Akumulatora pārvaldības sistēmas BMS zināšanas un funkcijas, ievads

BMS pilns nosaukums ir Battery Management System.Tā ir ierīce, kas uzrauga enerģijas uzglabāšanas akumulatoru stāvokli.To galvenokārt izmanto atsevišķu akumulatoru elementu inteliģentai pārvaldībai un apkopei, novēršot akumulatoru pārlādēšanu un pārmērīgu izlādi, pagarinot akumulatora darbības laiku un uzraugot akumulatora stāvokli.Parasti BMS tiek attēlots kā shēmas plate vai aparatūras kaste.

 

BMS ir viena no galvenajām akumulatora enerģijas uzglabāšanas sistēmas apakšsistēmām, kas ir atbildīga par katra akumulatora darbības stāvokļa uzraudzību akumulatora enerģijas uzglabāšanas blokā un drošas un uzticamas enerģijas uzkrāšanas bloka darbības nodrošināšanu.BMS var reāllaikā pārraudzīt un apkopot enerģijas uzglabāšanas akumulatora statusa parametrus (tostarp, bet ne tikai viena elementa spriegumu, akumulatora polu temperatūru, akumulatora cilpas strāvu, akumulatora spailes spriegumu, akumulatora sistēmas izolācijas pretestību utt.) veikt nepieciešamo analīzi un aprēķinus attiecīgajiem statusa parametriem, lai iegūtu vairāk sistēmas statusa novērtēšanas parametru.Tas var arī panākt efektīvu paša enerģijas uzglabāšanas akumulatora kontroli saskaņā ar īpašām aizsardzības kontroles stratēģijām, lai nodrošinātu visas akumulatora enerģijas uzglabāšanas vienības drošu un uzticamu darbību.Tajā pašā laikā BMS var mijiedarboties ar citām ārējām ierīcēm (PCS, EMS, ugunsdrošības sistēma utt.), izmantojot savu komunikācijas interfeisu un analogās/digitālās ievades interfeisu, lai veidotu dažādu apakšsistēmu savienojuma vadību visā enerģijas uzkrāšanas jaudā. staciju, nodrošinot drošu, uzticamu un efektīvu elektrostacijas darbību, kas savienota ar tīklu.

2) Arhitektūra

No topoloģijas arhitektūras viedokļa BMS ir sadalīta divās kategorijās: centralizēta un sadalīta atbilstoši dažādām projektu prasībām.

 

Centralizēta BMS

Vienkārši sakot, centralizētā BMS izmanto vienu BMS aparatūru, lai apkopotu visas šūnas, kas ir piemērota scenārijiem ar dažām šūnām.

Centralizētās BMS priekšrocības ir zemas izmaksas, kompakta struktūra un augsta uzticamība, un to parasti izmanto scenārijos ar zemu ietilpību, zemu kopējo spiedienu un mazu akumulatora sistēmas tilpumu, piemēram, elektroinstrumentiem, robotiem (robotiem, palīgrobotiem), IOT viedās mājas (slaucīšanas roboti, elektriskie putekļsūcēji), elektriskie iekrāvēji, elektriskie maza ātruma transportlīdzekļi (elektriskie velosipēdi, elektriskie motocikli, elektriskie apskates automobiļi, elektriskās patruļmašīnas, elektriskie golfa rati u.c.) un vieglie hibrīda transportlīdzekļi.

Centralizēto BMS aparatūru var iedalīt augstsprieguma un zemsprieguma zonās.Augstsprieguma zona ir atbildīga par viena elementa sprieguma, sistēmas kopējā sprieguma savākšanu un izolācijas pretestības uzraudzību.Zemsprieguma zonā ietilpst barošanas ķēdes, CPU ķēdes, CAN sakaru ķēdes, vadības ķēdes utt.

Tā kā pasažieru transportlīdzekļu jaudas akumulatoru sistēma turpina attīstīties uz lielu ietilpību, augstu kopējo spiedienu un lielu apjomu, sadalītās BMS arhitektūras galvenokārt tiek izmantotas plug-in hibrīda un tīri elektrisko transportlīdzekļu modeļos.

Izplatīts BMS

Pašlaik nozarē izplatītajiem BMS ir dažādi termini, un dažādiem uzņēmumiem ir dažādi nosaukumi.Strāvas akumulatora BMS lielākoties ir divu līmeņu galvenā un pakārtotā arhitektūra:

 

Enerģijas uzglabāšanas BMS parasti ir trīs līmeņu arhitektūra akumulatora lielā izmēra dēļ ar galveno vadības slāni virs pakārtotā un galvenā vadības slāņa.

Tāpat kā akumulatori veido akumulatoru kopas, kas savukārt veido kaudzes, trīs līmeņu BMS arī ievēro to pašu augšupvērsto noteikumu:

No vadības: akumulatoru vadības bloks (BMU), kas apkopo informāciju no atsevišķiem akumulatoriem.

Pārraugiet akumulatora elementa spriegumu un temperatūru

Akumulatora izlīdzināšana iepakojumā

Informācijas augšupielāde

siltuma vadība

Nenormāla trauksme

Galvenā vadība: Akumulatoru klastera pārvaldības vienība: BCU (akumulatoru klastera vienība, pazīstama arī kā augstsprieguma pārvaldības vienība HVU, BCMU utt.), kas ir atbildīga par BMU informācijas vākšanu un akumulatoru klasteru informācijas apkopošanu.

