Wiedza i działanie systemu zarządzania akumulatorami BMS, wprowadzenie

Pełna nazwa BMS to Battery Management System.Jest to urządzenie monitorujące stan akumulatorów energii.Stosowany jest głównie do inteligentnego zarządzania i konserwacji poszczególnych ogniw akumulatorów, zapobiegania przeładowaniu i nadmiernemu rozładowaniu akumulatorów, wydłużania żywotności akumulatorów i monitorowania stanu akumulatorów.Ogólnie rzecz biorąc, BMS jest reprezentowany jako płytka drukowana lub skrzynka sprzętowa.

 

BMS jest jednym z podstawowych podsystemów akumulatorowego systemu magazynowania energii, odpowiedzialnym za monitorowanie stanu pracy poszczególnych akumulatorów w akumulatorowym magazynie energii oraz zapewnienie bezpiecznej i niezawodnej pracy magazynu energii.BMS może monitorować i zbierać parametry stanu akumulatora energii w czasie rzeczywistym (w tym między innymi napięcie pojedynczego ogniwa, temperaturę biegunów akumulatora, prąd pętli akumulatora, napięcie na zaciskach pakietu akumulatorów, rezystancję izolacji układu akumulatorów itp.) oraz przeprowadzić niezbędną analizę i obliczenia odpowiednich parametrów stanu, aby uzyskać więcej parametrów oceny stanu systemu.Może także zapewnić skuteczną kontrolę samego akumulatora energii zgodnie ze specyficznymi strategiami kontroli zabezpieczeń, aby zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę całego akumulatora.Jednocześnie BMS może współpracować z innymi urządzeniami zewnętrznymi (PCS, EMS, system przeciwpożarowy itp.) poprzez własny interfejs komunikacyjny oraz interfejs wejść analogowych/cyfrowych, tworząc połączenie sterujące różnymi podsystemami w całym systemie magazynowania energii stacji, zapewniając bezpieczną, niezawodną i wydajną pracę elektrowni przyłączonej do sieci.

2) Architektura

Z punktu widzenia architektury topologii BMS dzieli się na dwie kategorie: scentralizowane i rozproszone zgodnie z różnymi wymaganiami projektu.

 

Scentralizowany BMS

Mówiąc najprościej, scentralizowany system BMS wykorzystuje pojedynczy sprzęt BMS do gromadzenia wszystkich komórek, co jest odpowiednie w przypadku scenariuszy z małą liczbą komórek.

Scentralizowany BMS ma zalety niskiego kosztu, zwartej konstrukcji i wysokiej niezawodności i jest powszechnie stosowany w scenariuszach o małej wydajności, niskim ciśnieniu całkowitym i małej objętości systemu akumulatorowego, takich jak elektronarzędzia, roboty (roboty manipulacyjne, roboty wspomagające), Inteligentne domy IOT (roboty zamiatające, odkurzacze elektryczne), elektryczne wózki widłowe, elektryczne pojazdy wolnobieżne (rowery elektryczne, motocykle elektryczne, elektryczne samochody wycieczkowe, elektryczne samochody patrolowe, elektryczne wózki golfowe itp.) oraz lekkie pojazdy hybrydowe.

Scentralizowany sprzęt BMS można podzielić na obszary wysokiego i niskiego napięcia.Obszar wysokiego napięcia jest odpowiedzialny za gromadzenie napięcia pojedynczego ogniwa, całkowitego napięcia systemu i monitorowanie rezystancji izolacji.Obszar niskiego napięcia obejmuje obwody zasilania, obwody procesora, obwody komunikacyjne CAN, obwody sterujące i tak dalej.

Ponieważ system akumulatorów zasilających pojazdy osobowe stale się rozwija w kierunku dużej pojemności, wysokiego ciśnienia całkowitego i dużej objętości, rozproszone architektury BMS są stosowane głównie w modelach pojazdów hybrydowych typu plug-in i pojazdach czysto elektrycznych.

Rozproszony BMS

Obecnie w branży istnieją różne terminy dotyczące rozproszonego BMS, a różne firmy mają różne nazwy.Bateria zasilająca BMS ma przeważnie dwupoziomową architekturę master-slave:

 

Magazyn energii BMS ma zazwyczaj architekturę trójpoziomową ze względu na duży rozmiar pakietu akumulatorów, z główną warstwą sterującą nad podrzędną i główną warstwą sterującą.

Podobnie jak baterie tworzą skupiska akumulatorów, które z kolei tworzą stosy, trójpoziomowy BMS również podlega tej samej zasadzie:

Ze sterowania: jednostka zarządzająca akumulatorami (BMU), która zbiera informacje o poszczególnych akumulatorach.

Monitoruj napięcie i temperaturę ogniwa akumulatora

Wyrównanie baterii w pakiecie

Przesyłanie informacji

zarządzanie ciepłem

Nienormalny alarm

Sterowanie główne: Jednostka zarządzająca zespołem akumulatorów: BCU (jednostka zarządzania akumulatorami, znana również jako jednostka zarządzająca wysokim napięciem HVU, BCMU itp.), odpowiedzialna za gromadzenie informacji o BMU i gromadzenie informacji o klastrze akumulatorów.

