Akü Yönetim Sistemi BMS Bilgisi ve İşlevi, Giriş

BMS'nin tam adı Akü Yönetim Sistemidir.Enerji depolama pillerinin durumunu izleyen bir cihazdır.Esas olarak bireysel pil hücrelerinin akıllı yönetimi ve bakımı, pillerin aşırı şarjını ve aşırı deşarjını önlemek, pil ömrünü uzatmak ve pil durumunu izlemek için kullanılır.BMS genel olarak bir devre kartı veya donanım kutusu olarak temsil edilir.

 

BMS, batarya enerji depolama sisteminin temel alt sistemlerinden biridir ve batarya enerji depolama ünitesindeki her bataryanın çalışma durumunun izlenmesinden ve enerji depolama ünitesinin emniyetli ve güvenilir şekilde çalışmasının sağlanmasından sorumludur.BMS, enerji depolama bataryasının durum parametrelerini gerçek zamanlı olarak izleyebilir ve toplayabilir (tek hücre voltajı, batarya kutup sıcaklığı, batarya döngü akımı, batarya paketi terminal voltajı, batarya sistemi izolasyon direnci vb. dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere) ve Daha fazla sistem durumu değerlendirme parametresi elde etmek için ilgili durum parametreleri üzerinde gerekli analiz ve hesaplamaları yapın.Ayrıca, tüm pil enerji depolama ünitesinin emniyetli ve güvenilir şekilde çalışmasını sağlamak için özel koruma kontrol stratejilerine göre enerji depolama pilinin kendisinin etkili kontrolünü de sağlayabilir.Aynı zamanda BMS, tüm enerji depolama gücündeki çeşitli alt sistemlerin bağlantı kontrolünü oluşturmak için kendi iletişim arayüzü ve analog/dijital giriş arayüzü aracılığıyla diğer harici cihazlarla (PCS, EMS, yangın koruma sistemi vb.) etkileşime girebilir. santralin emniyetli, güvenilir ve verimli şebekeye bağlı çalışmasını sağlar.

2) Mimarlık

Topoloji mimarisi açısından BMS iki kategoriye ayrılır: farklı proje gereksinimlerine göre merkezileştirilmiş ve dağıtılmış.

 

Merkezi BMS

Basitçe söylemek gerekirse, merkezi BMS, tüm hücreleri toplamak için tek bir BMS donanımı kullanır; bu da az hücreli senaryolar için uygundur.

Merkezi BMS, düşük maliyet, kompakt yapı ve yüksek güvenilirlik avantajlarına sahiptir ve elektrikli el aletleri, robotlar (taşıma robotları, yardımcı robotlar), düşük kapasite, düşük toplam basınç ve küçük akü sistemi hacmine sahip senaryolarda yaygın olarak kullanılır. IoT akıllı evler (süpürme robotları, elektrikli süpürgeler), elektrikli forkliftler, elektrikli düşük hızlı araçlar (elektrikli bisikletler, elektrikli motosikletler, elektrikli gezi arabaları, elektrikli devriye arabaları, elektrikli golf arabaları vb.) ve hafif hibrit araçlar.

Merkezi BMS donanımı yüksek gerilim ve alçak gerilim alanlarına ayrılabilir.Yüksek voltaj alanı, tek hücre voltajının, sistem toplam voltajının toplanmasından ve izolasyon direncinin izlenmesinden sorumludur.Düşük voltaj alanı güç kaynağı devrelerini, CPU devrelerini, CAN iletişim devrelerini, kontrol devrelerini vb. içerir.

Binek araçların güç aküsü sistemi yüksek kapasiteye, yüksek toplam basınca ve büyük hacme doğru gelişmeye devam ettikçe, dağıtılmış BMS mimarileri esas olarak plug-in hibrit ve saf elektrikli araç modellerinde kullanılmaktadır.

Dağıtılmış BMS

Şu anda sektörde dağıtılmış BMS için çeşitli terimler bulunmaktadır ve farklı şirketler farklı isimlere sahiptir.Güç pili BMS'si çoğunlukla ana-bağımlı iki katmanlı bir mimariye sahiptir:

 

Enerji depolama BMS'si, pil takımının büyük boyutundan dolayı genellikle üç katmanlı bir mimaridir ve ikincil ve ana kontrol katmanlarının üzerinde bir ana kontrol katmanı bulunur.