Akumulatoru klastera strāvas iegūšana, kopējā sprieguma iegūšana, noplūdes noteikšana

Aizsardzība pret izslēgšanos, ja akumulatora stāvoklis ir neparasts

Izmantojot BMS pārvaldību, jaudas kalibrēšanu un SOC kalibrēšanu var veikt atsevišķi kā pamatu turpmākai uzlādes un izlādes pārvaldībai

Akumulatoru bloku pārvaldības vienība (BAU) ir atbildīga par centralizētu akumulatoru pārvaldību visā enerģijas uzglabāšanas akumulatoru kaudzē.Tas savienojas ar dažādām akumulatoru klasteru pārvaldības vienībām un apmainās ar informāciju ar citām ierīcēm, lai sniegtu atgriezenisko saiti par akumulatora bloka darbības stāvokli.

Akumulatoru bloka uzlādes un izlādes vadība

BMS sistēmas pašpārbaudes un kļūdu diagnostikas signalizācija

Akumulatora bloka defektu diagnostikas trauksme

Drošības aizsardzība pret dažādām novirzēm un defektiem akumulatoru blokā

Sazinieties ar citām ierīcēm, piemēram, PCS un EMS

Datu uzglabāšana, pārraide un apstrāde

Akumulatoru pārvaldības slānis: atbild par dažādas informācijas (spriegums, temperatūra) vākšanu par atsevišķiem akumulatoriem, akumulatoru SOC un SOH aprēķināšanu un analīzi, atsevišķu akumulatoru aktīvas izlīdzināšanas panākšanu un atsevišķu akumulatoru neparastas informācijas augšupielādi akumulatora bloka slānī BCMU.Izmantojot CAN ārējo komunikāciju, tas ir savstarpēji savienots caur margrietiņu ķēdi.

Akumulatora pārvaldības slānis: atbild par dažādas informācijas vākšanu no atsevišķiem BMU augšupielādētiem akumulatoriem, dažādas informācijas vākšanu par akumulatoru bloku (pakotnes spriegumu, komplekta temperatūru), akumulatora uzlādes un izlādes strāvām, akumulatora bloka SOC un SOH aprēķināšanu un analīzi. un visas informācijas augšupielāde akumulatora klastera vienības slānī BAMS.Izmantojot CAN ārējo komunikāciju, tas ir savstarpēji savienots caur margrietiņu ķēdi.

Akumulatoru klasteru pārvaldības slānis: atbild par dažādas BCMU augšupielādētas akumulatora informācijas apkopošanu un visas informācijas augšupielādi enerģijas uzglabāšanas uzraudzības EMS sistēmā, izmantojot RJ45 interfeisu;sazinās ar PCS, lai nosūtītu attiecīgu neparastu informāciju par akumulatoru uz PCS (CAN vai RS485 interfeiss), un ir aprīkoti ar aparatūras sausajiem mezgliem, lai sazinātos ar PCS.Papildus veic akumulatoru sistēmas BSE (Battery State Estimate) novērtēšanu, elektriskās sistēmas stāvokļa noteikšanu, kontaktoru vadību, termisko vadību, darbības vadību, uzlādes vadību, diagnostikas vadību, kā arī veic iekšējo un ārējo sakaru tīklu vadību.Sazinās ar padotajiem caur CAN.

3) Ko dara BMS?

BMS funkcijas ir daudzas, taču galvenās un mūs visvairāk satrauc trīs aspekti:

Viens no tiem ir sensing (valsts pārvaldība), kas ir BMS pamatfunkcija.Tas mēra spriegumu, pretestību, temperatūru un galu galā uztver akumulatora stāvokli.Mēs vēlamies uzzināt, kāds ir akumulatora stāvoklis, cik daudz enerģijas un jaudas tam ir, cik tas ir veselīgs, cik daudz enerģijas tas ražo un cik tas ir drošs.Šī ir sajūta.

Otrais ir vadība (bilances vadība).Daži cilvēki saka, ka BMS ir akumulatora aukle.Tad šai auklei tas būtu jāpārvalda.Ko pārvaldīt?Tas ir paredzēts, lai akumulators būtu pēc iespējas labāks.Visvienkāršākā ir līdzsvara vadība un siltuma vadība.

Trešais ir aizsardzība (drošības pārvaldība).Auklītei arī ir savs darbs.Ja akumulatoram ir kāds statuss, tas ir jāaizsargā un jāaktivizē trauksme.

Protams, ir arī komunikācijas pārvaldības komponents, kas pārsūta datus sistēmā vai ārpus tās, izmantojot noteiktus protokolus.

BMS ir daudzas citas funkcijas, piemēram, darbības kontrole, izolācijas uzraudzība, siltuma vadība utt., kas šeit netiek apspriesti.

 

3.1. Uztvere – mērīšana un novērtēšana

BMS pamatfunkcija ir izmērīt un novērtēt akumulatora parametrus, tostarp tādus pamatparametrus kā spriegums, strāva, temperatūra un stāvoklis, kā arī akumulatora stāvokļa datu aprēķini, piemēram, SOC un SOH.Strāvas akumulatoru jomā ietilpst arī SOP (jaudas stāvokļa) un SOE (enerģijas stāvokļa) aprēķini, kas šeit nav apskatīti.Mēs pievērsīsimies pirmajiem diviem plašāk izmantotajiem datiem.

