Battery Management System Znalosti a funkcie BMS, úvod

Celý názov BMS je Battery Management System.Ide o zariadenie, ktoré monitoruje stav akumulátorov energie.Slúži najmä na inteligentnú správu a údržbu jednotlivých článkov batérie, zamedzenie prebitia a nadmerného vybitia batérií, predĺženie životnosti batérie a sledovanie stavu batérie.Vo všeobecnosti je BMS reprezentovaný ako obvodová doska alebo hardvérová skrinka.

 

BMS je jedným zo základných subsystémov systému batériového skladovania energie, ktorý je zodpovedný za monitorovanie prevádzkového stavu každej batérie v batériovej skladovacej jednotke a zaisťuje bezpečnú a spoľahlivú prevádzku akumulátora energie.BMS môže monitorovať a zhromažďovať stavové parametre akumulátora energie v reálnom čase (vrátane, ale nie výlučne, napätia jedného článku, teploty pólu batérie, prúdu slučky batérie, koncového napätia batérie, izolačného odporu systému batérie atď.) a vykonať potrebnú analýzu a výpočet relevantných parametrov stavu, aby ste získali viac parametrov hodnotenia stavu systému.Môže tiež dosiahnuť efektívnu kontrolu samotnej batérie na ukladanie energie podľa špecifických stratégií riadenia ochrany, aby sa zabezpečila bezpečná a spoľahlivá prevádzka celej jednotky na ukladanie energie batérie.Súčasne môže BMS interagovať s inými externými zariadeniami (PCS, EMS, protipožiarny systém atď.) prostredníctvom vlastného komunikačného rozhrania a analógovo/digitálneho vstupného rozhrania, aby vytvorilo prepojenie rôznych podsystémov v rámci celého energetického zásobníka energie. zaisťuje bezpečnú, spoľahlivú a efektívnu prevádzku elektrárne pripojenú k sieti.

2) Architektúra

Z pohľadu architektúry topológie sa BMS delí na dve kategórie: centralizované a distribuované podľa rôznych požiadaviek projektu.

 

Centralizované BMS

Jednoducho povedané, centralizované BMS používa jeden hardvér BMS na zhromažďovanie všetkých buniek, čo je vhodné pre scenáre s malým počtom buniek.

Centralizované BMS má výhody nízkej ceny, kompaktnej štruktúry a vysokej spoľahlivosti a bežne sa používa v scenároch s nízkou kapacitou, nízkym celkovým tlakom a malým objemom batériového systému, ako sú elektrické náradie, roboty (manipulačné roboty, asistenčné roboty), IOT smart homes (zametacie roboty, elektrické vysávače), elektrické vysokozdvižné vozíky, elektrické nízkorýchlostné vozidlá (elektrické bicykle, elektrické motocykle, elektrické vyhliadkové autá, elektrické hliadkové autá, elektrické golfové vozíky atď.) a ľahké hybridné vozidlá.

Centralizovaný hardvér BMS možno rozdeliť na oblasti vysokého napätia a nízkeho napätia.Oblasť vysokého napätia je zodpovedná za zber jednočlánkového napätia, celkového napätia systému a monitorovanie izolačného odporu.Oblasť nízkeho napätia zahŕňa napájacie obvody, obvody CPU, komunikačné obvody CAN, riadiace obvody atď.

Keďže systém napájacích batérií osobných vozidiel sa neustále vyvíja smerom k vysokej kapacite, vysokému celkovému tlaku a veľkému objemu, distribuované architektúry BMS sa používajú hlavne v plug-in hybridných modeloch a modeloch čisto elektrických vozidiel.

Distribuované BMS

V súčasnosti existujú v tomto odvetví rôzne výrazy pre distribuované BMS a rôzne spoločnosti majú rôzne názvy.Napájacia batéria BMS má väčšinou dvojvrstvovú architektúru master-slave:

 

Úložisko energie BMS má zvyčajne trojvrstvovú architektúru kvôli veľkej veľkosti batérie, s hlavnou riadiacou vrstvou nad podradenou a hlavnou riadiacou vrstvou.

Rovnako ako batérie tvoria zhluky batérií, ktoré zase tvoria stohy, aj trojvrstvový BMS sa riadi rovnakým pravidlom smerom nahor:

Z ovládania: battery management unit (BMU), ktorý zbiera informácie z jednotlivých batérií.

Sledujte napätie a teplotu článku batérie

Vyrovnávanie batérie v balení

Nahrávanie informácií

tepelný manažment

Abnormálny alarm

Hlavné ovládanie: Riadiaca jednotka batériového klastra: BCU (batériová klastrová jednotka, známa aj ako vysokonapäťová riadiaca jednotka HVU, BCMU atď.), zodpovedná za zber informácií o BMU a zhromažďovanie informácií o batériovom klastri.