Pomiar prądu klastra akumulatorów, pomiar całkowitego napięcia, wykrywanie wycieków

Zabezpieczenie przed wyłączeniem, gdy stan baterii jest nieprawidłowy

Pod zarządzaniem BMS kalibrację pojemności i kalibrację SOC można przeprowadzić osobno jako podstawę do późniejszego zarządzania ładowaniem i rozładowaniem

Jednostka zarządzania akumulatorami (BAU) odpowiada za scentralizowane zarządzanie akumulatorami w całym stosie akumulatorów energii.Łączy się z różnymi jednostkami zarządzającymi zestawem akumulatorów i wymienia informacje z innymi urządzeniami, aby zapewnić informację zwrotną na temat stanu działania układu akumulatorów.

Zarządzanie ładowaniem i rozładowywaniem układu akumulatorów

Alarm samokontroli i diagnostyki usterek systemu BMS

Alarm diagnostyki uszkodzenia akumulatora

Ochrona bezpieczeństwa w przypadku różnych nieprawidłowości i usterek w układzie akumulatorów

Komunikuj się z innymi urządzeniami, takimi jak PCS i EMS

Przechowywanie, przesyłanie i przetwarzanie danych

Warstwa zarządzania akumulatorami: odpowiedzialna za zbieranie różnych informacji (napięcie, temperatura) poszczególnych akumulatorów, obliczanie i analizowanie SOC i SOH akumulatorów, osiąganie aktywnego wyrównania poszczególnych akumulatorów i przesyłanie nieprawidłowych informacji o poszczególnych akumulatorach do warstwy jednostki akumulatorów BCMU.Dzięki zewnętrznej komunikacji CAN jest on połączony szeregowo.

Warstwa zarządzania akumulatorami: odpowiedzialna za zbieranie różnych informacji z poszczególnych akumulatorów przesłanych przez BMU, zbieranie różnych informacji o pakiecie akumulatorów (napięcie pakietu, temperatura pakietu), prądy ładowania i rozładowywania pakietu akumulatorów, obliczanie i analiza SOC i SOH pakietu akumulatorów i przesyłanie wszystkich informacji do warstwy jednostki klastra akumulatorów BAMS.Dzięki zewnętrznej komunikacji CAN jest on połączony szeregowo.

Warstwa zarządzania klastrem baterii: odpowiedzialna za zbieranie różnych informacji o baterii przesyłanych przez BCMU i przesyłanie wszystkich informacji do systemu EMS monitorującego magazynowanie energii za pośrednictwem interfejsu RJ45;komunikujący się z PCS w celu przesłania odpowiednich informacji o nieprawidłowym działaniu akumulatora do PCS (interfejs CAN lub RS485) i wyposażony w sprzętowe węzły suche do komunikacji z PCS.Ponadto przeprowadza ocenę BSE (szacowanie stanu akumulatora), wykrywanie stanu układu elektrycznego, zarządzanie stycznikami, zarządzanie temperaturą, zarządzanie pracą, zarządzanie ładowaniem, zarządzanie diagnostyką oraz zarządza wewnętrzną i zewnętrzną siecią komunikacyjną.Komunikuje się z podwładnymi poprzez magistralę CAN.

3) Co robi BMS?

Funkcje BMS są liczne, ale sednem i tym, na czym najbardziej nam zależy, są trzy aspekty:

Jednym z nich jest wyczuwanie (zarządzanie stanem), co jest podstawową funkcją BMS.Mierzy napięcie, rezystancję, temperaturę i ostatecznie wykrywa stan akumulatora.Chcemy wiedzieć, jaki jest stan akumulatora, ile ma energii i pojemności, jak bardzo jest zdrowy, ile energii wytwarza i na ile jest bezpieczny.To jest wyczuwanie.

Drugie to zarządzanie (zarządzanie saldem).Niektórzy mówią, że BMS to niania akumulatora.W takim razie ta niania powinna sobie z tym poradzić.Czym zarządzać?Chodzi o to, żeby bateria była jak najlepsza.Najbardziej podstawowe to zarządzanie równowagą i zarządzanie temperaturą.

Trzeci to ochrona (zarządzanie bezpieczeństwem).Niania też ma co robić.Jeśli akumulator ma jakiś stan, należy go zabezpieczyć i włączyć alarm.

Oczywiście istnieje również komponent zarządzania komunikacją, który przesyła dane wewnątrz lub na zewnątrz systemu za pośrednictwem określonych protokołów.

BMS ma wiele innych funkcji, takich jak kontrola pracy, monitorowanie izolacji, zarządzanie ciepłem itp., które nie są tutaj omawiane.

 

3.1 Percepcja – Pomiar i szacowanie

Podstawową funkcją BMS jest pomiar i ocena parametrów akumulatora, w tym podstawowych parametrów, takich jak napięcie, prąd, temperatura i stan, a także obliczenia danych o stanie akumulatora, takich jak SOC i SOH.Dziedzina akumulatorów energetycznych obejmuje również obliczenia SOP (stanu mocy) i SOE (stanu energii), które nie są tutaj omawiane.Skoncentrujemy się na dwóch pierwszych, szerzej wykorzystywanych danych.

