1) Wat is GBS?
De volledige naam van BMS is Batterij Management Systeem.Het is een apparaat dat de status van energieopslagbatterijen bewaakt.Het wordt voornamelijk gebruikt voor intelligent beheer en onderhoud van individuele batterijcellen, het voorkomen van overladen en ontladen van batterijen, het verlengen van de levensduur van de batterij en het bewaken van de batterijstatus.Over het algemeen wordt BMS weergegeven als een printplaat of een hardwarekast.
Het BMS is een van de kernsubsystemen van het batterij-energieopslagsysteem en is verantwoordelijk voor het bewaken van de bedrijfsstatus van elke batterij in de batterij-energieopslageenheid en voor het garanderen van de veilige en betrouwbare werking van de energieopslageenheid.Het BMS kan de statusparameters van de energieopslagbatterij in realtime bewaken en verzamelen (inclusief maar niet beperkt tot de spanning van één cel, de pooltemperatuur van de batterij, de lusstroom van de batterij, de klemspanning van het batterijpakket, de isolatieweerstand van het batterijsysteem, enz.), en voer de nodige analyses en berekeningen uit op relevante statusparameters om meer systeemstatusevaluatieparameters te verkrijgen.Het kan ook een effectieve controle over de energieopslagbatterij zelf bereiken volgens specifieke beschermingscontrolestrategieën om de veilige en betrouwbare werking van de gehele batterij-energieopslageenheid te garanderen.Tegelijkertijd kan het BMS communiceren met andere externe apparaten (PCS, EMS, brandbeveiligingssysteem, enz.) via zijn eigen communicatie-interface en analoge/digitale invoerinterface om een koppelingscontrole te vormen van verschillende subsystemen in het gehele energieopslagvermogen. elektriciteitscentrale, waardoor een veilige, betrouwbare en efficiënte, op het elektriciteitsnet aangesloten werking van de elektriciteitscentrale wordt gegarandeerd.
2) Architectuur
Vanuit het perspectief van topologische architectuur is BMS verdeeld in twee categorieën: gecentraliseerd en gedistribueerd volgens verschillende projectvereisten.
Gecentraliseerd GBS
Simpel gezegd gebruikt gecentraliseerd BMS één enkele BMS-hardware om alle cellen te verzamelen, wat geschikt is voor scenario's met weinig cellen.
Gecentraliseerd BMS heeft de voordelen van lage kosten, compacte structuur en hoge betrouwbaarheid, en wordt vaak gebruikt in scenario's met lage capaciteit, lage totale druk en een klein batterijsysteemvolume, zoals elektrisch gereedschap, robots (handlingrobots, ondersteunende robots), IOT smart homes (veegrobots, elektrische stofzuigers), elektrische vorkheftrucks, elektrische voertuigen met lage snelheid (elektrische fietsen, elektrische motorfietsen, elektrische sightseeing-auto's, elektrische patrouillewagens, elektrische golfkarretjes, enz.) en lichte hybride voertuigen.
De gecentraliseerde BMS-hardware kan worden onderverdeeld in hoogspannings- en laagspanningsgebieden.Het hoogspanningsgebied is verantwoordelijk voor het verzamelen van de celspanning, de totale systeemspanning en het bewaken van de isolatieweerstand.Het laagspanningsgebied omvat voedingscircuits, CPU-circuits, CAN-communicatiecircuits, besturingscircuits, enzovoort.
Terwijl het krachtige batterijsysteem van personenvoertuigen zich blijft ontwikkelen in de richting van een hoge capaciteit, hoge totale druk en een groot volume, worden gedistribueerde BMS-architecturen voornamelijk gebruikt in plug-in hybride en puur elektrische voertuigmodellen.
Gedistribueerd GBS
Momenteel zijn er in de branche verschillende termen voor gedistribueerde gebouwbeheersystemen en hebben verschillende bedrijven verschillende namen.Het BMS met stroombatterij heeft meestal een master-slave-architectuur met twee niveaus:
Het BMS voor energieopslag heeft doorgaans een architectuur met drie niveaus vanwege de grote omvang van het batterijpakket, met een masterbesturingslaag boven de slave- en hoofdbesturingslagen.
Net zoals batterijen batterijclusters vormen, die op hun beurt stapels vormen, volgt ook het drielaagse BMS dezelfde opwaartse regel:
Van de besturing: batterijbeheereenheid (BMU), die informatie van individuele batterijen verzamelt.
Bewaak de spanning en temperatuur van de batterijcel
Batterij-equalisatie in het pakket
Informatie uploaden
thermisch beheer
Abnormaal alarm
Hoofdbesturing: Batterijclusterbeheereenheid: BCU (batterijclustereenheid, ook bekend als hoogspanningsbeheereenheid HVU, BCMU, enz.), verantwoordelijk voor het verzamelen van BMU-informatie en het verzamelen van batterijclusterinformatie.