Zisťovanie prúdu klastra batérie, získavanie celkového napätia, detekcia úniku

Ochrana proti vypnutiu, keď je stav batérie abnormálny

Pod správou BMS môže byť kalibrácia kapacity a kalibrácia SOC dokončená samostatne ako základ pre následné riadenie nabíjania a vybíjania

Jednotka správy batériového poľa (BAU) je zodpovedná za centralizovanú správu batérií v celom zásobníku batérií.Pripája sa k rôznym jednotkám správy klastra batérií a vymieňa si informácie s inými zariadeniami, aby poskytoval spätnú väzbu o prevádzkovom stave batériového poľa.

Riadenie nabíjania a vybíjania batériového poľa

Alarm samokontroly systému BMS a diagnostiky porúch

Alarm diagnostiky poruchy batérie

Bezpečnostná ochrana pre rôzne abnormality a poruchy v batériovom poli

Komunikujte s inými zariadeniami, ako sú PCS a EMS

Ukladanie, prenos a spracovanie údajov

Vrstva správy batérií: zodpovedná za zhromažďovanie rôznych informácií (napätie, teplota) jednotlivých batérií, výpočet a analýzu SOC a SOH batérií, dosahovanie aktívneho vyrovnávania jednotlivých batérií a nahrávanie abnormálnych informácií o jednotlivých batériách do vrstvy jednotky batérií BCMU.Prostredníctvom externej komunikácie CAN je vzájomne prepojená prostredníctvom daisy chain.

Vrstva správy batérie: zodpovedná za zhromažďovanie rôznych informácií z jednotlivých batérií nahraných z BMU, zhromažďovanie rôznych informácií o súprave batérií (napätie súpravy, teplota batérie), nabíjacie a vybíjacie prúdy súpravy batérií, výpočet a analýzu SOC a SOH súpravy batérií a nahranie všetkých informácií do vrstvy klastrovej jednotky batérií BAMS.Prostredníctvom externej komunikácie CAN je vzájomne prepojená prostredníctvom daisy chain.

Vrstva správy klastra batérií: zodpovedná za zhromažďovanie rôznych informácií o batériách nahraných BCMU a nahrávanie všetkých informácií do systému EMS monitorovania skladovania energie cez rozhranie RJ45;komunikuje s PCS na odosielanie relevantných abnormálnych informácií o batérii do PCS (rozhranie CAN alebo RS485) a je vybavený hardvérovými suchými uzlami na komunikáciu s PCS.Okrem toho vykonáva vyhodnocovanie BSE (Battery State Estimate) batériového systému, zisťovanie stavu elektrického systému, riadenie stykačov, tepelné riadenie, riadenie prevádzky, riadenie nabíjania, riadenie diagnostiky a vykonáva riadenie internej a externej komunikačnej siete.Komunikuje s podriadenými cez CAN.

3) Čo robí BMS?

Funkcie BMS sú početné, ale jadro a to, čo nás najviac znepokojuje, sú tri aspekty:

Jedným je snímanie (riadenie stavu), čo je základná funkcia BMS.Meria napätie, odpor, teplotu a v konečnom dôsledku sníma stav batérie.Chceme vedieť, v akom stave je batéria, koľko má energie a kapacity, aká je zdravá, koľko energie vyrába a nakoľko je bezpečná.Toto je snímanie.

Druhým je manažment (manažment rovnováhy).Niektorí ľudia hovoria, že BMS je opatrovateľkou batérie.Potom by to mala zvládnuť táto opatrovateľka.Čo riadiť?Ide o to, aby bola batéria čo najlepšia.Najzákladnejší je manažment rovnováhy a tepelný manažment.

Treťou je ochrana (riadenie bezpečnosti).Opatrovateľka má tiež prácu.Ak má batéria nejaký stav, je potrebné ju chrániť a spustiť alarm.

Samozrejmosťou je aj komponent správy komunikácie, ktorý prenáša dáta v rámci systému alebo mimo neho prostredníctvom určitých protokolov.

BMS má mnoho ďalších funkcií, ako je riadenie prevádzky, monitorovanie izolácie, tepelný manažment atď., o ktorých sa tu nehovorí.

 

3.1 Vnímanie – meranie a odhad

Základnou funkciou BMS je meranie a odhad parametrov batérie, vrátane základných parametrov, ako je napätie, prúd, teplota a stav, ako aj výpočty údajov o stave batérie, ako sú SOC a SOH.Oblasť napájacích batérií zahŕňa aj výpočty SOP (stav energie) a SOE (stav energie), o ktorých sa tu nehovorí.Zameriame sa na prvé dva viac používané údaje.