Tıpkı pillerin pil kümelerini oluşturması ve bunların da yığınlar oluşturması gibi, üç katmanlı BMS de aynı yukarıya doğru kuralı izler:

Kontrolden: bireysel pillerden bilgi toplayan pil yönetim ünitesi (BMU).

Pil hücresinin voltajını ve sıcaklığını izleyin

Pakette pil dengeleme

Bilgi yükleme

termal yönetim

Anormal alarm

Ana kontrol: Akü kümesi yönetim birimi: BMU bilgilerinin toplanmasından ve akü kümesi bilgilerinin toplanmasından sorumlu olan BCU (yüksek gerilim yönetim birimi HVU, BCMU, vb. olarak da bilinen akü kümesi birimi).

Akü kümesi akım tespiti, toplam voltaj tespiti, kaçak tespiti

Pil durumu anormal olduğunda kapanma koruması

BMS yönetimi altında kapasite kalibrasyonu ve SOC kalibrasyonu, sonraki şarj ve deşarj yönetiminin temeli olarak ayrı ayrı tamamlanabilir

Pil dizisi yönetim birimi (BAU), tüm enerji depolama pil kümesindeki pillerin merkezi yönetiminden sorumludur.Çeşitli pil kümesi yönetim birimlerine bağlanır ve pil dizisinin çalışma durumu hakkında geri bildirim sağlamak için diğer cihazlarla bilgi alışverişinde bulunur.

Pil dizisinin şarj ve deşarj yönetimi

BMS sistemi kendi kendini kontrol etme ve arıza teşhis alarmı

Pil takımı arıza teşhis alarmı

Pil dizisindeki çeşitli anormallikler ve arızalar için güvenlik koruması

PCS ve EMS gibi diğer cihazlarla iletişim kurun

Veri depolama, iletim ve işleme

Pil yönetim katmanı: Bireysel pillerin çeşitli bilgilerinin (voltaj, sıcaklık) toplanmasından, pillerin SOC ve SOH'sinin hesaplanmasından ve analiz edilmesinden, bireysel pillerin aktif eşitlenmesinin sağlanmasından ve bireysel pillerin anormal bilgilerinin BCMU pil paketi birimi katmanına yüklenmesinden sorumludur.CAN harici iletişimi aracılığıyla, bir papatya zinciri aracılığıyla birbirine bağlanır.

Pil yönetimi katmanı: BMU tarafından yüklenen ayrı pillerden çeşitli bilgilerin toplanmasından, pil paketi (paket voltajı, paket sıcaklığı), pil paketi şarj ve deşarj akımları hakkında çeşitli bilgilerin toplanmasından, pil paketinin SOC ve SOH'sinin hesaplanmasından ve analiz edilmesinden sorumludur. ve tüm bilgilerin pil kümesi birimi katmanı BAMS'ye yüklenmesi.CAN harici iletişimi aracılığıyla, bir papatya zinciri aracılığıyla birbirine bağlanır.

Pil kümesi yönetim katmanı: BCMU tarafından yüklenen çeşitli pil bilgilerinin toplanmasından ve tüm bilgilerin RJ45 arayüzü aracılığıyla enerji depolama izleme EMS sistemine yüklenmesinden sorumludur;Pilin ilgili anormal bilgilerini PCS'ye (CAN veya RS485 arayüzü) göndermek için PCS ile iletişim kurar ve PCS ile iletişim kurmak için donanım kuru düğümleriyle donatılmıştır.Ayrıca akü sistemi BSE (Pil Durumu Tahmini) değerlendirmesi, elektrik sistemi durum tespiti, kontaktör yönetimi, termal yönetim, operasyon yönetimi, şarj yönetimi, teşhis yönetimi, dahili ve harici iletişim ağı yönetimini gerçekleştirir.Astları ile CAN üzerinden iletişim kurar.

3) BMS ne yapar?