Pomiar komórek

1) Pomiar podstawowych informacji: Najbardziej podstawową funkcją systemu zarządzania baterią jest pomiar napięcia, prądu i temperatury poszczególnych ogniw baterii, co stanowi podstawę wszystkich obliczeń najwyższego poziomu i logiki sterującej w systemie zarządzania baterią.

2) Testowanie rezystancji izolacji: Testowanie izolacji jest wymagane dla całego systemu akumulatorów i układu wysokiego napięcia w ramach systemu zarządzania akumulatorami.

3) Wykrywanie blokady wysokiego napięcia (HVIL): wykorzystywane do potwierdzania integralności całego systemu wysokiego napięcia i inicjowania środków bezpieczeństwa w przypadku naruszenia integralności pętli systemu wysokiego napięcia.

Kalkulacja SOC

SOC odnosi się do stanu naładowania, czyli pozostałej pojemności akumulatora.Mówiąc najprościej, jest to ilość energii pozostała w akumulatorze.

SOC jest najważniejszym parametrem w BMS-ie, bo na nim opiera się cała reszta.Dlatego niezwykle ważna jest jego dokładność i solidność (znana również jako zdolność korekcji błędów).Bez dokładnego SOC żadna funkcja zabezpieczająca nie zapewni prawidłowego działania systemu BMS, ponieważ akumulator często będzie w stanie chronionym, co uniemożliwi wydłużenie jego żywotności.

Obecnie do głównych metod estymacji SOC zalicza się metodę napięcia w obwodzie otwartym, metodę całkowania prądu, metodę filtru Kalmana i metodę sieci neuronowych.Powszechnie stosowane są dwie pierwsze metody.Dwie ostatnie metody obejmują zaawansowaną wiedzę, taką jak modele integracyjne i sztuczna inteligencja, które nie są tutaj szczegółowo omawiane.

W zastosowaniach praktycznych często stosuje się kombinację wielu algorytmów, przy czym przyjmuje się różne algorytmy w zależności od stanu ładowania i rozładowywania akumulatora.

metoda napięcia obwodu otwartego

Zasadą metody napięcia obwodu otwartego jest wykorzystanie względnie stałej zależności funkcjonalnej pomiędzy napięciem obwodu otwartego a SOC w warunkach długotrwałego statycznego umieszczenia akumulatora i w ten sposób oszacowanie SOC na podstawie napięcia w obwodzie otwartym.Wcześniej powszechnie stosowany rower elektryczny z akumulatorem kwasowo-ołowiowym wykorzystuje tę metodę do szacowania SOC.Metoda napięcia jałowego jest prosta i wygodna, ale ma też wiele wad:

1. Akumulator musi stać przez dłuższy czas, w przeciwnym razie trudno będzie ustabilizować napięcie jałowe w krótkim czasie;

2. W akumulatorach, szczególnie w akumulatorach litowo-żelazowo-fosforanowych, występuje plateau napięcia, gdzie napięcie na zaciskach i krzywa SOC są w przybliżeniu liniowe w zakresie SOC30%-80%;

3. Akumulator ma różne temperatury lub różne etapy życia i chociaż napięcie w obwodzie jałowym jest takie samo, rzeczywista różnica SOC może być duża;

Jak pokazano na poniższym rysunku, gdy korzystamy z tego roweru elektrycznego, jeśli bieżący SOC jest wyświetlany jako 100%, napięcie spada podczas przyspieszania, a moc może być wyświetlana jako 80%.Kiedy przestajemy przyspieszać, napięcie wzrasta, a moc wraca do 100%.Dlatego wyświetlacz mocy naszej hulajnogi elektrycznej nie jest dokładny.Kiedy się zatrzymujemy, ma moc, ale kiedy zaczynamy, kończy się jej moc.Może to nie być problem z baterią, ale może wynikać z tego, że algorytm SoC BMS jest zbyt prosty.

Metoda całkowa An-Shi

Metoda integracji Anshicontinuous bezpośrednio oblicza wartość SOC w czasie rzeczywistym poprzez definicję SOC.

Biorąc pod uwagę początkową wartość SOC, o ile można zmierzyć prąd akumulatora (gdzie prąd rozładowania jest dodatni), zmianę pojemności akumulatora można dokładnie obliczyć poprzez całkowanie prądu, co daje pozostały SOC.

Metoda ta daje stosunkowo wiarygodne wyniki estymacji w krótkim czasie, jednak ze względu na błędy pomiarowe czujnika prądu i stopniową degradację pojemności akumulatora, długotrwałe całkowanie prądu będzie wprowadzać pewne odchyłki.Dlatego też jest ona powszechnie stosowana w połączeniu z metodą napięcia obwodu otwartego do szacowania wartości początkowej w celu oszacowania SOC przy niskich wymaganiach dotyczących dokładności, a także może być stosowana w połączeniu z metodą filtrowania Kalmana do krótkoterminowego przewidywania SOC.