Meranie buniek

1) Meranie základných informácií: Najzákladnejšou funkciou systému správy batérií je meranie napätia, prúdu a teploty jednotlivých článkov batérie, čo je základom pre všetky výpočty najvyššej úrovne a logiku riadenia v systéme správy batérie.

2) Testovanie izolačného odporu: Testovanie izolácie sa vyžaduje pre celý batériový systém a vysokonapäťový systém v rámci systému správy batérií.

3) Detekcia blokovania vysokého napätia (HVIL): používa sa na potvrdenie integrity celého vysokonapäťového systému a spustenie bezpečnostných opatrení, keď je narušená integrita slučky vysokonapäťového systému.

Výpočet SOC

SOC označuje stav nabitia, čo je zostávajúca kapacita batérie.Jednoducho povedané, ide o to, koľko energie zostáva v batérii.

SOC je najdôležitejším parametrom v BMS, pretože všetko ostatné je založené na ňom.Preto je jeho presnosť a robustnosť (známa aj ako schopnosť korekcie chýb) mimoriadne dôležitá.Bez presného SOC nemôže žiadna ochranná funkcia zabezpečiť správne fungovanie BMS, pretože batéria bude často v chránenom stave, čo znemožňuje predĺžiť životnosť batérie.

V súčasnosti medzi hlavné metódy odhadu SOC patrí metóda otvoreného napätia, metóda integrácie prúdu, metóda Kalmanovho filtra a metóda neurónovej siete.Prvé dva spôsoby sa bežne používajú.Posledné dve metódy zahŕňajú pokročilé znalosti, ako sú integračné modely a umelá inteligencia, ktoré tu nie sú podrobne opísané.

V praktických aplikáciách sa často používajú viaceré algoritmy v kombinácii, pričom sa používajú rôzne algoritmy v závislosti od stavu nabíjania a vybíjania batérie.

metóda otvoreného napätia

Princípom metódy napätia naprázdno je použitie relatívne pevného funkčného vzťahu medzi napätím naprázdno a SOC za podmienky dlhodobého statického umiestnenia batérie a teda odhad SOC na základe napätia naprázdno.Predtým bežne používaný elektrický bicykel s olovenou batériou používa túto metódu na odhad SOC.Metóda napätia s otvoreným obvodom je jednoduchá a pohodlná, ale má aj mnoho nevýhod:

1. Batéria musí byť ponechaná dlho stáť, inak bude ťažké stabilizovať napätie naprázdno v krátkom čase;

2. V batériách, najmä lítium-železofosfátových batériách, existuje napäťové plató, kde napätie na svorkách a krivka SOC sú približne lineárne v rozsahu SOC 30 % - 80 %;

3. Batéria má rôzne teploty alebo rôzne štádiá životnosti a hoci napätie naprázdno je rovnaké, skutočný rozdiel SOC môže byť veľký;

Ako je znázornené na obrázku nižšie, keď používame tento elektrický bicykel, ak sa aktuálny SOC zobrazuje ako 100 %, napätie pri akcelerácii klesá a výkon sa môže zobrazovať ako 80 %.Keď prestaneme zrýchľovať, napätie stúpne a výkon vyskočí späť na 100 %.Takže zobrazenie výkonu nášho elektrického skútra nie je presné.Keď zastavíme, má silu, ale keď sa rozbehneme, minie sa.Nemusí to byť problém s batériou, ale môže to byť spôsobené príliš jednoduchým SoC algoritmom BMS.

An-Shi integrálna metóda

Metóda Anshicontinuous integrácie priamo vypočítava hodnotu SOC v reálnom čase prostredníctvom definície SOC.

Vzhľadom na počiatočnú hodnotu SOC, pokiaľ je možné merať prúd batérie (ak je vybíjací prúd kladný), je možné pomocou integrácie prúdu presne vypočítať zmenu kapacity batérie, čo vedie k zostávajúcej hodnote SOC.

Táto metóda má relatívne spoľahlivé výsledky odhadu v krátkom čase, ale kvôli chybám merania prúdového snímača a postupnej degradácii kapacity batérie prinesie dlhodobá prúdová integrácia určité odchýlky.Preto sa všeobecne používa v spojení s metódou otvoreného napätia na odhad počiatočnej hodnoty pre odhad SOC s požiadavkami na nízku presnosť a môže sa použiť aj v spojení s Kalmanovou filtračnou metódou na krátkodobú predikciu SOC.