Stroomverwerving van batterijcluster, verwerving van totale spanning, lekdetectie
Uitschakelbeveiliging wanneer de batterijstatus abnormaal is
Onder beheer van BMS kunnen capaciteitskalibratie en SOC-kalibratie afzonderlijk worden voltooid als basis voor het daaropvolgende laad- en ontlaadbeheer
De Battery Array Management Unit (BAU) is verantwoordelijk voor het gecentraliseerde beheer van de batterijen in de gehele stapel energieopslagbatterijen.Het maakt verbinding met verschillende beheereenheden voor batterijclusters en wisselt informatie uit met andere apparaten om feedback te geven over de bedrijfsstatus van de batterijarray.
Oplaad- en ontlaadbeheer van batterijarray
BMS-systeem zelfcontrole en foutdiagnose-alarm
Alarm voor foutdiagnose accupakket
Veiligheidsbescherming voor verschillende afwijkingen en fouten in de batterijreeks
Communiceer met andere apparaten zoals PCS en EMS
Gegevensopslag, verzending en verwerking
Batterijbeheerlaag: verantwoordelijk voor het verzamelen van verschillende informatie (spanning, temperatuur) van individuele batterijen, het berekenen en analyseren van de SOC en SOH van batterijen, het bereiken van actieve egalisatie van individuele batterijen en het uploaden van abnormale informatie van individuele batterijen naar de laag BCMU van de batterijeenheid.Via externe CAN-communicatie is deze onderling verbonden via een serieschakeling.
Batterijbeheerlaag: verantwoordelijk voor het verzamelen van verschillende informatie van individuele batterijen die door de BMU zijn geüpload, het verzamelen van verschillende informatie over het batterijpakket (pakketspanning, pakkettemperatuur), laad- en ontlaadstromen van het batterijpakket, het berekenen en analyseren van de SOC en SOH van het batterijpakket en het uploaden van alle informatie naar de batterijclustereenheidlaag BAMS.Via externe CAN-communicatie is deze onderling verbonden via een serieschakeling.
Batterijclusterbeheerlaag: verantwoordelijk voor het verzamelen van verschillende batterij-informatie geüpload door BCMU en het uploaden van alle informatie naar het EMS-systeem voor energieopslagmonitoring via de RJ45-interface;communiceren met PCS om relevante abnormale informatie over de batterij naar PCS te sturen (CAN- of RS485-interface), en uitgerust met droge hardwareknooppunten om met PCS te communiceren.Daarnaast voert het de BSE-evaluatie (Battery State Estimate) van het batterijsysteem, de detectie van de status van het elektrische systeem, het beheer van de contactor, het thermisch beheer, het bedrijfsbeheer, het laadbeheer, het diagnostisch beheer uit en voert het interne en externe communicatienetwerkbeheer uit.Communiceert met ondergeschikten via CAN.
3) Wat doet BMS?
De functies van BMS zijn talrijk, maar de kern en waar wij ons het meest zorgen over maken zijn drie aspecten:
Eén daarvan is waarnemen (staatsbeheer), wat de basisfunctie van BMS is.Het meet spanning, weerstand, temperatuur en detecteert uiteindelijk de toestand van de batterij.We willen weten wat de staat van de batterij is, hoeveel energie en capaciteit hij heeft, hoe gezond hij is, hoeveel stroom hij produceert en hoe veilig hij is.Dit is voelbaar.
De tweede is management (balansmanagement).Sommige mensen zeggen dat BMS de oppas van de batterij is.Dan moet deze oppas het voor elkaar krijgen.Wat te beheren?Het is om de batterij zo goed mogelijk te maken.De meest elementaire is balansbeheer en thermisch beheer.
De derde is bescherming (veiligheidsmanagement).De oppas heeft ook werk te doen.Als de batterij enige status heeft, moet deze worden beschermd en moet er een alarm worden gegenereerd.
Uiteraard is er ook een communicatiebeheercomponent die via bepaalde protocollen gegevens binnen of buiten het systeem overdraagt.
GBS heeft nog veel meer functies, zoals bedrijfscontrole, isolatiebewaking, thermisch beheer, enz., die hier niet worden besproken.
3.1 Perceptie – Meting en schatting
De basisfunctie van BMS is het meten en schatten van batterijparameters, inclusief basisparameters zoals spanning, stroom, temperatuur en toestand, evenals berekeningen van batterijstatusgegevens zoals SOC en SOH.Op het gebied van energiebatterijen zijn ook berekeningen van SOP (State of Power) en SOE (State of Energy) betrokken, die hier niet worden besproken.We zullen ons concentreren op de eerste twee, meer algemeen gebruikte gegevens.
Celmeting
1) Basisinformatie meting: De meest basale functie van het batterijmanagementsysteem is het meten van de spanning, stroom en temperatuur van de individuele batterijcellen, wat de basis vormt voor alle berekeningen op het hoogste niveau en de besturingslogica in het batterijmanagementsysteem.