SOC (State Of Charge) należy do podstawowego algorytmu sterującego BMS, reprezentującego bieżący stan pozostałej pojemności.Osiąga się to głównie poprzez metodę całkowania amperogodzin i algorytm EKF (rozszerzony filtr Kalmana), w połączeniu ze strategiami korekcyjnymi (takimi jak korekcja napięcia w obwodzie otwartym, korekta pełnego naładowania, korekta końca ładowania, korekta pojemności w różnych temperaturach i SOH, itp.).Metoda całkowania amperogodzin jest stosunkowo niezawodna pod warunkiem zapewnienia dokładności pomiaru prądu, ale nie jest odporna.Ze względu na kumulację błędów należy to połączyć ze strategiami korygującymi.Metoda EKF jest solidna, ale algorytm jest stosunkowo złożony i trudny do wdrożenia.Krajowi producenci głównego nurtu mogą osiągnąć dokładność mniejszą niż 6% w temperaturze pokojowej, ale szacowanie w wysokich i niskich temperaturach oraz przy tłumieniu akumulatora jest trudne.

Korekta SOC

Ze względu na bieżące wahania szacowany SOC może być niedokładny i w procesie szacowania należy uwzględnić różne strategie korekcyjne.

 

Obliczenia SOH

SOH odnosi się do stanu zdrowia, który wskazuje aktualny stan baterii (lub stopień degradacji baterii).Zwykle jest przedstawiana jako wartość z zakresu od 0 do 100%, przy czym wartości poniżej 80% są ogólnie uważane za wskazujące, że bateria nie nadaje się już do użytku.Może to być reprezentowane przez zmiany pojemności akumulatora lub rezystancji wewnętrznej.W przypadku wykorzystania pojemności rzeczywistą pojemność aktualnego akumulatora szacuje się na podstawie danych z procesu pracy akumulatora, a stosunek jej do pojemności znamionowej wynosi SOH.Dokładny SOH poprawi dokładność szacunków innych modułów, gdy bateria się pogarsza.

W branży istnieją dwie różne definicje SOH:

Definicja SOH oparta na spadku wydajności

Podczas użytkowania akumulatorów litowo-jonowych zawartość aktywnego materiału wewnątrz akumulatora stopniowo się zmniejsza, wzrasta rezystancja wewnętrzna i spada pojemność.Dlatego SOH można oszacować na podstawie pojemności akumulatora.Stan zdrowia akumulatora wyraża się stosunkiem pojemności bieżącej do pojemności początkowej, a jego SOH definiuje się jako:

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

Gdzie: C_fade to utracona pojemność baterii;C_standard to pojemność nominalna.

Norma IEEE 1188-1996 stanowi, że gdy pojemność akumulatora zasilającego spadnie do 80%, należy go wymienić.Dlatego zwykle uważamy, że SOH akumulatora nie jest dostępny, gdy jest poniżej 80%.

Definicja SOH oparta na tłumieniu mocy (Power Fade)

Starzenie się prawie wszystkich typów akumulatorów prowadzi do wzrostu ich rezystancji wewnętrznej.Im wyższa rezystancja wewnętrzna akumulatora, tym niższa dostępna moc.Dlatego SOH można oszacować na podstawie tłumienia mocy.

3.2 Zarządzanie – zrównoważona technologia

Każda bateria ma swoją „osobowość”

Aby mówić o równowadze, musimy zacząć od baterii.Nawet akumulatory produkowane w tej samej partii przez tego samego producenta mają swój własny cykl życia i „osobowość” – pojemność każdego akumulatora nie może być dokładnie taka sama.Istnieją dwie przyczyny tej niespójności:

Jednym z nich jest niespójność produkcji komórek

Jednym z nich jest niespójność reakcji elektrochemicznych.

niespójność produkcji

Niespójności w produkcji są łatwe do zrozumienia.Na przykład podczas procesu produkcyjnego niespójności membrany oraz niespójności materiałów katody i anody mogą skutkować niespójnościami w ogólnej pojemności akumulatora.Standardowa bateria 50AH może mieć pojemność 49AH lub 51AH.

niespójność elektrochemiczna

Niespójność elektrochemii polega na tym, że w procesie ładowania i rozładowywania akumulatora, nawet jeśli produkcja i przetwarzanie dwóch ogniw jest identyczne, środowisko termiczne w procesie reakcji elektrochemicznej nigdy nie może być spójne.Na przykład podczas wykonywania modułów akumulatorowych temperatura otaczającego pierścienia musi być niższa niż temperatura środka.Powoduje to długoterminową niespójność pomiędzy ilością ładowania i rozładowywania, co z kolei prowadzi do niespójnej pojemności ogniw akumulatora;Jeśli prądy ładowania i rozładowywania warstwy SEI na ogniwie akumulatora są nierówne przez długi czas, starzenie się warstwy SEI również będzie nierówne.