SOC (State Of Charge) patrí k základnému riadiacemu algoritmu BMS, ktorý predstavuje aktuálny stav zostávajúcej kapacity.Dosahuje sa hlavne prostredníctvom metódy integrácie v ampérhodinách a algoritmu EKF (Extended Kalman Filter) v kombinácii s korekčnými stratégiami (ako je korekcia napätia pri otvorenom obvode, korekcia úplného nabitia, korekcia konca nabíjania, korekcia kapacity pri rôznych teplotách a SOH, atď.).Metóda integrácie v ampérhodinách je relatívne spoľahlivá pod podmienkou zabezpečenia presnosti snímania prúdu, ale nie je robustná.Kvôli hromadeniu chýb sa musí kombinovať s opravnými stratégiami.Metóda EKF je robustná, ale algoritmus je pomerne zložitý a ťažko implementovateľný.Domáci mainstreamoví výrobcovia dokážu dosiahnuť presnosť menej ako 6 % pri izbovej teplote, ale odhad pri vysokých a nízkych teplotách a útlmu batérie je zložitý.

Korekcia SOC

V dôsledku súčasných výkyvov môže byť odhadovaná SOC nepresná a do procesu odhadu je potrebné začleniť rôzne korekčné stratégie.

 

Výpočet SOH

SOH označuje Zdravotný stav, ktorý udáva aktuálny zdravotný stav batérie (resp. stupeň degradácie batérie).Zvyčajne sa uvádza ako hodnota medzi 0 a 100 %, pričom hodnoty pod 80 % sa všeobecne považujú za indikátor, že batéria už nie je použiteľná.Môže byť reprezentovaný zmenami kapacity batérie alebo vnútorného odporu.Pri použití kapacity sa skutočná kapacita aktuálnej batérie odhaduje na základe údajov z prevádzkového procesu batérie a jej pomer k menovitej kapacite je SOH.Presný SOH zlepší presnosť odhadu iných modulov, keď sa batéria zhoršuje.

V priemysle existujú dve rôzne definície SOH:

Definícia SOH založená na strate kapacity

Počas používania lítium-iónových batérií postupne klesá aktívny materiál vo vnútri batérie, zvyšuje sa vnútorný odpor a klesá kapacita.Preto možno SOH odhadnúť podľa kapacity batérie.Zdravotný stav batérie je vyjadrený ako pomer aktuálnej kapacity k počiatočnej kapacite a jej SOH je definovaný ako:

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

Kde: C_fade je stratená kapacita batérie;C_standard je nominálna kapacita.

Štandard IEEE 1188-1996 stanovuje, že keď kapacita napájacej batérie klesne na 80 %, batériu treba vymeniť.Preto sa zvyčajne domnievame, že batéria SOH nie je k dispozícii, keď je nižšia ako 80%.

Definícia SOH na základe útlmu výkonu (Power Fade)

Starnutie takmer všetkých typov batérií povedie k zvýšeniu vnútorného odporu batérie.Čím vyšší je vnútorný odpor batérie, tým nižší je dostupný výkon.Preto možno SOH odhadnúť pomocou útlmu výkonu.

3.2 Manažment – ​​vyvážená technológia

Každá batéria má svoju vlastnú „osobnosť“

Ak chcete hovoriť o rovnováhe, musíme začať s batériami.Dokonca aj batérie vyrobené v rovnakej šarži od toho istého výrobcu majú svoje vlastné životné cykly a „osobnosti“ – kapacita každej batérie nemôže byť úplne rovnaká.Existujú dva dôvody tejto nekonzistentnosti:

Jedným z nich je nekonzistentnosť bunkovej produkcie

Jedným z nich je nekonzistentnosť elektrochemických reakcií.

nekonzistentnosť výroby

Výrobné nezrovnalosti sú ľahko pochopiteľné.Napríklad počas výrobného procesu môže nekonzistentnosť membrány a nekonzistentnosť materiálu katódy a anódy viesť k nekonzistentnosti celkovej kapacity batérie.Štandardná 50AH batéria môže byť 49AH alebo 51AH.

elektrochemická nekonzistentnosť

Nekonzistentnosť elektrochémie spočíva v tom, že v procese nabíjania a vybíjania batérie, aj keď výroba a spracovanie dvoch článkov sú identické, tepelné prostredie nemôže byť nikdy konzistentné v procese elektrochemickej reakcie.Napríklad pri výrobe batériových modulov musí byť teplota okolitého prstenca nižšia ako teplota stredu.To má za následok dlhodobú nekonzistentnosť medzi množstvom nabíjania a vybíjania, čo následne vedie k nekonzistentnej kapacite článkov batérie;Keď sú nabíjacie a vybíjacie prúdy fólie SEI na batériovom článku po dlhú dobu nekonzistentné, bude nekonzistentné aj starnutie fólie SEI.

*SEI film: „rozhranie tuhého elektrolytu“ (rozhranie tuhého elektrolytu).Počas prvého procesu vybíjania kvapalnej lítium-iónovej batérie materiál elektródy reaguje s elektrolytom na rozhraní tuhá látka-kvapalina za vzniku pasivačnej vrstvy pokrývajúcej povrch materiálu elektródy.Film SEI je elektronický izolátor, ale vynikajúci vodič lítiových iónov, ktorý nielen chráni elektródu, ale neovplyvňuje ani funkciu batérie.Starnutie filmu SEI má významný vplyv na zdravie batérie.