Šūnu mērīšana

1) Pamatinformācijas mērīšana: Akumulatora vadības sistēmas visvienkāršākā funkcija ir izmērīt atsevišķu akumulatora elementu spriegumu, strāvu un temperatūru, kas ir pamats visiem augstākā līmeņa aprēķiniem un vadības loģikai akumulatora vadības sistēmā.

2) Izolācijas pretestības pārbaude: Izolācijas pārbaude ir nepieciešama visai akumulatoru sistēmai un augstsprieguma sistēmai akumulatora vadības sistēmā.

3) Augstsprieguma bloķēšanas noteikšana (HVIL): izmanto, lai apstiprinātu visas augstsprieguma sistēmas integritāti un uzsāktu drošības pasākumus, ja ir apdraudēta augstsprieguma sistēmas cilpas integritāte.

SOC aprēķins

SOC attiecas uz uzlādes stāvokli, kas ir akumulatora atlikušā jauda.Vienkārši sakot, tas norāda, cik daudz jaudas ir palicis akumulatorā.

SOC ir vissvarīgākais BMS parametrs, jo viss pārējais ir balstīts uz to.Tāpēc tā precizitāte un robustums (pazīstams arī kā kļūdu labošanas iespēja) ir ārkārtīgi svarīgas.Bez precīzas SOC neviena aizsardzības funkcija nevar nodrošināt pareizu BMS darbību, jo akumulators bieži būs aizsargātā stāvoklī, padarot neiespējamu akumulatora darbības laika pagarināšanu.

Pašlaik galvenās SOC novērtēšanas metodes ietver atvērtās ķēdes sprieguma metodi, strāvas integrācijas metodi, Kalmana filtra metodi un neironu tīkla metodi.Parasti tiek izmantotas pirmās divas metodes.Pēdējās divas metodes ietver progresīvas zināšanas, piemēram, integrācijas modeļus un mākslīgo intelektu, kas šeit nav detalizēti aprakstīti.

Praktiskajās pielietojumos bieži tiek izmantoti vairāki algoritmi, izmantojot dažādus algoritmus atkarībā no akumulatora uzlādes un izlādes stāvokļa.

atvērtās ķēdes sprieguma metode

Atvērtās ķēdes sprieguma metodes princips ir izmantot relatīvi fiksētu funkcionālo attiecību starp atvērtās ķēdes spriegumu un SOC akumulatora ilgstošas ​​statiskas novietošanas apstākļos un tādējādi novērtēt SOC, pamatojoties uz atvērtās ķēdes spriegumu.Iepriekš plaši izmantotais svina-skābes akumulatora elektriskais velosipēds izmanto šo metodi, lai novērtētu SOC.Atvērtās ķēdes sprieguma metode ir vienkārša un ērta, taču tai ir arī daudz trūkumu:

1. Akumulators ilgstoši jāatstāj stāvēt, pretējā gadījumā atvērtās ķēdes spriegumu būs grūti nostabilizēt īsā laika periodā;

2. Baterijās, īpaši litija dzelzs fosfāta akumulatoros, ir sprieguma plato, kur SOC30%-80% diapazonā spaiļu spriegums un SOC līkne ir aptuveni lineāra;

3. Akumulators ir dažādās temperatūrās vai dažādos dzīves posmos, un, lai gan atvērtās ķēdes spriegums ir vienāds, faktiskā SOC atšķirība var būt liela;

Kā parādīts attēlā zemāk, ja mēs izmantojam šo elektrisko velosipēdu, ja pašreizējā SOC tiek parādīta kā 100%, paātrinājuma laikā spriegums samazinās, un jauda var tikt parādīta kā 80%.Kad mēs pārtraucam paātrināt, spriegums palielinās, un jauda atkal palielinās līdz 100%.Tātad mūsu elektriskā skrejriteņa jaudas displejs nav precīzs.Kad mēs apstājamies, tam ir jauda, ​​bet, kad mēs iedarbinām, tas beidzas.Iespējams, ka tā nav problēma ar akumulatoru, bet tā var būt tāpēc, ka BMS SoC algoritms ir pārāk vienkāršs.

An-Shi integrālā metode

Anshicontinuous integrācijas metode tieši aprēķina SOC vērtību reāllaikā, izmantojot SOC definīciju.

Ņemot vērā sākotnējo SOC vērtību, ja vien var izmērīt akumulatora strāvu (ja izlādes strāva ir pozitīva), akumulatora jaudas izmaiņas var precīzi aprēķināt, izmantojot strāvas integrāciju, kā rezultātā tiek iegūts atlikušais SOC.

Šai metodei ir salīdzinoši ticami aplēses rezultāti īsā laika periodā, taču strāvas sensora mērījumu kļūdu un pakāpeniskas akumulatora jaudas samazināšanās dēļ ilgtermiņa strāvas integrācija radīs noteiktas novirzes.Tāpēc to parasti izmanto kopā ar atvērtās ķēdes sprieguma metodi, lai novērtētu SOC novērtējuma sākotnējo vērtību ar zemas precizitātes prasībām, un to var izmantot arī kopā ar Kalmana filtrēšanas metodi īstermiņa SOC prognozēšanai.