*Folia SEI: „interfejs stałego elektrolitu” (interfejs stałego elektrolitu).Podczas pierwszego procesu rozładowania ciekłego akumulatora litowo-jonowego materiał elektrody reaguje z elektrolitem na granicy faz ciało stałe-ciecz, tworząc warstwę pasywacyjną pokrywającą powierzchnię materiału elektrody.Folia SEI jest izolatorem elektronicznym, ale także doskonałym przewodnikiem jonów litu, co nie tylko chroni elektrodę, ale także nie wpływa na działanie akumulatora.Starzenie się folii SEI ma znaczący wpływ na żywotność baterii.

Dlatego niejednorodność (lub dyskretność) zestawów akumulatorów jest nieuniknionym przejawem działania akumulatorów.

Dlaczego potrzebna jest równowaga

Baterie są różne, więc dlaczego nie spróbować zrobić ich takich samych?Ponieważ niespójność wpłynie na wydajność akumulatora.

Zestaw akumulatorów połączony szeregowo opiera się na efekcie krótkiej lufy: w systemie akumulatorów połączonym szeregowo pojemność całego układu akumulatorów jest określana przez najmniejszą pojedynczą jednostkę.

Załóżmy, że mamy zestaw akumulatorów składający się z trzech akumulatorów:

Wiemy, że przeładowanie i nadmierne rozładowanie może poważnie uszkodzić akumulatory.Dlatego też, gdy akumulator B jest w pełni naładowany podczas ładowania lub gdy SoC akumulatora B jest bardzo niski podczas rozładowywania, konieczne jest przerwanie ładowania i rozładowywania, aby chronić akumulator B. W rezultacie moc akumulatorów A i C nie może być w pełni wykorzystana wykorzystany.

To prowadzi do:

Rzeczywista pojemność użyteczna pakietu baterii spadła: Baterie A i C, które mogłyby wykorzystać dostępną pojemność, nie są obecnie w stanie tego zrobić, aby pomieścić Baterię B. To tak, jakby dwie osoby na trzech nogach związanych razem, z wyższa osoba niezdolna do wykonywania dużych kroków.

Krótsza żywotność baterii: mniejsza długość kroku wymaga większej liczby kroków i powoduje większe zmęczenie nóg.Przy zmniejszonej pojemności wzrasta liczba cykli ładowania i rozładowania, co skutkuje większą degradacją akumulatora.Na przykład pojedyncze ogniwo może osiągnąć 4000 cykli przy 100% DoD, ale w rzeczywistym użyciu nie może osiągnąć 100%, a liczba cykli z pewnością nie osiągnie 4000.

*DoD, głębokość rozładowania, reprezentuje procent pojemności rozładowania akumulatora w stosunku do pojemności znamionowej akumulatora.

Niespójność akumulatorów prowadzi do zmniejszenia wydajności zestawu akumulatorów.Gdy moduł akumulatorowy jest duży, wiele ciągów akumulatorów łączy się szeregowo, a duża pojedyncza różnica napięcia powoduje zmniejszenie pojemności całego modułu.Im więcej akumulatorów połączonych szeregowo, tym większa jest ich utrata pojemności.Jednakże w naszych zastosowaniach, zwłaszcza w zastosowaniach związanych z systemami magazynowania energii, istnieją dwa ważne wymagania:

Pierwszym z nich jest akumulator o długiej żywotności, który może znacznie obniżyć koszty eksploatacji i konserwacji.System magazynowania energii ma wysokie wymagania dotyczące żywotności zestawu akumulatorów.Większość krajowych jest projektowana na 15 lat.Jeśli przyjmiemy 300 cykli rocznie, 15 lat to 4500 cykli, co i tak jest bardzo wysokie.Musimy zmaksymalizować żywotność każdego akumulatora, aby całkowity czas życia całego zestawu akumulatorów osiągnął w miarę możliwości żywotność projektową, a także zmniejszyć wpływ rozproszenia akumulatora na żywotność zestawu akumulatorów.

Drugi głęboki cykl, szczególnie w scenariuszu stosowania golenia szczytowego, uwolnienie o jedną kWh energii elektrycznej więcej przyniesie kolejny punkt przychodów.Oznacza to, że zrobimy 80% DoD lub 90% DoD.Gdy w systemie magazynowania energii zostanie zastosowany cykl głęboki, ujawni się rozproszenie akumulatora podczas rozładowania końcowego.Dlatego też, aby zapewnić pełne uwolnienie pojemności każdego pojedynczego ogniwa w warunkach głębokiego ładowania i głębokiego rozładowania, konieczne jest, aby BMS magazynujący energię posiadał silne możliwości zarządzania wyrównaniem i zapobiegał występowaniu spójności pomiędzy ogniwami akumulatora .

Te dwa wymagania są dokładnie sprzeczne z niespójnością baterii.Aby osiągnąć bardziej wydajne zastosowania akumulatorów, musimy dysponować skuteczniejszą technologią równoważenia, aby zmniejszyć wpływ niespójności akumulatorów.

technologia równowagi

Technologia wyrównywania akumulatorów to sposób na ujednolicenie akumulatorów o różnych pojemnościach.Istnieją dwie powszechne metody wyrównywania: jednokierunkowe wyrównywanie rozpraszania energii (wyrównywanie pasywne) i dwukierunkowe wyrównywanie przenoszenia energii (wyrównywanie aktywne).