Preto je nejednotnosť (alebo diskrétnosť) batériových jednotiek nevyhnutným prejavom prevádzky batérie.

Prečo je potrebná rovnováha

Batérie sú rôzne, tak prečo neskúsiť, aby boli rovnaké?Pretože nekonzistentnosť ovplyvní výkon batérie.

Batéria v sérii sleduje efekt krátkeho valca: v systéme batérií v sérii je kapacita celého systému batérií určená najmenšou samostatnou jednotkou.

Predpokladajme, že máme batériu pozostávajúcu z troch batérií:

Uvedomte si, že nadmerné nabíjanie a nadmerné vybíjanie môže vážne poškodiť batérie.Preto, keď je batéria B počas nabíjania úplne nabitá alebo keď je SoC batérie B počas vybíjania veľmi nízka, je potrebné zastaviť nabíjanie a vybíjanie, aby sa ochránila batéria B. Výsledkom je, že výkon batérií A a C nemôže byť úplne využité.

To vedie k:

Skutočná využiteľná kapacita batérie sa znížila: Batéria A a C, ktoré mohli využiť dostupnú kapacitu, to teraz nedokážu, aby sa do nej zmestili batérie B. Je to ako dvaja ľudia na troch nohách zviazaní k sebe. vyššia osoba neschopná urobiť veľké kroky.

Znížená výdrž batérie: Menšia dĺžka kroku vyžaduje viac krokov a nohy sú unavenejšie.So zníženou kapacitou sa zvyšuje počet cyklov nabíjania a vybíjania, čo vedie k väčšej degradácii batérie.Napríklad jedna bunka môže dosiahnuť 4000 cyklov pri 100% DoD, ale pri skutočnom použití nemôže dosiahnuť 100% a počet cyklov určite nedosiahne 4000.

*DoD, Hĺbka vybitia, predstavuje percento kapacity vybitia batérie k menovitej kapacite batérie.

Nekonzistentnosť batérií vedie k zníženiu výkonu batérie.Keď je veľkosť batériového modulu veľká, viaceré reťazce batérií sú zapojené do série a veľký rozdiel jedného napätia spôsobí zníženie kapacity celej skrinky.Čím viac batérií je zapojených do série, tým väčšiu kapacitu strácajú.V našich aplikáciách, najmä v systémoch skladovania energie, však existujú dve dôležité požiadavky:

Prvým je batéria s dlhou životnosťou, ktorá môže výrazne znížiť náklady na prevádzku a údržbu.Systém skladovania energie má vysoké požiadavky na životnosť batérie.Väčšina domácich je navrhnutá na 15 rokov.Ak predpokladáme 300 cyklov za rok, 15 rokov je 4500 cyklov, čo je stále veľmi vysoká hodnota.Musíme maximalizovať životnosť každej batérie, aby celková životnosť celej batérie dosiahla čo najdlhšiu konštrukčnú životnosť a aby sa znížil vplyv rozptylu batérie na životnosť batérie.

Druhý hlboký cyklus, najmä v aplikačnom scenári špičkového oholenia, uvoľnenie jednej kWh elektrickej energie navyše prinesie ďalší bod príjmu.To znamená, že urobíme 80 % DoD alebo 90 % DoD.Pri použití hlbokého cyklu v systéme skladovania energie sa prejaví rozptyl batérie pri vybíjaní chvosta.Preto, aby sa zabezpečilo úplné uvoľnenie kapacity každého jednotlivého článku pod podmienkou hlbokého nabitia a hlbokého vybitia, je potrebné vyžadovať, aby BMS na skladovanie energie mal silné schopnosti vyrovnávania a potláčal výskyt konzistencie medzi batériovými článkami. .

Tieto dve požiadavky sú presne v rozpore s nekonzistentnosťou batérie.Aby sme dosiahli efektívnejšie aplikácie batérií, musíme mať efektívnejšiu technológiu vyvažovania, aby sme znížili vplyv nekonzistentnosti batérií.

rovnovážna technológia

Technológia vyrovnávania batérií je spôsob, ako urobiť batérie s rôznymi kapacitami rovnakými.Existujú dva bežné spôsoby vyrovnávania: jednosmerné vyrovnávanie rozptylu energie (pasívne vyrovnávanie) a obojsmerné vyrovnávanie prenosu energie (aktívne vyrovnávanie).