2) Testen van de isolatieweerstand: Isolatietesten zijn vereist voor het gehele batterijsysteem en het hoogspanningssysteem binnen het batterijbeheersysteem.
3) Hoogspanningsinterlockdetectie (HVIL): gebruikt om de integriteit van het gehele hoogspanningssysteem te bevestigen en veiligheidsmaatregelen te initiëren wanneer de integriteit van de hoogspanningssysteemlus in gevaar komt.
SOC-berekening
SOC verwijst naar de State of Charge, de resterende capaciteit van de batterij.Simpel gezegd gaat het om de hoeveelheid energie die er nog in de batterij zit.
SOC is de belangrijkste parameter in BMS, omdat al het andere daarop is gebaseerd.Daarom zijn de nauwkeurigheid en robuustheid ervan (ook wel foutcorrectievermogen genoemd) uiterst belangrijk.Zonder nauwkeurige SOC kan geen enkele beschermingsfunctie ervoor zorgen dat het BMS goed werkt, omdat de batterij zich vaak in een beschermde staat bevindt, waardoor het onmogelijk wordt de levensduur van de batterij te verlengen.
Momenteel omvatten de reguliere SOC-schattingsmethoden de open-circuit-spanningsmethode, de huidige integratiemethode, de Kalman-filtermethode en de neurale netwerkmethode.De eerste twee methoden worden vaak gebruikt.Bij de laatste twee methoden is geavanceerde kennis betrokken, zoals integratiemodellen en kunstmatige intelligentie, die hier niet gedetailleerd worden beschreven.
In praktische toepassingen worden vaak meerdere algoritmen in combinatie gebruikt, waarbij verschillende algoritmen worden toegepast, afhankelijk van de laad- en ontlaadstatus van de batterij.
open circuit spanningsmethode
Het principe van de nullastspanningsmethode is om de relatief vaste functionele relatie tussen nullastspanning en SOC te gebruiken onder de voorwaarde van langdurige statische plaatsing van de batterij, en zo de SOC te schatten op basis van nullastspanning.De voorheen veelgebruikte elektrische fiets met loodzuuraccu gebruikt deze methode om de SOC te schatten.Open circuit spanningsmethode is eenvoudig en handig, maar er zijn ook veel nadelen:
1. De batterij moet lange tijd blijven staan, anders zal de nullastspanning in korte tijd moeilijk te stabiliseren zijn;
2. Er is een spanningsplateau bij batterijen, vooral bij lithium-ijzerfosfaatbatterijen, waarbij de klemspanning en de SOC-curve ongeveer lineair zijn binnen het SOC30%-80%-bereik;
3. De batterij heeft verschillende temperaturen of verschillende levensfasen, en hoewel de nullastspanning hetzelfde is, kan het werkelijke SOC-verschil groot zijn;
Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, als we deze elektrische fiets gebruiken en de huidige SOC wordt weergegeven als 100%, daalt de spanning tijdens het accelereren en kan het vermogen worden weergegeven als 80%.Als we stoppen met accelereren, stijgt de spanning en springt het vermogen terug naar 100%.De vermogensweergave van onze elektrische scooter is dus niet nauwkeurig.Als we stoppen, heeft hij stroom, maar als we opstarten, raakt hij zonder stroom.Dit is mogelijk geen probleem met de batterij, maar kan te wijten zijn aan het feit dat het SoC-algoritme van het BMS te simpel is.
An-Shi integrale methode
De Anshicontinuous-integratiemethode berekent de SOC-waarde rechtstreeks in realtime via de definitie van SOC.
Gegeven de initiële SOC-waarde kan, zolang de batterijstroom kan worden gemeten (waarbij de ontlaadstroom positief is), de verandering in batterijcapaciteit nauwkeurig worden berekend door middel van stroomintegratie, resulterend in de resterende SOC.
Deze methode levert in korte tijd relatief betrouwbare schattingsresultaten op, maar door meetfouten van de stroomsensor en geleidelijke degradatie van de batterijcapaciteit zal langdurige stroomintegratie bepaalde afwijkingen introduceren.Daarom wordt het over het algemeen gebruikt in combinatie met de open-circuit-spanningsmethode om de initiële waarde voor SOC-schatting te schatten met lage nauwkeurigheidseisen, en kan het ook worden gebruikt in combinatie met de Kalman-filtermethode voor SOC-voorspelling op korte termijn.
SOC (State Of Charge) behoort tot het kerncontrolealgoritme van BMS en vertegenwoordigt de huidige status van de resterende capaciteit.Dit wordt voornamelijk bereikt door de ampère-uurintegratiemethode en het EKF-algoritme (Extended Kalman Filter), gecombineerd met correctiestrategieën (zoals nullastspanningscorrectie, correctie bij volledige lading, correctie voor het einde van het opladen, capaciteitscorrectie onder verschillende temperaturen en SOH, enz.).De ampère-uur-integratiemethode is relatief betrouwbaar onder de voorwaarde dat de nauwkeurigheid van de stroomopname wordt gewaarborgd, maar is niet robuust.Vanwege de opeenstapeling van fouten moet dit worden gecombineerd met correctiestrategieën.De EKF-methode is robuust, maar het algoritme is relatief complex en moeilijk te implementeren.Binnenlandse reguliere fabrikanten kunnen een nauwkeurigheid van minder dan 6% bereiken bij kamertemperatuur, maar het inschatten bij hoge en lage temperaturen en batterijverzwakking is moeilijk.