(1) Bilans pasywny

Zasada pasywnego wyrównania polega na równoległym włączeniu przełączalnego rezystora rozładowującego na każdym łańcuchu akumulatorów.BMS steruje rezystorem rozładowującym w celu rozładowywania ogniw o wyższym napięciu, rozpraszając energię elektryczną w postaci ciepła.Na przykład, gdy akumulator B jest prawie całkowicie naładowany, przełącznik zostaje otwarty, aby umożliwić rezystorowi akumulatora B rozproszenie nadmiaru energii elektrycznej w postaci ciepła.Następnie ładowanie jest kontynuowane, aż akumulatory A i C również zostaną w pełni naładowane.

Metodą tą można rozładować jedynie ogniwa o wysokim napięciu i nie można ładować ogniw o małej pojemności.Ze względu na ograniczenie mocy rezystancji rozładowania prąd wyrównawczy jest na ogół mały (mniej niż 1A).

Zaletami pasywnej korekcji są niski koszt i prosta konstrukcja obwodu;wadą jest to, że w celu wyrównywania opiera się na najniższej pozostałej pojemności akumulatora, która nie może zwiększyć pojemności akumulatorów o małej pozostałej pojemności, oraz że 100% wyrównanej mocy jest marnowane w postaci ciepła.

(2) Saldo aktywne

Dzięki algorytmom wiele ciągów akumulatorów przenosi energię ogniw wysokiego napięcia do ogniw niskiego napięcia przy użyciu elementów magazynujących energię, rozładowując akumulatory o wyższym napięciu i wykorzystując uwolnioną energię do ładowania ogniw o niższym napięciu.Energia jest głównie przekazywana, a nie rozpraszana.

W ten sposób podczas ładowania akumulator B, który jako pierwszy osiągnie napięcie 100%, rozładuje się do A i C, a trzy akumulatory zostaną łącznie całkowicie naładowane.Podczas rozładowywania, gdy poziom naładowania akumulatora B jest zbyt niski, akumulatory A i C „ładują” akumulator B, tak że ogniwo B nie osiąga progu SOC umożliwiającego tak szybkie zatrzymanie rozładowania.

Główne cechy technologii aktywnego równoważenia

(1) Zrównoważyć wysokie i niskie napięcie, aby poprawić wydajność zestawu akumulatorów: Podczas ładowania i rozładowywania oraz w stanie spoczynku akumulatory wysokiego napięcia mogą być rozładowywane, a akumulatory niskiego napięcia mogą być ładowane;

(2) Niskostratny transfer energii: energia jest głównie przekazywana, a nie po prostu tracona, co poprawia efektywność wykorzystania energii;

(3) Duży prąd równowagi: ogólnie rzecz biorąc, prąd równowagi wynosi od 1 do 10 A, a równowaga jest szybsza;

Aktywne wyrównanie wymaga konfiguracji odpowiednich obwodów i urządzeń magazynujących energię, co prowadzi do dużych wolumenów i zwiększonych kosztów.Te dwa warunki razem decydują o tym, że aktywne wyrównywanie nie jest łatwe do promowania i stosowania.

Ponadto aktywny proces ładowania i rozładowywania wyrównawczego pośrednio zwiększa żywotność akumulatora.W przypadku ogniw wymagających ładowania i rozładowywania w celu osiągnięcia równowagi dodatkowe obciążenie może spowodować, że starzenie się zwykłych ogniw będzie większe, co spowoduje większą różnicę w wydajności w porównaniu z innymi ogniwami.

Niektórzy eksperci uważają, że oba powyższe wyrażenia powinny odpowiadać równowadze rozpraszającej i równowadze nierozpraszającej.To, czy jest on aktywny, czy pasywny, powinno zależeć od zdarzenia, które uruchamia proces równowagi.Jeśli system osiągnie stan, w którym musi być pasywny, jest pasywny.Jeśli jest ustalany przez ludzi, ustawienie programu równowagi, gdy równowaga nie jest konieczna, nazywa się równowagą aktywną.

Na przykład, gdy rozładowanie dobiegnie końca, ogniwo o najniższym napięciu osiągnęło napięcie odcięcia rozładowania, podczas gdy inne ogniwa nadal będą zasilane.W tym czasie, aby rozładować jak najwięcej energii elektrycznej, system przekazuje energię elektryczną z ogniw wysokoenergetycznych do ogniw niskoenergetycznych, umożliwiając kontynuację procesu rozładowywania aż do całkowitego rozładowania mocy.Jest to pasywny proces wyrównywania.Jeśli system przewiduje, że pod koniec rozładowania wystąpi brak równowagi, gdy pozostanie jeszcze 40% mocy, rozpocznie aktywny proces wyrównywania.

Aktywne wyrównywanie dzieli się na metody scentralizowane i zdecentralizowane.Metoda scentralizowanego wyrównywania uzyskuje energię z całego zestawu akumulatorów, a następnie wykorzystuje urządzenie do konwersji energii w celu uzupełnienia energii do akumulatorów o mniejszej energii.Zdecentralizowane wyrównanie obejmuje ogniwo magazynujące energię pomiędzy sąsiadującymi akumulatorami, którym może być cewka indukcyjna lub kondensator, umożliwiające przepływ energii pomiędzy sąsiednimi akumulatorami.