(1) Pasívny zostatok

Princíp pasívneho vyrovnávania spočíva v paralelnom zapojení prepínateľného vybíjacieho odporu na každý reťazec batérií.BMS riadi vybíjací odpor tak, aby vybíjal články s vyšším napätím a rozptyľoval elektrickú energiu ako teplo.Napríklad, keď je batéria B takmer úplne nabitá, prepínač sa otvorí, aby sa umožnilo rezistoru na batérii B rozptýliť prebytočnú elektrickú energiu ako teplo.Potom nabíjanie pokračuje, kým nie sú úplne nabité aj batérie A a C.

Táto metóda môže vybíjať iba vysokonapäťové články a nie je možné nabíjať články s nízkou kapacitou.Vzhľadom na výkonové obmedzenie vybíjacieho odporu je vyrovnávací prúd vo všeobecnosti malý (menej ako 1A).

Výhody pasívneho vyrovnávania sú nízke náklady a jednoduchý dizajn obvodu;nevýhody spočívajú v tom, že je založený na najnižšej zostávajúcej kapacite batérie pre vyrovnávanie, čo nemôže zvýšiť kapacitu batérií s nízkou zostávajúcou kapacitou a že 100 % vyrovnávanej energie sa míňa vo forme tepla.

(2) Aktívny zostatok

Viacnásobné reťazce batérií prostredníctvom algoritmov prenášajú energiu vysokonapäťových článkov do nízkonapäťových článkov pomocou komponentov na uchovávanie energie, vybíjajú vysokonapäťové batérie a využívajú uvoľnenú energiu na nabíjanie článkov s nižším napätím.Energia sa skôr prenáša ako rozptýli.

Týmto spôsobom sa počas nabíjania batéria B, ktorá ako prvá dosiahne 100% napätie, vybije na A a C a tri batérie sa spolu plne nabijú.Počas vybíjania, keď je zostávajúce nabitie batérie B príliš nízke, A a C „nabijú“ B, takže článok B nedosiahne prah SOC na zastavenie vybíjania tak rýchlo.

Hlavné vlastnosti technológie aktívneho vyvažovania

(1) Vyvážte vysoké a nízke napätie, aby ste zlepšili účinnosť batérie: Počas nabíjania a vybíjania a v pokoji je možné vybiť vysokonapäťové batérie a nabíjať batérie s nízkym napätím;

(2) Nízkostratový prenos energie: energia sa skôr prenáša ako jednoducho stráca, čím sa zlepšuje účinnosť využitia energie;

(3) Veľký rovnovážny prúd: Vo všeobecnosti je rovnovážny prúd medzi 1 a 10A a rovnováha je rýchlejšia;

Aktívne vyrovnávanie vyžaduje konfiguráciu zodpovedajúcich obvodov a zariadení na ukladanie energie, čo vedie k veľkému objemu a zvýšeným nákladom.Tieto dve podmienky spolu určujú, že presadzovanie a uplatňovanie aktívneho vyrovnávania nie je jednoduché.

Okrem toho proces aktívneho vyrovnávania nabíjania a vybíjania implicitne zvyšuje životnosť batérie.V prípade článkov, ktoré vyžadujú nabíjanie a vybíjanie na dosiahnutie rovnováhy, môže dodatočné pracovné zaťaženie spôsobiť, že prekročia starnutie bežných článkov, čo má za následok väčší rozdiel vo výkone v porovnaní s inými článkami.

Niektorí odborníci sa domnievajú, že dva vyššie uvedené výrazy by mali zodpovedať disipatívnej rovnováhe a nedisipatívnej rovnováhe.Či je aktívny alebo pasívny, by malo závisieť od udalosti, ktorá spúšťa proces rovnováhy.Ak systém dosiahne stav, kedy musí byť pasívny, je pasívny.Ak ho nastavia ľudia, nastavenie rovnovážneho programu, keď nie je potrebné byť vyvážené, sa nazýva aktívna rovnováha.

Napríklad, keď je vybíjanie na konci, článok s najnižším napätím dosiahol vypínacie napätie, zatiaľ čo ostatné články majú stále energiu.V tomto čase, aby sa vybilo čo najviac elektriny, systém prenáša elektrickú energiu vysokoenergetických článkov do nízkoenergetických článkov, čím umožňuje proces vybíjania pokračovať, kým sa všetka energia nevybije.Ide o pasívny proces vyrovnávania.Ak systém predpovedá, že na konci vybíjania bude nerovnováha, keď ešte zostáva 40% výkonu, spustí proces aktívneho vyrovnávania.

Aktívne vyrovnávanie sa delí na centralizované a decentralizované metódy.Metóda centralizovaného vyrovnávania získava energiu z celej batérie a potom využíva zariadenie na premenu energie na doplnenie energie do batérií s menšou energiou.Decentralizované vyrovnávanie zahŕňa prepojenie na uchovávanie energie medzi susednými batériami, ktorými môže byť induktor alebo kondenzátor, čo umožňuje prúdenie energie medzi susednými batériami.