SOC (State Of Charge) pieder BMS galvenajam vadības algoritmam, kas atspoguļo pašreizējo atlikušās jaudas statusu.To galvenokārt panāk, izmantojot ampērstundu integrācijas metodi un EKF (paplašinātā Kalmana filtra) algoritmu, apvienojumā ar korekcijas stratēģijām (piemēram, atvērtas ķēdes sprieguma korekcija, pilnas uzlādes korekcija, uzlādes beigu korekcija, jaudas korekcija dažādās temperatūrās un SOH, utt.).Amperstundu integrācijas metode ir samērā uzticama, ja tiek nodrošināta strāvas iegūšanas precizitāte, taču tā nav izturīga.Kļūdu uzkrāšanās dēļ tas ir jāapvieno ar korekcijas stratēģijām.EKF metode ir stabila, bet algoritms ir salīdzinoši sarežģīts un grūti īstenojams.Vietējie galvenie ražotāji istabas temperatūrā var sasniegt precizitāti, kas ir mazāka par 6%, taču ir grūti novērtēt augstā un zemā temperatūrā un akumulatora vājināšanos.

SOC korekcija

Pašreizējo svārstību dēļ aplēstā SOC var būt neprecīza, un novērtēšanas procesā ir jāiekļauj dažādas korekcijas stratēģijas.

 

SOH aprēķins

SOH attiecas uz veselības stāvokli, kas norāda pašreizējo akumulatora veselības stāvokli (vai akumulatora noārdīšanās pakāpi).Parasti tas tiek attēlots kā vērtība no 0 līdz 100%, un vērtības, kas ir zemākas par 80%, parasti tiek uzskatītas par to, ka akumulators vairs nav lietojams.To var attēlot ar akumulatora jaudas vai iekšējās pretestības izmaiņām.Izmantojot jaudu, pašreizējā akumulatora faktiskā jauda tiek aprēķināta, pamatojoties uz datiem no akumulatora darbības procesa, un tās attiecība pret nominālo jaudu ir SOH.Precīzs SOH uzlabos citu moduļu novērtējuma precizitāti, kad akumulators pasliktinās.

Nozarē ir divas dažādas SOH definīcijas:

SOH definīcija, kuras pamatā ir jaudas izbalēšana

Lietojot litija jonu akumulatorus, akumulatorā pakāpeniski samazinās aktīvais materiāls, palielinās iekšējā pretestība un samazinās jauda.Tāpēc SOH var novērtēt pēc akumulatora jaudas.Akumulatora veselības stāvoklis tiek izteikts kā pašreizējās jaudas attiecība pret sākotnējo jaudu, un tā SOH tiek definēts šādi:

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

Kur: C_fade ir akumulatora zaudētā jauda;C_standard ir nominālā jauda.

IEEE standarts 1188-1996 nosaka, ka, ja strāvas akumulatora kapacitāte samazinās līdz 80%, akumulators ir jānomaina.Tāpēc mēs parasti uzskatām, ka akumulatora SOH nav pieejams, ja tas ir zem 80%.

SOH definīcija, kuras pamatā ir jaudas vājināšanās (Power Fade)

Gandrīz visu veidu akumulatoru novecošana izraisīs akumulatora iekšējās pretestības palielināšanos.Jo lielāka ir akumulatora iekšējā pretestība, jo zemāka ir pieejamā jauda.Tāpēc SOH var novērtēt, izmantojot jaudas vājināšanos.

3.2. Pārvaldība – līdzsvarota tehnoloģija

Katram akumulatoram ir sava "personība"

Lai runātu par līdzsvaru, mums jāsāk ar baterijām.Pat viena un tā paša ražotāja vienā partijā ražotām baterijām ir savi dzīves cikli un “personības” – katra akumulatora jauda nevar būt pilnīgi vienāda.Šai neatbilstībai ir divi iemesli:

Viens no tiem ir šūnu ražošanas nekonsekvence

Viens no tiem ir elektroķīmisko reakciju nekonsekvence.

ražošanas nekonsekvence

Ražošanas neatbilstības ir viegli saprotamas.Piemēram, ražošanas procesa laikā diafragmas neatbilstības un katoda un anoda materiāla neatbilstības var izraisīt vispārējas akumulatora jaudas neatbilstības.Standarta 50AH akumulators var kļūt par 49AH vai 51AH.

elektroķīmiskā neatbilstība

Elektroķīmijas nekonsekvence ir tāda, ka akumulatora uzlādes un izlādes procesā, pat ja abu elementu ražošana un apstrāde ir identiski, termiskā vide nekad nevar būt konsekventa elektroķīmiskās reakcijas procesā.Piemēram, izgatavojot akumulatoru moduļus, apkārtējā gredzena temperatūrai jābūt zemākai par vidējo.Tas rada ilgstošu neatbilstību starp uzlādes un izlādes apjomiem, kas savukārt noved pie nekonsekventas akumulatora elementu jaudas;Ja SEI plēves uzlādes un izlādes strāvas uz akumulatora elementa ilgstoši ir nekonsekventas, arī SEI plēves novecošanās būs nekonsekventa.

*SEI plēve: “cietā elektrolīta saskarne” (cietā elektrolīta saskarne).Šķidrā litija jonu akumulatora pirmās uzlādes izlādes procesā elektroda materiāls reaģē ar elektrolītu uz cietās un šķidruma fāzes saskarnes, veidojot pasivācijas slāni, kas pārklāj elektroda materiāla virsmu.SEI plēve ir elektronisks izolators, bet lielisks litija jonu vadītājs, kas ne tikai aizsargā elektrodu, bet arī neietekmē akumulatora darbību.SEI plēves novecošanās būtiski ietekmē akumulatora veselību.