W obecnej strategii kontroli równowagi są tacy, którzy przyjmują napięcie ogniwa jako docelowy parametr sterowania, ale są też tacy, którzy proponują użycie SOC jako docelowego parametru kontroli równowagi.Biorąc za przykład napięcie ogniwa.

Najpierw należy ustawić parę wartości progowych dla rozpoczęcia i zakończenia wyrównywania: np. w zestawie akumulatorów, gdy różnica pomiędzy skrajnym napięciem pojedynczego ogniwa a średnim napięciem zestawu osiągnie 50mV, inicjowane jest wyrównywanie, a gdy osiągnie 5mV, wyrównanie zostanie zakończone.

BMS zbiera napięcie każdego ogniwa zgodnie ze stałym cyklem akwizycji, oblicza wartość średnią, a następnie oblicza różnicę między napięciem każdego ogniwa a wartością średnią;

Jeśli maksymalna różnica osiągnie 50 mV, BMS musi rozpocząć proces wyrównywania;

Kontynuuj krok 2 podczas procesu wyrównywania, aż wszystkie wartości różnicy będą mniejsze niż 5 mV, a następnie zakończ wyrównywanie.

Należy zaznaczyć, że nie wszystkie BMSy wymagają tego kroku, a kolejne strategie mogą się różnić w zależności od metody bilansowania.

Technologia wyważania jest również powiązana z rodzajem akumulatora.Powszechnie uważa się, że do równowagi aktywnej bardziej nadaje się LFP, natomiast do równowagi pasywnej nadają się akumulatory trójskładnikowe.

Na etapie intensywnej konkurencji w BMS-ie przemawiają przede wszystkim koszty i niezawodność.Obecnie nie dokonano jeszcze eksperymentalnej weryfikacji aktywnego równoważenia.Oczekuje się, że poziom bezpieczeństwa funkcjonalnego zbliży się do ASIL-C i ASIL-D, ale koszt jest dość wysoki.Dlatego obecnie duże firmy ostrożnie podchodzą do badań nad aktywnym bilansowaniem.Niektóre duże fabryki chcą nawet zrezygnować z modułu wyważania i zlecić całe wyważanie zewnętrznemu podmiotowi, podobnie jak w przypadku konserwacji pojazdów napędzanych paliwem.Za każdym razem gdy pojazd przejedzie określony dystans, trafi do sklepu 4S w celu wyważenia zewnętrznego.Zmniejszy to koszt całego BMS pojazdu, a także przyniesie korzyści odpowiedniemu sklepowi 4S.Jest to sytuacja korzystna dla wszystkich stron.Dlatego osobiście rozumiem, że może to stać się trendem!

3.3 Zabezpieczenia – diagnostyka usterek i alarmowanie

Monitorowanie BMS jest dopasowane do sprzętu instalacji elektrycznej i dzieli się na różne poziomy awarii (drobna awaria, poważna awaria, awaria śmiertelna) w zależności od różnych warunków pracy akumulatora.W przypadku różnych poziomów awarii podejmowane są różne środki postępowania: ostrzeżenie, ograniczenie mocy lub bezpośrednie odcięcie wysokiego napięcia.Awarie obejmują awarie gromadzenia danych i racjonalności, awarie elektryczne (czujniki i siłowniki), awarie komunikacji i awarie stanu baterii.

Typowym przykładem jest przegrzanie akumulatora. BMS określa, że ​​akumulator się przegrzewa na podstawie zebranej temperatury akumulatora, następnie steruje odłączeniem obwodu tego akumulatora, wykonuje zabezpieczenie przed przegrzaniem i wysyła ostrzeżenie do systemów zarządzania, takich jak EMS.

3.4 Komunikacja

Nie można oddzielić normalnej pracy BMS od jego funkcji komunikacyjnej.Niezależnie od tego, czy chodzi o kontrolowanie baterii podczas zarządzania baterią, przesyłanie stanu baterii do świata zewnętrznego, czy odbieranie instrukcji sterujących, wymagana jest stabilna komunikacja.

W układzie zasilania akumulatorowego jeden koniec BMS jest podłączony do akumulatora, a drugi koniec do układów sterowania i elektroniki całego pojazdu.Ogólne środowisko korzysta z protokołu CAN, ale istnieje rozróżnienie między używaniem wewnętrznej magistrali CAN między wewnętrznymi komponentami zestawu akumulatorów a używaniem magistrali CAN pojazdu między zestawem akumulatorów a całym pojazdem.

Natomiast magazynowanie energii BMS i komunikacja wewnętrzna zasadniczo wykorzystują protokół CAN, ale jego komunikacja zewnętrzna (zewnętrzna odnosi się głównie do systemu dyspozytorskiego elektrowni magazynującej energię PCS) często wykorzystuje formaty protokołów internetowych, protokół TCP/IP i protokół Modbus.