V súčasnej stratégii riadenia rovnováhy sú takí, ktorí berú napätie článku ako cieľový parameter kontroly, a sú aj takí, ktorí navrhujú použiť SOC ako cieľový parameter kontroly rovnováhy.Ako príklad uvedieme napätie článku.

Najprv nastavte pár prahových hodnôt pre spustenie a ukončenie vyrovnávania: napríklad v súprave batérií, keď rozdiel medzi extrémnym napätím jedného článku a priemerným napätím súpravy dosiahne 50 mV, sa spustí vyrovnávanie a keď dosiahne 5 mV, vyrovnávanie sa ukončí.

BMS zhromažďuje napätie každého článku podľa pevného cyklu snímania, vypočítava priemernú hodnotu a potom vypočítava rozdiel medzi napätím každého článku a priemernou hodnotou;

Ak maximálny rozdiel dosiahne 50 mV, BMS musí spustiť proces vyrovnávania;

Pokračujte krokom 2 počas procesu vyrovnávania, kým nebudú všetky hodnoty rozdielu menšie ako 5 mV, a potom ukončite vyrovnávanie.

Je potrebné poznamenať, že nie všetky BMS vyžadujú tento krok a následné stratégie sa môžu líšiť v závislosti od metódy vyváženia.

S typom batérie súvisí aj technológia vyváženia.Všeobecne sa verí, že LFP je vhodnejší pre aktívnu rovnováhu, zatiaľ čo ternárne batérie sú vhodné pre pasívnu rovnováhu.

Štádium intenzívnej konkurencie v BMS je väčšinou podporované nákladmi a spoľahlivosťou.V súčasnosti ešte nebolo uskutočnené experimentálne overenie aktívneho vyvažovania.Očakáva sa, že úroveň funkčnej bezpečnosti sa posunie smerom k ASIL-C a ASIL-D, ale náklady sú dosť vysoké.Súčasné veľké spoločnosti sú preto opatrné, pokiaľ ide o aktívny výskum vyrovnávania.Niektoré veľké továrne chcú dokonca vyvažovací modul zrušiť a celé vyvažovanie si nechajú vykonávať externe, podobne ako pri údržbe palivových vozidiel.Vždy, keď vozidlo prejde určitú vzdialenosť, pôjde do obchodu 4S na externé vyváženie.Tým sa znížia náklady na celý systém BMS vozidla a zúročí sa aj príslušný obchod 4S.Je to obojstranne výhodná situácia pre všetky strany.Preto osobne chápem, že sa to môže stať trendom!

3.3 Ochrana – diagnostika porúch a alarm

Monitorovanie BMS je zladené s hardvérom elektrického systému a je rozdelené do rôznych úrovní porúch (malá porucha, vážna porucha, fatálna porucha) podľa rôznych výkonnostných podmienok batérie.Pri rôznych úrovniach poruchy sa prijímajú rôzne manipulačné opatrenia: varovanie, obmedzenie výkonu alebo priame odpojenie vysokého napätia.Poruchy zahŕňajú poruchy zberu dát a racionality, elektrické poruchy (snímače a ovládače), poruchy komunikácie a poruchy stavu batérie.

Bežným príkladom je prehriatie batérie, BMS určí, že sa batéria prehrieva na základe zistenej teploty batérie, potom riadi obvod tejto batérie, aby sa odpojil, vykoná ochranu proti prehriatiu a odošle výstrahu riadiacim systémom, ako je EMS.

3.4 Komunikácia

Normálnu prevádzku BMS nemožno oddeliť od komunikačnej funkcie.Či už ide o ovládanie batérie počas správy batérie, prenos stavu batérie do vonkajšieho sveta alebo prijímanie riadiacich pokynov, je potrebná stabilná komunikácia.

V systéme napájacej batérie je jeden koniec BMS pripojený k batérii a druhý koniec je pripojený k riadiacim a elektronickým systémom celého vozidla.Celkové prostredie používa protokol CAN, ale je rozdiel medzi použitím interného CAN medzi vnútornými komponentmi batériovej jednotky a použitím CAN vozidla medzi batériou a celým vozidlom.

Naproti tomu BMS zásobníka energie a interná komunikácia v zásade využívajú protokol CAN, ale jeho externá komunikácia (externá sa týka najmä dispečerského systému energetických zásobníkov energie PCS) často využíva formáty internetového protokolu TCP/IP protokol a protokol modbus.

4) Skladovanie energie BMS

Výrobcovia BMS na skladovanie energie sa vo všeobecnosti vyvinuli z BMS s napájacími batériami, takže mnohé návrhy a výrazy majú historický pôvod

Napríklad napájacia batéria je vo všeobecnosti rozdelená na BMU (Battery Monitor Unit) a BCU (Battery Control Unit), pričom prvá z nich zbiera údaje a druhá ich riadi.