SOC-correctie
Als gevolg van de huidige fluctuaties kan de geschatte SOC onnauwkeurig zijn en moeten er verschillende correctiestrategieën in het schattingsproces worden opgenomen.
SOH-berekening
SOH verwijst naar de State of Health, die de huidige gezondheidsstatus van de batterij aangeeft (of de mate van degradatie van de batterij).Het wordt doorgaans weergegeven als een waarde tussen 0 en 100%, waarbij waarden onder de 80% doorgaans worden beschouwd als een indicatie dat de batterij niet langer bruikbaar is.Het kan worden weergegeven door veranderingen in de batterijcapaciteit of interne weerstand.Bij gebruik van capaciteit wordt de werkelijke capaciteit van de huidige accu geschat op basis van gegevens uit het bedrijfsproces van de accu, en de verhouding hiervan tot de nominale capaciteit is de SOH.Een nauwkeurige SOH zal de nauwkeurigheid van de schatting van andere modules verbeteren wanneer de batterij achteruitgaat.
Er zijn twee verschillende definities van SOH in de industrie:
SOH-definitie gebaseerd op capaciteitsvervaging
Tijdens het gebruik van lithium-ionbatterijen neemt het actieve materiaal in de batterij geleidelijk af, neemt de interne weerstand toe en neemt de capaciteit af.Daarom kan SOH worden geschat op basis van de batterijcapaciteit.De gezondheidsstatus van de batterij wordt uitgedrukt als de verhouding tussen de huidige capaciteit en de initiële capaciteit, en de SOH wordt gedefinieerd als:
SOH=(C_standaard-C_fade)/C_standaard ×100%
Waarbij: C_fade de verloren capaciteit van de batterij is;C_standaard is de nominale capaciteit.
IEEE-standaard 1188-1996 bepaalt dat wanneer de capaciteit van de voedingsbatterij daalt tot 80%, de batterij moet worden vervangen.Daarom gaan we er meestal van uit dat de SOH van de batterij niet beschikbaar is als deze lager is dan 80%.
SOH-definitie gebaseerd op vermogensverzwakking (Power Fade)
De veroudering van bijna alle soorten batterijen zal leiden tot een toename van de interne weerstand van de batterij.Hoe hoger de interne weerstand van de batterij, hoe lager het beschikbare vermogen.Daarom kan de SOH worden geschat met behulp van vermogensverzwakking.
3.2 Management – Evenwichtige technologie
Elke batterij heeft zijn eigen “persoonlijkheid”
Om over balans te praten, moeten we beginnen met batterijen.Zelfs batterijen die in dezelfde batch door dezelfde fabrikant worden geproduceerd, hebben hun eigen levenscycli en ‘persoonlijkheden’ – de capaciteit van elke batterij kan niet precies hetzelfde zijn.Er zijn twee redenen voor deze inconsistentie:
Eén daarvan is de inconsistentie van de celproductie
Eén daarvan is de inconsistentie van elektrochemische reacties.
productie inconsistentie
Inconsistenties in de productie zijn gemakkelijk te begrijpen.Tijdens het productieproces kunnen inconsistenties in het diafragma en inconsistenties in het materiaal van de kathode en anode bijvoorbeeld resulteren in inconsistenties in de algehele batterijcapaciteit.Een standaard 50 Ah-batterij kan 49 Ah of 51 Ah worden.
elektrochemische inconsistentie
De inconsistentie van de elektrochemie is dat tijdens het opladen en ontladen van de batterij, zelfs als de productie en verwerking van de twee cellen identiek zijn, de thermische omgeving nooit consistent kan zijn in het proces van elektrochemische reactie.Bij het maken van batterijmodules moet de temperatuur van de omringende ring bijvoorbeeld lager zijn dan die van het midden.Dit resulteert op lange termijn in inconsistentie tussen de laad- en ontlaadhoeveelheden, wat op zijn beurt leidt tot een inconsistente batterijcelcapaciteit;Wanneer de laad- en ontlaadstromen van de SEI-film op de batterijcel gedurende lange tijd inconsistent zijn, zal de veroudering van de SEI-film ook inconsistent zijn.
*SEI-film: “solid electrolyte interface” (solid electrolyte interface).Tijdens het eerste ontladingsproces van een vloeibare lithium-ionbatterij reageert het elektrodemateriaal met de elektrolyt op het grensvlak van de vaste stof-vloeistoffase om een passivatielaag te vormen die het oppervlak van het elektrodemateriaal bedekt.SEI-film is een elektronische isolator, maar een uitstekende geleider van lithiumionen, die niet alleen de elektrode beschermt, maar ook de werking van de batterij niet beïnvloedt.De veroudering van SEI-film heeft een aanzienlijke invloed op de gezondheid van de batterij.