4) Magazynowanie energii BMS

Producenci BMS do magazynowania energii na ogół ewoluowali od BMS z akumulatorami, dlatego wiele projektów i terminów ma korzenie historyczne

Na przykład akumulator zasilający jest ogólnie podzielony na BMU (jednostka monitorująca akumulator) i BCU (jednostka sterująca akumulatorem), przy czym pierwsza gromadzi dane, a druga je kontroluje.

Ponieważ ogniwo akumulatora jest procesem elektrochemicznym, wiele ogniw tworzy akumulator.Ze względu na charakterystykę każdego ogniwa akumulatora, niezależnie od tego, jak precyzyjny jest proces produkcyjny, z biegiem czasu i w zależności od środowiska w każdym ogniwie wystąpią błędy i niespójności.Dlatego system zarządzania baterią ma oceniać aktualny stan baterii poprzez ograniczone parametry, co przypomina trochę tradycyjną medycynę chińską, diagnozującą pacjenta przez lekarza na podstawie obserwacji objawów, a nie zachodnią medycynę wymagającą analizy fizyko-chemicznej.Analiza fizyczna i chemiczna ludzkiego ciała jest podobna do właściwości elektrochemicznych baterii, które można zmierzyć za pomocą wielkoskalowych instrumentów eksperymentalnych.Jednak systemom wbudowanym trudno jest ocenić niektóre wskaźniki elektrochemii.Dlatego BMS jest jak stary lekarz medycyny chińskiej.

4.1 Trójwarstwowa architektura magazynu energii BMS

Ze względu na dużą liczbę ogniw akumulatorowych w systemach magazynowania energii, w celu oszczędności kosztów, BMS jest zazwyczaj wdrażany warstwowo, z dwiema lub trzema warstwami.Obecnie główny nurt składa się z trzech warstw: sterowanie główne/sterowanie główne/sterowanie podrzędne.

4.2 Szczegółowy opis magazynu energii BMS

5) Obecna sytuacja i przyszły trend

Istnieje kilka rodzajów producentów produkujących BMS:

Pierwszą kategorią są odbiorcy końcowi, w których dominują moce w zakresie zasilania akumulatorów BMS – fabryki samochodów.W rzeczywistości najsilniejszą siłą produkcyjną BMS za granicą są także fabryki samochodów, takie jak General Motors, Tesla itp. W kraju są BYD, Huating Power itp.

Druga kategoria to fabryki akumulatorów, w tym producenci ogniw i pakietów, tacy jak Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad itp.;

Trzeci typ producentów BMS to producenci z wieloletnim doświadczeniem w technologii energoelektroniki i posiadający zespoły badawczo-rozwojowe wywodzące się z uniwersytetów lub powiązanych przedsiębiorstw, tacy jak Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology i Kegong Electronics.

W przeciwieństwie do BMS akumulatorów energetycznych, w którym dominują głównie producenci pojazdów terminalowych, wydaje się, że końcowi użytkownicy akumulatorów energii nie mają potrzeby ani konkretnych działań, aby uczestniczyć w badaniach, rozwoju i produkcji BMS.Jest również mało prawdopodobne, że wydadzą dużo pieniędzy i energii na opracowanie wielkoskalowych systemów zarządzania akumulatorami.Można zatem uznać, że w branży BMS akumulatorów energii brakuje ważnego gracza z absolutnymi przewagami, pozostawiając ogromną przestrzeń do rozwoju i wyobraźni producentom akumulatorów oraz sprzedawcom skupiającym się na magazynowaniu energii BMS.Ugruntowanie się rynku magazynów energii da producentom akumulatorów i profesjonalnym producentom BMS duże pole do rozwoju i mniejszy opór konkurencyjny.

Obecnie na rynku istnieje stosunkowo niewielu profesjonalnych producentów BMS skupionych na rozwoju magazynów energii BMS, głównie ze względu na fakt, że rynek magazynowania energii jest jeszcze w powijakach i wciąż istnieje wiele wątpliwości co do przyszłego rozwoju magazynów energii na rynku.Dlatego większość producentów nie opracowała BMS-a związanego z magazynowaniem energii.W rzeczywistym środowisku biznesowym istnieją również producenci, którzy kupują akumulatory BMS do pojazdów elektrycznych w celu wykorzystania ich jako BMS do akumulatorów magazynujących energię.Uważa się, że w przyszłości profesjonalni producenci BMS pojazdów elektrycznych również staną się ważną częścią dostawców BMS wykorzystywanych w projektach magazynowania energii na dużą skalę.

Na obecnym etapie brak jest jednolitych standardów BMS zapewnianych przez różnych dostawców systemów magazynowania energii.Różni producenci mają różne projekty i definicje BMS, a w zależności od różnych akumulatorów, z którymi są one kompatybilne, algorytm SOX, technologia korekcji i przesyłana zawartość danych komunikacyjnych mogą się również różnić.W praktycznym zastosowaniu BMS takie różnice zwiększą koszty stosowania i będą szkodliwe dla rozwoju przemysłu.Dlatego też standaryzacja i modularyzacja BMS będzie ważnym kierunkiem rozwoju również w przyszłości.