Tāpēc akumulatoru bloku neviendabīgums (vai diskrētums) ir neizbēgama akumulatora darbības izpausme.

Kāpēc vajadzīgs līdzsvars

Baterijas ir dažādas, tad kāpēc gan nemēģināt tās padarīt vienādas?Tā kā neatbilstība ietekmēs akumulatora darbību.

Akumulatoru komplekts sērijveidā seko īsstobra efektam: sērijveida akumulatoru bloku sistēmā visas akumulatora bloka sistēmas kapacitāti nosaka mazākā viena vienība.

Pieņemsim, ka mums ir akumulators, kas sastāv no trim baterijām:

Ziniet, ka pārlādēšana un pārmērīga izlāde var nopietni sabojāt akumulatorus.Tāpēc, ja akumulators B uzlādes laikā ir pilnībā uzlādēts vai ja akumulatora B SoC izlādes laikā ir ļoti zems, ir jāpārtrauc uzlāde un izlāde, lai aizsargātu akumulatoru B. Tā rezultātā akumulatoru A un C jaudu nevar pilnībā sasniegt. izmantotas.

Tas noved pie:

Akumulatora bloka faktiskā izmantojamā ietilpība ir samazinājusies: akumulators A un C, kas varēja izmantot pieejamo jaudu, tagad nespēj to izdarīt, lai ievietotu akumulatoru B. Tas ir kā divi cilvēki uz trim kopā sasietām kājām, ar garāks cilvēks, kurš nespēj spert lielus soļus.

Samazināts akumulatora darbības laiks: mazāks soļa garums prasa vairāk soļu un padara kājas vairāk nogurušas.Ar samazinātu ietilpību palielinās uzlādes un izlādes ciklu skaits, kā rezultātā akumulators vairāk pasliktinās.Piemēram, viena šūna var sasniegt 4000 ciklus pie 100% DoD, bet reālajā lietošanā tas nevar sasniegt 100%, un ciklu skaits noteikti nesasniegs 4000.

*DoD, izlādes dziļums, norāda akumulatora izlādes jaudas procentuālo attiecību pret akumulatora nominālo jaudu.

Bateriju nekonsekvence izraisa akumulatora bloka veiktspējas samazināšanos.Ja akumulatora moduļa izmērs ir liels, virknē tiek savienotas vairākas akumulatoru virknes, un liela viena sprieguma starpība izraisīs visas kastes jaudas samazināšanos.Jo vairāk akumulatoru ir savienoti sērijveidā, jo vairāk jaudas tie zaudē.Tomēr mūsu lietojumprogrammās, jo īpaši enerģijas uzglabāšanas sistēmu lietojumprogrammās, ir divas svarīgas prasības:

Pirmais ir ilgmūžīgs akumulators, kas var ievērojami samazināt darbības un uzturēšanas izmaksas.Enerģijas uzglabāšanas sistēmai ir augstas prasības attiecībā uz akumulatora darbības laiku.Lielākā daļa sadzīves ir paredzētas 15 gadiem.Ja mēs pieņemam 300 ciklus gadā, 15 gadi ir 4500 cikli, kas joprojām ir ļoti daudz.Mums ir jāpalielina katra akumulatora darbības laiks, lai visa akumulatora bloka kopējais kalpošanas laiks pēc iespējas ilgāk sasniegtu paredzēto kalpošanas laiku, un jāsamazina akumulatora izkliedes ietekme uz akumulatora darbības laiku.

Otrais dziļais cikls, it īpaši maksimālā skūšanās lietojumprogrammas scenārijā, atbrīvojot vēl vienu kWh elektroenerģijas, ienesīs par vienu punktu vairāk ieņēmumu.Tas nozīmē, ka mēs veiksim 80% DoD vai 90% DoD.Izmantojot dziļo ciklu enerģijas uzkrāšanas sistēmā, izpaudīsies akumulatora izkliede astes izlādes laikā.Tāpēc, lai nodrošinātu pilnīgu katras atsevišķas šūnas jaudas atbrīvošanu dziļas uzlādes un dziļas izlādes apstākļos, ir nepieciešams, lai enerģijas uzkrāšanas BMS būtu spēcīgas izlīdzināšanas pārvaldības iespējas un jānovērš konsekvences rašanās starp akumulatora elementiem. .

Šīs divas prasības ir tieši pretrunā akumulatora neatbilstībai.Lai panāktu efektīvāku akumulatora bloku lietojumu, mums ir jābūt efektīvākai balansēšanas tehnoloģijai, lai samazinātu akumulatora neatbilstības ietekmi.

līdzsvara tehnoloģija

Akumulatoru izlīdzināšanas tehnoloģija ir veids, kā padarīt dažādas jaudas baterijas vienādas.Ir divas izplatītas izlīdzināšanas metodes: enerģijas izkliedes vienvirziena izlīdzināšana (pasīvā izlīdzināšana) un enerģijas pārneses divvirzienu izlīdzināšana (aktīvā izlīdzināšana).