Daarom is de niet-uniformiteit (of discretie) van batterijpakketten een onvermijdelijke manifestatie van batterijwerking.
Waarom balans nodig is
De batterijen zijn verschillend, dus waarom probeer je ze niet hetzelfde te maken?Omdat inconsistentie de prestaties van de accu zal beïnvloeden.
Het seriebatterijpakket volgt het korteloopeffect: bij het seriebatterijsysteem wordt de capaciteit van het gehele batterijpakketsysteem bepaald door de kleinste afzonderlijke eenheid.
Stel dat we een batterijpakket hebben dat uit drie batterijen bestaat:
We weten dat overladen en te veel ontladen batterijen ernstig kunnen beschadigen.Wanneer batterij B tijdens het opladen volledig is opgeladen of wanneer de SoC van batterij B tijdens het ontladen erg laag is, is het daarom noodzakelijk om te stoppen met laden en ontladen om batterij B te beschermen. Als gevolg hiervan kan het vermogen van batterijen A en C niet volledig worden benut. benut.Dit leidt tot:
De werkelijke bruikbare capaciteit van het batterijpakket is afgenomen: Batterij A en C, die de beschikbare capaciteit hadden kunnen gebruiken, kunnen dit nu niet doen om batterij B te huisvesten. Het is alsof twee mensen op drie benen aan elkaar vastgebonden zijn, met de langere persoon kan geen grote stappen zetten.
Verminderde levensduur van de batterij: Een kleinere staplengte vereist meer stappen en maakt de benen vermoeider.Bij een verminderde capaciteit neemt het aantal laad- en ontlaadcycli toe, wat resulteert in een grotere degradatie van de batterij.Een enkele cel kan bijvoorbeeld 4000 cycli bereiken bij 100% DoD, maar bij feitelijk gebruik kan deze niet 100% bereiken en zal het aantal cycli zeker niet de 4000 bereiken.
*DoD, Diepte van ontlading, vertegenwoordigt het percentage van de ontladingscapaciteit van de batterij ten opzichte van de nominale capaciteit van de batterij.
De inconsistentie van batterijen leidt tot een afname van de prestaties van het batterijpakket.Wanneer de grootte van de batterijmodule groot is, zijn meerdere reeksen batterijen in serie geschakeld, en een groot enkel spanningsverschil zal ervoor zorgen dat de capaciteit van de hele doos afneemt.Hoe meer batterijen in serie geschakeld zijn, hoe meer capaciteit ze verliezen.In onze toepassingen, vooral in toepassingen voor energieopslagsystemen, zijn er echter twee belangrijke vereisten:
De eerste is de batterij met een lange levensduur, die de bedrijfs- en onderhoudskosten aanzienlijk kan verlagen.Het energieopslagsysteem stelt hoge eisen aan de levensduur van het accupakket.De meeste binnenlandse zijn ontworpen voor 15 jaar.Als we uitgaan van 300 cycli per jaar, is 15 jaar 4500 cycli, wat nog steeds erg hoog is.We moeten de levensduur van elke batterij maximaliseren, zodat de totale levensduur van het gehele batterijpakket zoveel mogelijk de ontwerplevensduur kan bereiken, en de impact van batterijverspreiding op de levensduur van het batterijpakket verminderen.
De tweede diepe cyclus, vooral in het toepassingsscenario van peak shaving, zal het vrijgeven van nog een kWh elektriciteit één extra punt aan inkomsten opleveren.Dat wil zeggen dat we 80% DoD of 90% DoD zullen doen.Wanneer de diepe cyclus wordt gebruikt in het energieopslagsysteem, zal de verspreiding van de batterij tijdens de staartontlading tot uiting komen.Om de volledige vrijgave van de capaciteit van elke afzonderlijke cel te garanderen onder de voorwaarde van diep opladen en diep ontladen, is het daarom noodzakelijk om van het BMS voor energieopslag te eisen dat het beschikt over sterke mogelijkheden voor egalisatiebeheer en dat het optreden van consistentie tussen batterijcellen wordt onderdrukt. .
Deze twee vereisten zijn precies in strijd met de inconsistentie van de batterij.Om efficiëntere toepassingen van batterijpakketten te realiseren, hebben we effectievere balanceringstechnologie nodig om de impact van batterij-inconsistentie te verminderen.
evenwicht technologie
Batterij-equalisatietechnologie is een manier om batterijen met verschillende capaciteiten hetzelfde te maken.Er zijn twee algemene egalisatiemethoden: energiedissipatie, unidirectionele egalisatie (passieve egalisatie) en bidirectionele egalisatie van energieoverdracht (actieve egalisatie).