Pretože článok batérie je elektrochemický proces, niekoľko článkov batérie tvorí batériu.Vzhľadom na vlastnosti každého článku batérie, bez ohľadu na to, aký presný je výrobný proces, sa v každom článku batérie časom a v závislosti od prostredia vyskytnú chyby a nezrovnalosti.Preto má systém správy batérie vyhodnocovať aktuálny stav batérie prostredníctvom obmedzených parametrov, čo je trochu podobné, ako keď lekár tradičnej čínskej medicíny diagnostikuje pacienta na základe pozorovaní symptómov, a nie západná medicína vyžadujúca fyzikálne a chemické analýzy.Fyzikálna a chemická analýza ľudského tela je podobná elektrochemickým charakteristikám batérie, ktoré možno merať rozsiahlymi experimentálnymi prístrojmi.Pre vstavané systémy je však ťažké vyhodnotiť niektoré ukazovatele elektrochémie.Preto je BMS ako starý lekár čínskej medicíny.

4.1 Trojvrstvová architektúra zásobníka energie BMS

Kvôli veľkému počtu batériových článkov v systémoch skladovania energie sa BMS vo všeobecnosti implementuje vo vrstvách, s dvoma alebo tromi vrstvami, aby sa ušetrili náklady.V súčasnosti sú hlavným prúdom tri vrstvy: master control/master control/slave control.

4.2 Podrobný popis BMS skladovania energie

5) Súčasná situácia a budúci trend

Existuje niekoľko typov výrobcov, ktorí vyrábajú BMS:

Prvou kategóriou je koncový užívateľ s najdominantnejšou silou v napájacej batérii BMS – automobilky.V skutočnosti najsilnejšou výrobnou silou BMS v zahraničí sú aj automobilky, ako General Motors, Tesla atď.. Doma sú BYD, Huating Power atď.

Druhou kategóriou sú továrne na batérie, vrátane výrobcov článkov a výrobcov balení, ako sú Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad atď.;

Tretím typom výrobcov BMS sú výrobcovia s dlhoročnými skúsenosťami s technológiou výkonovej elektroniky a majú tímy výskumu a vývoja s univerzitným alebo príbuzným podnikovým zázemím, ako sú Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology a Kegong Electronics.

Na rozdiel od BMS napájacích batérií, ktorým dominujú najmä výrobcovia koncových vozidiel, sa zdá, že koncoví používatelia batérií na ukladanie energie nemajú žiadnu potrebu alebo špecifické kroky na účasť na výskume, vývoji a výrobe BMS.Je tiež nepravdepodobné, že vynaložia veľa peňazí a energie na vývoj rozsiahlych systémov správy batérií.Dá sa preto usúdiť, že v odvetví BMS s akumulátormi energie chýba dôležitý hráč s absolútnymi výhodami, čo ponecháva obrovský priestor pre vývoj a predstavivosť pre výrobcov a predajcov batérií so zameraním na BMS pre skladovanie energie.Ak dôjde k zavedeniu trhu skladovania energie, poskytne to výrobcom batérií a profesionálnym výrobcom BMS veľký priestor na rozvoj a menšiu konkurenčnú odolnosť.

Profesionálnych výrobcov BMS zameraných na vývoj BMS skladovania energie je v súčasnosti pomerne málo, a to najmä z dôvodu, že trh skladovania energie je ešte len v plienkach a o budúcom vývoji skladovania energie na trhu je stále veľa pochybností.Preto väčšina výrobcov nevyvinula BMS súvisiace so skladovaním energie.V skutočnom podnikateľskom prostredí existujú aj výrobcovia, ktorí nakupujú BMS batérií pre elektrické vozidlá na použitie ako BMS pre batérie na ukladanie energie.Predpokladá sa, že v budúcnosti sa aj profesionálni výrobcovia BMS elektrických vozidiel pravdepodobne stanú dôležitou súčasťou dodávateľov BMS používaných vo veľkých projektoch skladovania energie.

V tejto fáze chýbajú jednotné štandardy pre BMS, ktoré poskytujú rôzni dodávatelia systémov skladovania energie.Rôzni výrobcovia majú rôzne návrhy a definície pre BMS a v závislosti od rôznych batérií, s ktorými sú kompatibilné, sa môže líšiť aj algoritmus SOX, technológia ekvalizácie a obsah komunikačných údajov.Pri praktickej aplikácii BMS takéto rozdiely zvýšia aplikačné náklady a budú škodlivé pre priemyselný rozvoj.Preto bude štandardizácia a modularizácia BMS tiež dôležitým smerom rozvoja v budúcnosti.