(1) Pasīvs līdzsvars

Pasīvās izlīdzināšanas princips ir paralēli ieslēdzamam izlādes rezistoram uz katras bateriju virknes.BMS kontrolē izlādes rezistoru, lai izlādētu augstāka sprieguma šūnas, izkliedējot elektrisko enerģiju kā siltumu.Piemēram, kad akumulators B ir gandrīz pilnībā uzlādēts, slēdzis tiek atvērts, lai akumulatora B rezistors varētu izkliedēt lieko elektrisko enerģiju kā siltumu.Pēc tam uzlāde turpinās, līdz arī akumulatori A un C ir pilnībā uzlādēti.

Šī metode var izlādēt tikai augstsprieguma elementus un nevar uzlādēt mazjaudas elementus.Izlādes pretestības jaudas ierobežojuma dēļ izlīdzināšanas strāva parasti ir maza (mazāka par 1A).

Pasīvās izlīdzināšanas priekšrocības ir zemas izmaksas un vienkārša ķēdes konstrukcija;mīnusi ir tādi, ka tas ir balstīts uz zemāko atlikušo akumulatora jaudu izlīdzināšanai, kas nevar palielināt akumulatoru ar zemu atlikušo jaudu, un ka 100% no izlīdzinātās jaudas tiek iztērēti siltuma veidā.

(2) Aktīvais atlikums

Izmantojot algoritmus, vairākas bateriju virknes pārnes augstsprieguma elementu enerģiju uz zemsprieguma elementiem, izmantojot enerģijas uzkrāšanas komponentus, izlādējot augstāka sprieguma baterijas un izmantojot atbrīvoto enerģiju, lai uzlādētu zemāka sprieguma elementus.Enerģija galvenokārt tiek pārnesta, nevis izkliedēta.

Tādā veidā lādēšanas laikā akumulators B, kas pirmais sasniedz 100% spriegumu, izlādējas līdz A un C, un trīs akumulatori tiek pilnībā uzlādēti kopā.Izlādes laikā, kad akumulatora B atlikušais lādiņš ir pārāk zems, A un C “uzlādē” B, lai šūna B tik ātri nesasniegtu SOC slieksni izlādes apturēšanai.

Aktīvās balansēšanas tehnoloģijas galvenās iezīmes

(1) Līdzsvarojiet augsto un zemo spriegumu, lai uzlabotu akumulatora bloka efektivitāti: uzlādes un izlādes laikā un miera stāvoklī augstsprieguma akumulatorus var izlādēt un zemsprieguma akumulatorus var uzlādēt;

(2) Enerģijas pārnešana ar zemu zudumu: enerģija galvenokārt tiek pārnesta, nevis vienkārši zaudēta, uzlabojot enerģijas izmantošanas efektivitāti;

(3) Liela līdzsvara strāva: parasti līdzsvara strāva ir no 1 līdz 10 A, un līdzsvars ir ātrāks;

Aktīvai izlīdzināšanai nepieciešama atbilstošu ķēžu un enerģijas uzglabāšanas ierīču konfigurācija, kas rada lielu apjomu un palielina izmaksas.Šie divi nosacījumi kopā nosaka, ka aktīvu izlīdzināšanu nav viegli veicināt un piemērot.

Turklāt aktīvais izlīdzināšanas uzlādes un izlādes process netieši palielina akumulatora cikla kalpošanas laiku.Šūnām, kurām ir nepieciešama uzlāde un izlāde, lai panāktu līdzsvaru, papildu darba slodze var izraisīt to, ka tie pārsniedz parasto šūnu novecošanos, kā rezultātā palielinās veiktspējas atšķirības no citām šūnām.

Daži eksperti uzskata, ka abām iepriekš minētajām izteiksmēm jāatbilst izkliedējošam līdzsvaram un neizkliedējošam līdzsvaram.Tas, vai tas ir aktīvs vai pasīvs, ir atkarīgs no notikuma, kas izraisa līdzsvara procesu.Ja sistēma sasniedz stāvokli, kurā tai jābūt pasīvai, tā ir pasīva.Ja to iestata cilvēki, līdzsvara programmas iestatīšanu, kad nav nepieciešams līdzsvarot, sauc par aktīvo līdzsvaru.

Piemēram, kad izlāde ir beigās, zemākā sprieguma šūna ir sasniegusi izlādes atslēgšanās spriegumu, bet citām šūnām joprojām ir jauda.Šajā laikā, lai izlādētu pēc iespējas vairāk elektroenerģijas, sistēma nodod augstas enerģijas elementu elektroenerģiju zemas enerģijas šūnām, ļaujot izlādes procesam turpināties, līdz tiek izlādēta visa jauda.Tas ir pasīvs izlīdzināšanas process.Ja sistēma paredz, ka izlādes beigās, kad vēl ir atlikuši 40% jaudas, būs nelīdzsvarotība, tā sāks aktīvu izlīdzināšanas procesu.

Aktīvā izlīdzināšana ir sadalīta centralizētās un decentralizētās metodēs.Centralizētā izlīdzināšanas metode iegūst enerģiju no visa akumulatora bloka un pēc tam izmanto enerģijas pārveidošanas ierīci, lai papildinātu akumulatoru enerģiju ar mazāku enerģiju.Decentralizētā izlīdzināšana ietver enerģijas uzkrāšanas savienojumu starp blakus esošajām baterijām, kas var būt induktors vai kondensators, ļaujot enerģijai plūst starp blakus esošajām baterijām.