(1) Passief evenwicht
Het passieve egalisatieprincipe is het parallel schakelen van een schakelbare ontladingsweerstand op elke reeks batterijen.Het GBS bestuurt de ontladingsweerstand om de cellen met een hogere spanning te ontladen, waarbij de elektrische energie als warmte wordt afgevoerd.Wanneer batterij B bijvoorbeeld bijna volledig is opgeladen, wordt de schakelaar geopend zodat de weerstand op batterij B overtollige elektrische energie in de vorm van warmte kan afvoeren.Vervolgens gaat het opladen door totdat ook de batterijen A en C volledig zijn opgeladen.
Deze methode kan alleen hoogspanningscellen ontladen en kan cellen met een lage capaciteit niet opladen.Vanwege de vermogensbeperking van de ontladingsweerstand is de egalisatiestroom over het algemeen klein (minder dan 1A).
De voordelen van passieve egalisatie zijn de lage kosten en het eenvoudige circuitontwerp;de nadelen zijn dat het gebaseerd is op de laagste resterende batterijcapaciteit voor egalisatie, waardoor de capaciteit van batterijen met een lage resterende capaciteit niet kan worden vergroot, en dat 100% van het geëgaliseerde vermogen wordt verspild in de vorm van warmte.
(2) Actief evenwicht
Door middel van algoritmen brengen meerdere reeksen batterijen de energie van hoogspanningscellen over naar laagspanningscellen met behulp van energieopslagcomponenten, waarbij de batterijen met een hoger spanningspercentage worden ontladen en de vrijkomende energie wordt gebruikt om de cellen met een lager voltage op te laden.De energie wordt hoofdzakelijk overgedragen en niet afgevoerd.
Op deze manier wordt batterij B, die als eerste een spanning van 100% bereikt, tijdens het opladen ontladen naar A en C, en worden de drie batterijen samen volledig opgeladen.Tijdens het ontladen, wanneer de resterende lading van batterij B te laag is, ‘laden’ A en C B op, zodat cel B de SOC-drempel voor het zo snel stoppen van de ontlading niet bereikt.
Belangrijkste kenmerken van actieve balanceringstechnologie
(1) Breng de hoge en lage spanning in evenwicht om de efficiëntie van het batterijpakket te verbeteren: tijdens het opladen en ontladen en in rust kunnen de hoogspanningsbatterijen worden ontladen en de laagspanningsbatterijen kunnen worden opgeladen;
(2) Energieoverdracht met weinig verlies: energie wordt hoofdzakelijk overgedragen in plaats van simpelweg verloren te gaan, waardoor de efficiëntie van het energieverbruik wordt verbeterd;
(3) Grote evenwichtsstroom: over het algemeen ligt de evenwichtsstroom tussen 1 en 10A en is het evenwicht sneller;
Actieve egalisatie vereist de configuratie van overeenkomstige circuits en energieopslagapparaten, wat leidt tot een groot volume en hogere kosten.Deze twee voorwaarden samen bepalen dat actieve egalisatie niet gemakkelijk kan worden bevorderd en toegepast.
Bovendien verlengt het actieve egalisatie-laad- en ontlaadproces impliciet de levensduur van de batterij.Voor cellen die moeten worden opgeladen en ontladen om evenwicht te bereiken, kan de extra werklast ervoor zorgen dat ze de veroudering van gewone cellen overschrijden, wat resulteert in een grotere prestatiekloof met andere cellen.
Sommige deskundigen zijn van mening dat de twee bovenstaande uitdrukkingen moeten overeenkomen met dissipatief evenwicht en niet-dissipatief evenwicht.Of het actief of passief is, moet afhangen van de gebeurtenis die het evenwichtsproces in gang zet.Als het systeem een toestand bereikt waarin het passief moet zijn, is het passief.Als het door mensen wordt ingesteld, wordt het instellen van het evenwichtsprogramma wanneer het niet nodig is om in evenwicht te zijn, actief evenwicht genoemd.
Wanneer de ontlading bijvoorbeeld aan het einde is, heeft de cel met de laagste spanning de ontladingsafsluitspanning bereikt, terwijl andere cellen nog steeds stroom hebben.Om zoveel mogelijk elektriciteit te ontladen, draagt het systeem op dit moment de elektriciteit van hoogenergetische cellen over naar laagenergetische cellen, waardoor het ontladingsproces kan doorgaan totdat alle stroom is ontladen.Dit is een passief egalisatieproces.Als het systeem voorspelt dat er aan het einde van de ontlading een onbalans zal ontstaan terwijl er nog 40% vermogen over is, zal het een actief egalisatieproces starten.
Actieve egalisatie is onderverdeeld in gecentraliseerde en gedecentraliseerde methoden.De gecentraliseerde egalisatiemethode haalt energie uit het gehele batterijpakket en gebruikt vervolgens een energieconversieapparaat om energie aan te vullen met minder energie in de batterijen.Gedecentraliseerde egalisatie omvat een energieopslagverbinding tussen aangrenzende batterijen, die een inductor of een condensator kan zijn, waardoor energie tussen aangrenzende batterijen kan stromen.