BMS'nin işlevleri çoktur, ancak esası ve bizim en çok ilgilendiğimiz şey üç yönüdür:

Bunlardan biri, BMS'nin temel işlevi olan algılamadır (durum yönetimi).Gerilimi, direnci, sıcaklığı ölçer ve sonuçta pilin durumunu algılar.Pilin durumunun ne olduğunu, ne kadar enerji ve kapasiteye sahip olduğunu, ne kadar sağlıklı olduğunu, ne kadar güç ürettiğini, ne kadar güvenli olduğunu bilmek istiyoruz.Bu bir algılamadır.

İkincisi ise yönetimdir (denge yönetimi).Bazı insanlar BMS'nin pilin dadısı olduğunu söylüyor.O halde bu dadı bunu halletmeli.Neyi yönetmeli?Pilin mümkün olduğunca iyi olmasını sağlamaktır.En temel olanı denge yönetimi ve termal yönetimdir.

Üçüncüsü korumadır (güvenlik yönetimi).Dadının da yapması gereken bir iş var.Pilin bir durumu varsa korunması ve alarm verilmesi gerekir.

Elbette sistem içinde veya dışında belirli protokoller aracılığıyla veri aktarımını sağlayan bir iletişim yönetimi bileşeni de bulunmaktadır.

BMS'nin burada ele alınmayan çalışma kontrolü, yalıtım izleme, termal yönetim vb. gibi birçok başka işlevi vardır.

 

3.1 Algı – Ölçme ve Tahmin

BMS'nin temel işlevi, voltaj, akım, sıcaklık ve durum gibi temel parametrelerin yanı sıra SOC ve SOH gibi pil durumu verilerinin hesaplamaları da dahil olmak üzere pil parametrelerini ölçmek ve tahmin etmektir.Güç pilleri alanı aynı zamanda burada tartışılmayan SOP (güç durumu) ve SOE (enerji durumu) hesaplamalarını da içerir.Daha yaygın olarak kullanılan ilk iki veriye odaklanacağız.

Hücre ölçümü

1) Temel bilgi ölçümü: Akü yönetim sisteminin en temel işlevi, akü yönetim sistemindeki tüm üst düzey hesaplamaların ve kontrol mantığının temelini oluşturan bireysel akü hücrelerinin voltajını, akımını ve sıcaklığını ölçmektir.

2) Yalıtım direnci testi: Akü yönetim sistemi içindeki tüm akü sistemi ve yüksek gerilim sistemi için yalıtım testi gereklidir.

3) Yüksek gerilim kilitleme tespiti (HVIL): tüm yüksek gerilim sisteminin bütünlüğünü doğrulamak ve yüksek gerilim sistemi döngüsünün bütünlüğü tehlikeye girdiğinde güvenlik önlemlerini başlatmak için kullanılır.

SOC hesaplaması

SOC, pilin kalan kapasitesi olan Şarj Durumunu ifade eder.Basitçe söylemek gerekirse, pilde ne kadar güç kaldığıdır.

SOC, BMS'deki en önemli parametredir, çünkü her şey buna dayanmaktadır.Bu nedenle doğruluğu ve sağlamlığı (hata düzeltme yeteneği olarak da bilinir) son derece önemlidir.Doğru SOC olmadan hiçbir koruma fonksiyonu BMS'nin düzgün çalışmasını sağlayamaz, çünkü pil genellikle korumalı durumda olacaktır ve bu da pilin ömrünü uzatmayı imkansız hale getirecektir.

Şu anda ana akım SOC tahmin yöntemleri arasında açık devre gerilim yöntemi, akım entegrasyon yöntemi, Kalman filtre yöntemi ve sinir ağı yöntemi yer almaktadır.İlk iki yöntem yaygın olarak kullanılmaktadır.Son iki yöntem, entegrasyon modelleri ve yapay zeka gibi burada ayrıntıları verilmeyen ileri düzey bilgileri içerir.

