כאשר סוללה מתחממת יתר על המידה, ה-BMS קובע שהסוללה מתחממת יתר על המידה בהתבסס על טמפרטורת הסוללה שנאספה, ואז שולט במעגל של סוללה זו להתנתק, מבצע הגנת התחממות יתר ושולח התראה למערכות ניהול כגון EMS.

3.4 תקשורת

לא ניתן להפריד את הפעולה הרגילה של BMS מפונקציית התקשורת שלו.בין אם מדובר בשליטה בסוללה במהלך ניהול הסוללה, בהעברת מצב הסוללה לעולם החיצון או בקבלת הוראות בקרה, נדרשת תקשורת יציבה.

במערכת סוללות החשמל, קצה אחד של ה-BMS מחובר למצבר, והקצה השני מחובר למערכות הבקרה והאלקטרוניקה של הרכב כולו.הסביבה הכוללת משתמשת בפרוטוקול CAN, אך יש הבחנה בין שימוש ב-CAN פנימי בין רכיבים פנימיים של ערכת הסוללות לבין שימוש ב-CAN של הרכב בין ערכת הסוללות לכלי הרכב.

לעומת זאת, BMS לאחסון אנרגיה ותקשורת פנימית משתמשות בעצם בפרוטוקול CAN, אך התקשורת החיצונית שלה (חיצונית מתייחסת בעיקר למערכת שיגור תחנת הכוח לאחסון אנרגיה PCS) משתמשת לעתים קרובות בפורמטים של פרוטוקול אינטרנט בפרוטוקול TCP/IP ופרוטוקול modbus.

4) אחסון אנרגיה BMS

יצרני BMS לאחסון אנרגיה התפתחו בדרך כלל מ-BMS של סוללות חשמל, כך שלעיצובים ומונחים רבים יש מקורות היסטוריים

לדוגמה, סוללת החשמל מחולקת בדרך כלל ל-BMU (יחידת מוניטור סוללה) ו-BCU (יחידת בקרת סוללה), כשהראשון אוסף נתונים והשני שולט בו.

מכיוון שתא הסוללה הוא תהליך אלקטרוכימי, תאי סוללה מרובים יוצרים סוללה.בשל המאפיינים של כל תא סוללה, לא משנה עד כמה תהליך הייצור מדויק, יהיו שגיאות וחוסר עקביות בכל תא סוללה לאורך זמן ובהתאם לסביבה.לכן, מערכת ניהול הסוללה היא להעריך את המצב הנוכחי של הסוללה באמצעות פרמטרים מוגבלים, וזה קצת כמו רופא ברפואה סינית מסורתית המאבחן מטופל על ידי התבוננות בסימפטומים ולא רפואה מערבית הדורשת ניתוח פיזי וכימי.הניתוח הפיזי והכימי של גוף האדם דומה למאפיינים האלקטרוכימיים של הסוללה, אותם ניתן למדוד על ידי מכשירי ניסוי בקנה מידה גדול.עם זאת, קשה למערכות משובצות להעריך כמה אינדיקטורים של אלקטרוכימיה.לכן, BMS הוא כמו רופא ותיק לרפואה סינית.

4.1 ארכיטקטורה תלת-שכבתית של BMS לאחסון אנרגיה

בשל המספר הרב של תאי סוללה במערכות אחסון אנרגיה, על מנת לחסוך בעלויות, BMS מיושם בדרך כלל בשכבות, עם שתיים או שלוש שכבות.נכון לעכשיו, המיינסטרים הוא שלוש שכבות: שליטה מאסטר/שליטה מאסטר/בקרת עבדים.

4.2 תיאור מפורט של BMS לאחסון אנרגיה

5) מצב נוכחי ומגמה עתידית

ישנם מספר סוגים של יצרנים המייצרים BMS:

הקטגוריה הראשונה היא משתמש הקצה עם הכוח הדומיננטי ביותר בסוללת החשמל BMS – מפעלי רכב.למעשה, החוזק החזק ביותר בייצור BMS בחו"ל הוא גם מפעלי הרכב, כמו ג'נרל מוטורס, טסלה וכו'. בבית יש BYD, Huating Power וכו'.

הקטגוריה השנייה היא מפעלי סוללות, כולל יצרני תאים ויצרני חבילות, כגון Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad וכו';

הסוג השלישי של יצרני BMS הם אלה עם ניסיון רב שנים בטכנולוגיית אלקטרוניקה כוח, ויש להם צוותי מו"פ עם רקע אוניברסיטאי או ארגוני קשור, כגון Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology ו-Kegong Electronics.

בניגוד ל-BMS של סוללות כוח, שנשלט בעיקר על ידי יצרני רכבי קצה, נראה שלמשתמשי הקצה של סוללות אחסון אנרגיה אין צורך או פעולות ספציפיות להשתתף במחקר ופיתוח וייצור של BMS.זה גם לא סביר שהם יוציאו הרבה כסף ואנרגיה כדי לפתח מערכות ניהול סוללות בקנה מידה גדול.לכן, ניתן לשקול כי תעשיית סוללות אחסון האנרגיה BMS חסרה שחקן חשוב עם יתרונות מוחלטים, מה שמותיר מרחב עצום לפיתוח ודמיון ליצרני וספקי סוללות המתמקדים ב-BMS לאחסון אנרגיה.אם שוק אגירת האנרגיה יתבסס, זה ייתן ליצרני סוללות ויצרני BMS מקצועיים הרבה מקום לפיתוח ופחות התנגדות תחרותית.

נכון להיום, יש מעט יצרני BMS מקצועיים יחסית המתמקדים בפיתוח BMS אגירת אנרגיה, בעיקר בשל העובדה ששוק אגירת האנרגיה עדיין בחיתוליו ועדיין יש ספקות רבים לגבי ההתפתחות העתידית של אגירת אנרגיה בשוק.לכן, רוב היצרנים לא פיתחו BMS הקשור לאגירת אנרגיה.בסביבה העסקית בפועל, ישנם גם יצרנים הרוכשים BMS סוללת רכב חשמלי לשימוש כ-BMS עבור סוללות אחסון אנרגיה.מאמינים כי בעתיד, יצרני BMS מקצועיים של רכבים חשמליים עשויים גם להפוך לחלק חשוב מספקי ה-BMS המשמשים בפרויקטים של אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול.

בשלב זה חסרים תקנים אחידים ל-BMS הניתנים על ידי ספקי מערכות אחסון אנרגיה שונים.ליצרנים שונים יש עיצובים והגדרות שונות ל-BMS, ובהתאם לסוללות השונות שהן תואמות אליהן, אלגוריתם SOX, טכנולוגיית האיזון ותוכן נתוני התקשורת שהועלו עשויים להשתנות גם הם.ביישום המעשי של BMS, הבדלים כאלה יגדילו את עלויות היישום ויפגעו בפיתוח התעשייתי.לכן, הסטנדרטיזציה והמודולריזציה של BMS יהיו גם כיוון פיתוח חשוב בעתיד.