In de huidige balanscontrolestrategie zijn er mensen die de celspanning als de doelparameter voor de controle nemen, en er zijn ook mensen die voorstellen om SOC als de doelparameter voor de balanscontrole te gebruiken.Neem als voorbeeld de celspanning.
Stel eerst een paar drempelwaarden in voor het initiëren en beëindigen van de egalisatie: als bijvoorbeeld in een set batterijen het verschil tussen de extreme spanning van een enkele cel en de gemiddelde spanning van de set 50 mV bereikt, wordt de egalisatie gestart, en wanneer het bereikt 5mV, de egalisatie is beëindigd.
Het BMS verzamelt de spanning van elke cel volgens een vaste acquisitiecyclus, berekent de gemiddelde waarde en berekent vervolgens het verschil tussen elke celspanning en de gemiddelde waarde;
Als het maximale verschil 50 mV bereikt, moet het gebouwbeheersysteem het egalisatieproces starten;
Ga door met stap 2 tijdens het egalisatieproces totdat de verschilwaarden allemaal kleiner zijn dan 5 mV, en beëindig vervolgens de egalisatie.
Opgemerkt moet worden dat niet alle gebouwbeheersystemen deze stap vereisen, en dat daaropvolgende strategieën kunnen variëren afhankelijk van de balansmethode.
De balanstechnologie is ook gerelateerd aan het type batterij.Algemeen wordt aangenomen dat LFP geschikter is voor actief evenwicht, terwijl ternaire batterijen geschikt zijn voor passief evenwicht.
Het stadium van hevige concurrentie op het gebied van BMS wordt vooral ondersteund door kosten en betrouwbaarheid.Momenteel is de experimentele verificatie van actief balanceren nog niet voltooid.Het niveau van functionele veiligheid zal naar verwachting richting ASIL-C en ASIL-D evolueren, maar de kosten zijn vrij hoog.Daarom zijn de huidige grote bedrijven voorzichtig met actief balanceringsonderzoek.Sommige grote fabrieken willen zelfs de balanceringsmodule stopzetten en alle balancering extern laten uitvoeren, vergelijkbaar met het onderhoud van brandstofvoertuigen.Elke keer dat het voertuig een bepaalde afstand aflegt, gaat het naar de 4S-winkel voor externe balancering.Dit zal de kosten van het volledige voertuig-GBS verlagen en ook de bijbehorende 4S-winkel ten goede komen.Het is een win-winsituatie voor alle partijen.Daarom begrijp ik persoonlijk dat dit een trend kan worden!
3.3 Beveiliging – foutdiagnose en alarm
De GBS-bewaking is afgestemd op de hardware van het elektrische systeem en is onderverdeeld in verschillende storingsniveaus (kleine storing, ernstige storing, fatale storing) afhankelijk van de verschillende prestatieomstandigheden van de accu.Er worden verschillende maatregelen genomen bij verschillende storingsniveaus: waarschuwing, vermogensbeperking of directe hoogspanningsuitschakeling.Storingen omvatten fouten in de gegevensverzameling en rationaliteit, elektrische storingen (sensoren en actuatoren), communicatiestoringen en storingen in de batterijstatus.
Een veelvoorkomend voorbeeld is dat wanneer een accu oververhit raakt, het BMS vaststelt dat de accu oververhit raakt op basis van de verzamelde accutemperatuur, vervolgens het circuit van deze accu regelt om de verbinding te verbreken, bescherming tegen oververhitting uitvoert en een waarschuwing stuurt naar managementsystemen zoals EMS.
3.4 Communicatie
De normale werking van het BMS kan niet los worden gezien van de communicatiefunctie ervan.Of het nu gaat om het aansturen van de accu tijdens het accubeheer, het doorgeven van de accustatus aan de buitenwereld of het ontvangen van besturingsinstructies: stabiele communicatie is vereist.
Bij het krachtige accusysteem is het ene uiteinde van het BMS verbonden met de accu en het andere uiteinde met de besturings- en elektronische systemen van het hele voertuig.De algehele omgeving maakt gebruik van het CAN-protocol, maar er is een onderscheid tussen het gebruik van interne CAN tussen interne componenten van het accupakket en het gebruik van voertuig-CAN tussen het accupakket en het gehele voertuig.
Daarentegen maken BMS voor energieopslag en interne communicatie in principe gebruik van het CAN-protocol, maar de externe communicatie (extern verwijst voornamelijk naar het distributiesysteem PCS voor energieopslagcentrales) maakt vaak gebruik van internetprotocolformaten TCP/IP-protocol en modbus-protocol.
4) Energieopslag GBS
BMS-fabrikanten voor energieopslag zijn over het algemeen geëvolueerd van BMS met stroombatterijen, dus veel ontwerpen en termen hebben een historische oorsprong
De voedingsbatterij is bijvoorbeeld over het algemeen verdeeld in BMU (Battery Monitor Unit) en BCU (Battery Control Unit), waarbij de eerste gegevens verzamelt en de laatste deze controleert.