Pašreizējā bilances kontroles stratēģijā ir tie, kas izmanto elementu spriegumu kā kontroles mērķa parametru, un ir arī tie, kas ierosina izmantot SOC kā līdzsvara kontroles mērķa parametru.Kā piemēru ņemot šūnas spriegumu.

Vispirms iestatiet sliekšņa vērtību pāri izlīdzināšanas uzsākšanai un pabeigšanai: piemēram, bateriju komplektā, kad starpība starp vienas šūnas galējo spriegumu un komplekta vidējo spriegumu sasniedz 50mV, tiek uzsākta izlīdzināšana un kad tas sasniedz 5mV, izlīdzināšana ir beigusies.

BMS savāc katras šūnas spriegumu saskaņā ar fiksētu iegūšanas ciklu, aprēķina vidējo vērtību un pēc tam aprēķina starpību starp katra elementa spriegumu un vidējo vērtību;

Ja maksimālā starpība sasniedz 50mV, BMS jāuzsāk izlīdzināšanas process;

Izlīdzināšanas procesa laikā turpiniet 2. darbību, līdz visas starpības vērtības ir mazākas par 5 mV, un pēc tam pabeidziet izlīdzināšanu.

Jāņem vērā, ka ne visām BMS ir nepieciešama šī darbība, un turpmākās stratēģijas var atšķirties atkarībā no līdzsvara metodes.

Līdzsvara tehnoloģija ir saistīta arī ar akumulatora veidu.Parasti tiek uzskatīts, ka LFP ir vairāk piemērots aktīvajam līdzsvaram, savukārt trīskāršās baterijas ir piemērotas pasīvajam līdzsvaram.

Spēcīgas konkurences posmu BMS galvenokārt atbalsta izmaksas un uzticamība.Pašlaik aktīvās balansēšanas eksperimentālā pārbaude vēl nav sasniegta.Paredzams, ka funkcionālās drošības līmenis virzīsies uz ASIL-C un ASIL-D, taču izmaksas ir diezgan augstas.Tāpēc pašreizējie lielie uzņēmumi uz aktīvu balansēšanas izpēti raugās piesardzīgi.Dažas lielas rūpnīcas pat vēlas atcelt balansēšanas moduli un visu balansēšanu veikt ārēji, līdzīgi kā degvielas transportlīdzekļu apkopi.Katru reizi, kad transportlīdzeklis nobrauc noteiktu attālumu, tas dosies uz 4S veikalu ārējai balansēšanai.Tas samazinās visa transportlīdzekļa BMS izmaksas, kā arī noderēs atbilstošajam 4S veikalam.Tā ir abpusēji izdevīga situācija visām pusēm.Tāpēc es personīgi saprotu, ka tā var kļūt par tendenci!

3.3 Aizsardzība – defektu diagnostika un trauksme

BMS uzraudzība ir saskaņota ar elektriskās sistēmas aparatūru, un tā ir sadalīta dažādos atteices līmeņos (neliela atteice, nopietna atteice, letāla atteice) atbilstoši dažādiem akumulatora darbības apstākļiem.Dažādos atteices līmeņos tiek veikti dažādi apstrādes pasākumi: brīdinājums, jaudas ierobežojums vai tieša augstsprieguma atslēgšana.Pie kļūmēm pieder datu iegūšanas un racionalitātes kļūmes, elektriskās kļūmes (sensoru un izpildmehānismu), sakaru kļūmes un akumulatora statusa kļūmes.

Izplatīts piemērs ir, kad akumulators pārkarst, BMS nosaka, ka akumulators pārkarst, pamatojoties uz savākto akumulatora temperatūru, pēc tam kontrolē šī akumulatora ķēdi, lai atvienotos, veic aizsardzību pret pārkaršanu un nosūta brīdinājumu vadības sistēmām, piemēram, EMS.

3.4. Saziņa

BMS parasto darbību nevar atdalīt no tā komunikācijas funkcijas.Neatkarīgi no tā, vai tā ir akumulatora kontrole akumulatora pārvaldības laikā, akumulatora statusa pārsūtīšana uz ārpasauli vai vadības instrukciju saņemšana, ir nepieciešama stabila saziņa.

Strāvas akumulatora sistēmā viens BMS gals ir savienots ar akumulatoru, bet otrs gals ir savienots ar visa transportlīdzekļa vadības un elektroniskajām sistēmām.Kopējā vidē tiek izmantots CAN protokols, taču pastāv atšķirība starp iekšējā CAN izmantošanu starp akumulatora bloka iekšējām sastāvdaļām un transportlīdzekļa CAN izmantošanu starp akumulatoru bloku un visu transportlīdzekli.

Turpretim enerģijas uzglabāšanas BMS un iekšējā komunikācija pamatā izmanto CAN protokolu, bet tās ārējā saziņa (ārējā galvenokārt attiecas uz enerģijas uzkrāšanas spēkstacijas dispečersistēmu PCS) bieži izmanto interneta protokola formātus TCP/IP protokolu un modbus protokolu.

4) Enerģijas uzglabāšanas BMS

Enerģijas uzglabāšanas BMS ražotāji parasti ir attīstījušies no jaudas akumulatoru BMS, tāpēc daudziem dizainparaugiem un terminiem ir vēsturiska izcelsme

Piemēram, jaudas akumulators parasti ir sadalīts BMU (akumulatora uzraudzības vienībā) un BCU (akumulatora vadības blokā), kur pirmais vāc datus, bet otrais tos kontrolē.