Pratik uygulamalarda, pilin şarj ve deşarj durumuna bağlı olarak farklı algoritmalar benimsenerek sıklıkla birden fazla algoritma bir arada kullanılır.

açık devre voltajı yöntemi

Açık devre voltajı yönteminin prensibi, pilin uzun süreli statik yerleştirilmesi koşulu altında açık devre voltajı ile SOC arasındaki nispeten sabit fonksiyonel ilişkiyi kullanmak ve böylece açık devre voltajına dayalı olarak SOC'yi tahmin etmektir.Daha önce yaygın olarak kullanılan kurşun-asit akülü elektrikli bisiklet, SOC'yi tahmin etmek için bu yöntemi kullanıyor.Açık devre voltajı yöntemi basit ve kullanışlıdır ancak birçok dezavantajı da vardır:

1. Akü uzun süre ayakta bırakılmalıdır, aksi takdirde açık devre voltajının kısa sürede dengelenmesi zor olacaktır;

2. Pillerde, özellikle lityum demir fosfat pillerde, terminal voltajının ve SOC eğrisinin SOC%30-%80 aralığında yaklaşık olarak doğrusal olduğu bir voltaj platosu vardır;

3. Pil farklı sıcaklıklarda veya farklı kullanım ömründedir ve açık devre voltajı aynı olmasına rağmen gerçek SOC farkı büyük olabilir;

Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi bu elektrikli bisikleti kullandığımızda mevcut SOC %100 olarak gösterilirse hızlanırken voltaj düşer ve güç %80 olarak görüntülenebilir.Hızlanmayı bıraktığımızda voltaj yükselir ve güç %100'e geri döner.Yani elektrikli scooterımızın güç göstergesi doğru değil.Durduğumuzda gücü var ama çalıştırdığımızda gücü bitiyor.Bu pille ilgili bir sorun olmayabilir ancak BMS'nin SoC algoritmasının çok basit olmasından kaynaklanıyor olabilir.

An-Shi integral yöntemi

Anshicontinuous entegrasyon yöntemi, SOC tanımı aracılığıyla SOC değerini gerçek zamanlı olarak doğrudan hesaplar.

Başlangıç ​​SOC değeri göz önüne alındığında, akü akımı ölçülebildiği sürece (deşarj akımının pozitif olduğu durumda), akü kapasitesindeki değişiklik akım entegrasyonu yoluyla doğru bir şekilde hesaplanabilir ve kalan SOC elde edilir.

Bu yöntem, kısa sürede nispeten güvenilir tahmin sonuçlarına sahiptir, ancak akım sensörünün ölçüm hataları ve pil kapasitesinin kademeli olarak azalması nedeniyle, uzun vadeli akım entegrasyonu belirli sapmalara neden olacaktır.Bu nedenle, düşük doğruluk gereksinimleri ile SOC tahmini için başlangıç ​​değerini tahmin etmek amacıyla genellikle açık devre voltajı yöntemiyle birlikte kullanılır ve kısa vadeli SOC tahmini için Kalman filtreleme yöntemiyle birlikte de kullanılabilir.

SOC (Şarj Durumu), mevcut kalan kapasite durumunu temsil eden BMS'nin temel kontrol algoritmasına aittir.Temel olarak amper-saat entegrasyon yöntemi ve EKF (Genişletilmiş Kalman Filtresi) algoritması ile düzeltme stratejileri (açık devre voltajı düzeltmesi, tam şarj düzeltmesi, şarj sonu düzeltmesi, farklı sıcaklıklar ve SOH altında kapasite düzeltmesi gibi) ile birleştirilir. vesaire.).Amper-saat entegrasyon yöntemi, akım elde etme doğruluğunun sağlanması koşuluyla nispeten güvenilirdir ancak sağlam değildir.Hataların birikmesi nedeniyle düzeltme stratejileriyle birleştirilmelidir.EKF yöntemi sağlamdır ancak algoritması nispeten karmaşıktır ve uygulanması zordur.Yerli ana akım üreticiler oda sıcaklığında %6'dan daha az bir doğruluk elde edebilir, ancak yüksek ve düşük sıcaklıklarda ve pil zayıflamasında tahmin yapmak zordur.

SOC düzeltmesi

Mevcut dalgalanmalar nedeniyle tahmin edilen SOC hatalı olabilir ve çeşitli düzeltme stratejilerinin tahmin sürecine dahil edilmesi gerekir.