Omdat de batterijcel een elektrochemisch proces is, vormen meerdere batterijcellen een batterij.Vanwege de kenmerken van elke batterijcel, hoe nauwkeurig het productieproces ook is, zullen er na verloop van tijd en afhankelijk van de omgeving fouten en inconsistenties in elke batterijcel voorkomen.Daarom moet het batterijbeheersysteem de huidige toestand van de batterij evalueren aan de hand van beperkte parameters, wat een beetje lijkt op een arts in de traditionele Chinese geneeskunde die een patiënt diagnosticeert door symptomen te observeren in plaats van dat de westerse geneeskunde fysieke en chemische analyse vereist.De fysische en chemische analyse van het menselijk lichaam is vergelijkbaar met de elektrochemische eigenschappen van de batterij, die kunnen worden gemeten met grootschalige experimentele instrumenten.Het is echter moeilijk voor ingebedde systemen om sommige indicatoren van de elektrochemie te evalueren.Daarom is BMS als een oude Chinese geneesheer.
4.1 Drielaagse architectuur van BMS voor energieopslag
Vanwege het grote aantal batterijcellen in energieopslagsystemen wordt BMS, om kosten te besparen, doorgaans in lagen geïmplementeerd, met twee of drie lagen.Momenteel bestaat de mainstream uit drie lagen: master control/master control/slave control.
4.2 Gedetailleerde beschrijving van energieopslag GBS
5) Huidige situatie en toekomstige trend
Er zijn verschillende soorten fabrikanten die BMS produceren:
De eerste categorie is de eindgebruiker met het meest dominante vermogen in de BMS-batterij – autofabrieken.In feite zijn de sterkste BMS-productiesterkten in het buitenland ook de autofabrieken, zoals General Motors, Tesla, enz. Thuis zijn er BYD, Huating Power, enz.
De tweede categorie zijn batterijfabrieken, waaronder celfabrikanten en packfabrikanten, zoals Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad, enz.;
Het derde type BMS-fabrikanten zijn degenen met vele jaren ervaring in vermogenselektronicatechnologie, en hebben R&D-teams met een universitaire of aanverwante bedrijfsachtergrond, zoals Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology en Kegong Electronics.
In tegenstelling tot het BMS van energiebatterijen, dat voornamelijk wordt gedomineerd door fabrikanten van eindvoertuigen, lijkt het erop dat de eindgebruikers van energieopslagbatterijen geen behoefte hebben aan of specifieke acties ondernemen om deel te nemen aan het onderzoek, de ontwikkeling en de productie van BMS.Het is ook onwaarschijnlijk dat ze veel geld en energie zullen steken in de ontwikkeling van grootschalige batterijbeheersystemen.Daarom kan worden aangenomen dat de BMS-industrie voor energieopslagbatterijen een belangrijke speler mist met absolute voordelen, waardoor er een enorme ruimte overblijft voor ontwikkeling en verbeeldingskracht voor batterijfabrikanten en verkopers die zich richten op BMS voor energieopslag.Als de markt voor energieopslag tot stand komt, zal dit batterijfabrikanten en professionele BMS-fabrikanten veel ruimte voor ontwikkeling en minder concurrentieweerstand geven.
Momenteel zijn er relatief weinig professionele BMS-fabrikanten die zich richten op de ontwikkeling van BMS voor energieopslag, voornamelijk vanwege het feit dat de markt voor energieopslag nog in de kinderschoenen staat en er nog steeds veel twijfels bestaan over de toekomstige ontwikkeling van energieopslag in de markt.Daarom hebben de meeste fabrikanten geen BMS ontwikkeld met betrekking tot energieopslag.In de feitelijke zakelijke omgeving zijn er ook fabrikanten die BMS voor elektrische voertuigen aanschaffen om te gebruiken als BMS voor energieopslagbatterijen.Er wordt aangenomen dat professionele BMS-fabrikanten van elektrische voertuigen in de toekomst waarschijnlijk ook een belangrijk onderdeel zullen worden van de BMS-leveranciers die worden gebruikt in grootschalige energieopslagprojecten.
In dit stadium ontbreekt het aan uniforme normen voor gebouwbeheersystemen die door verschillende leveranciers van energieopslagsystemen worden verstrekt.Verschillende fabrikanten hebben verschillende ontwerpen en definities voor BMS, en afhankelijk van de verschillende batterijen waarmee ze compatibel zijn, kunnen het SOX-algoritme, de egalisatietechnologie en de geüploade communicatiegegevensinhoud ook variëren.Bij de praktische toepassing van BMS zullen dergelijke verschillen de toepassingskosten verhogen en schadelijk zijn voor de industriële ontwikkeling.Daarom zal de standaardisatie en modularisering van BMS ook in de toekomst een belangrijke ontwikkelingsrichting zijn.
Posttijd: 15 januari 2024