Tā kā akumulatora elementi ir elektroķīmisks process, akumulatoru veido vairākas akumulatora šūnas.Katra akumulatora elementa īpašību dēļ neatkarīgi no tā, cik precīzs ir ražošanas process, katrā akumulatora šūnā laika gaitā un atkarībā no vides būs kļūdas un neatbilstības.Tāpēc akumulatora pārvaldības sistēmai ir jānovērtē akumulatora pašreizējais stāvoklis, izmantojot ierobežotus parametrus, kas ir nedaudz līdzīgs tradicionālās ķīniešu medicīnas ārstam, kurš diagnosticē pacientu, novērojot simptomus, nevis Rietumu medicīnu, kurai nepieciešama fizikāla un ķīmiska analīze.Cilvēka ķermeņa fizikālā un ķīmiskā analīze ir līdzīga akumulatora elektroķīmiskajām īpašībām, kuras var izmērīt ar liela mēroga eksperimentāliem instrumentiem.Tomēr iegultajām sistēmām ir grūti novērtēt dažus elektroķīmijas rādītājus.Tāpēc BMS ir kā vecs ķīniešu medicīnas ārsts.

4.1. Enerģijas uzkrāšanas BMS trīsslāņu arhitektūra

Tā kā enerģijas uzkrāšanas sistēmās ir liels bateriju elementu skaits, izmaksu taupīšanas nolūkos BMS parasti tiek ieviests slāņos, ar diviem vai trim slāņiem.Pašlaik galvenajai plūsmai ir trīs slāņi: galvenā vadība / galvenā vadība / vergu vadība.

4.2 Detalizēts enerģijas uzkrāšanas BMS apraksts

5) Pašreizējā situācija un nākotnes tendence

Ir vairāki ražotāju veidi, kas ražo BMS:

Pirmā kategorija ir galalietotājs ar dominējošo jaudu jaudas akumulatoru BMS – automašīnu rūpnīcās.Faktiski spēcīgākais BMS ražošanas spēks ārzemēs ir arī automašīnu rūpnīcas, piemēram, General Motors, Tesla utt., Mājās ir BYD, Huating Power utt.

Otrā kategorija ir akumulatoru rūpnīcas, tostarp šūnu ražotāji un iepakojumu ražotāji, piemēram, Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad utt.;

Trešā veida BMS ražotāji ir tie, kuriem ir daudzu gadu pieredze jaudas elektronikas tehnoloģiju jomā, un tiem ir pētniecības un attīstības komandas ar universitāšu vai saistīto uzņēmumu pieredzi, piemēram, Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology un Kegong Electronics.

Atšķirībā no jaudas akumulatoru BMS, kurā pārsvarā dominē terminālu transportlīdzekļu ražotāji, šķiet, ka enerģijas akumulatoru galalietotājiem nav vajadzības vai konkrētas darbības, lai piedalītos BMS izpētē un izstrādē un ražošanā.Tāpat maz ticams, ka viņi tērēs daudz naudas un enerģijas, lai izstrādātu liela mēroga akumulatoru vadības sistēmas.Līdz ar to var uzskatīt, ka enerģijas uzglabāšanas akumulatoru BMS nozarei trūkst nozīmīga spēlētāja ar absolūtām priekšrocībām, atstājot milzīgu vietu attīstībai un iztēlei akumulatoru ražotājiem un pārdevējiem, kas koncentrējas uz enerģijas uzkrāšanas BMS.Ja tiks izveidots enerģijas uzglabāšanas tirgus, tas dos akumulatoru ražotājiem un profesionāliem BMS ražotājiem daudz iespēju attīstībai un mazāku konkurētspēju.

Šobrīd ir salīdzinoši maz profesionālu BMS ražotāju, kas būtu orientēti uz enerģijas uzglabāšanas BMS izstrādi, galvenokārt tāpēc, ka enerģijas uzglabāšanas tirgus vēl ir tikai sākuma stadijā un joprojām ir daudz šaubu par enerģijas uzglabāšanas turpmāko attīstību tirgū.Tāpēc lielākā daļa ražotāju nav izstrādājuši BMS, kas saistītas ar enerģijas uzglabāšanu.Faktiskajā uzņēmējdarbības vidē ir arī ražotāji, kas iegādājas elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru BMS izmantošanai kā enerģijas uzglabāšanas akumulatoru BMS.Domājams, ka nākotnē profesionāli elektrisko transportlīdzekļu BMS ražotāji, visticamāk, kļūs arī par nozīmīgu daļu no BMS piegādātājiem, ko izmanto liela mēroga enerģijas uzglabāšanas projektos.

Šajā posmā trūkst vienotu BMS standartu, ko nodrošina dažādi enerģijas uzglabāšanas sistēmu piegādātāji.Dažādiem ražotājiem ir atšķirīgs BMS dizains un definīcijas, un atkarībā no dažādām baterijām, ar kurām tie ir saderīgi, var atšķirties arī augšupielādētais SOX algoritms, izlīdzināšanas tehnoloģija un sakaru datu saturs.Praktiskajā BMS pielietojumā šādas atšķirības palielinās pielietošanas izmaksas un kaitēs rūpniecības attīstībai.Tāpēc arī BMS standartizācija un modularizācija būs nozīmīgs attīstības virziens nākotnē.