 

SOH hesaplaması

SOH, pilin mevcut sağlık durumunu (veya pilin bozulma derecesini) gösteren Sağlık Durumu anlamına gelir.Tipik olarak %0 ile %100 arasında bir değer olarak temsil edilir; %80'in altındaki değerlerin genellikle pilin artık kullanılamaz olduğunu gösterdiği kabul edilir.Pil kapasitesindeki veya iç dirençteki değişikliklerle temsil edilebilir.Kapasite kullanılırken mevcut pilin gerçek kapasitesi, pilin çalışma sürecinden elde edilen verilere dayanarak tahmin edilir ve bunun nominal kapasiteye oranı SOH'dur.Doğru bir SOH, pil bozulduğunda diğer modüllerin tahmin doğruluğunu artıracaktır.

SOH'un sektörde iki farklı tanımı bulunmaktadır:

Kapasite azalmasına dayalı SOH tanımı

Lityum iyon pillerin kullanımı sırasında pilin içindeki aktif madde giderek azalır, iç direnç artar ve kapasite düşer.Bu nedenle SOH, pil kapasitesiyle tahmin edilebilir.Pilin sağlık durumu, mevcut kapasitenin başlangıç ​​kapasitesine oranı olarak ifade edilir ve SOH'si şu şekilde tanımlanır:

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

Burada: C_fade pilin kayıp kapasitesidir;C_standard nominal kapasitedir.

IEEE standardı 1188-1996, güç pilinin kapasitesi %80'e düştüğünde pilin değiştirilmesi gerektiğini şart koşar.Bu nedenle genellikle %80'in altında olduğunda pil SOH'sinin kullanılamadığını düşünürüz.

Güç zayıflamasına dayalı SOH tanımı (Power Fade)

Hemen hemen tüm pil türlerinin eskimesi, pilin iç direncinin artmasına neden olacaktır.Pilin iç direnci ne kadar yüksek olursa, mevcut güç o kadar düşük olur.Bu nedenle SOH, güç zayıflaması kullanılarak tahmin edilebilir.

3.2 Yönetim – Dengeli Teknoloji

Her pilin kendi “kişiliği” vardır

Dengeden bahsetmek için pillerle başlamalıyız.Aynı üretici tarafından aynı partide üretilen pillerin bile kendi yaşam döngüleri ve "kişilikleri" vardır; her pilin kapasitesi tam olarak aynı olamaz.Bu tutarsızlığın iki nedeni var:

Birincisi hücre üretimindeki tutarsızlık

Bunlardan biri elektrokimyasal reaksiyonların tutarsızlığıdır.

üretim tutarsızlığı

Üretim tutarsızlıklarını anlamak kolaydır.Örneğin, üretim süreci sırasında diyafram tutarsızlıkları ve katot ve anot malzemesi tutarsızlıkları genel pil kapasitesi tutarsızlıklarına neden olabilir.Standart bir 50AH pil 49AH veya 51AH olabilir.

elektrokimyasal tutarsızlık

Elektrokimyanın tutarsızlığı, pilin şarj edilmesi ve boşaltılması sürecinde, iki hücrenin üretimi ve işlenmesi aynı olsa bile, elektrokimyasal reaksiyon sürecinde termal ortamın asla tutarlı olamamasıdır.Örneğin akü modülleri yapılırken çevredeki halkanın sıcaklığı ortadaki halkanın sıcaklığından daha düşük olmalıdır.Bu, şarj etme ve boşaltma miktarları arasında uzun vadeli tutarsızlığa neden olur ve bu da pil hücresi kapasitesinin tutarsız olmasına yol açar;Pil hücresindeki SEI filminin şarj ve deşarj akımları uzun süre tutarsız olduğunda, SEI filminin yaşlanması da tutarsız olacaktır.

*SEI filmi: “katı elektrolit arayüzü” (katı elektrolit arayüzü).Sıvı lityum iyon pilin ilk şarj deşarj işlemi sırasında elektrot malzemesi, katı-sıvı faz arayüzü üzerindeki elektrolit ile reaksiyona girerek elektrot malzemesinin yüzeyini kaplayan bir pasifleştirme tabakası oluşturur.SEI filmi bir elektronik yalıtkandır ancak lityum iyonlarının mükemmel bir iletkenidir; bu sadece elektrodu korumakla kalmaz, aynı zamanda pil işlevini de etkilemez.SEI filminin eskimesinin pil sağlığı üzerinde önemli bir etkisi vardır.

Bu nedenle, pil paketlerinin tek biçimli olmaması (veya ayrık olması), pil çalışmasının kaçınılmaz bir tezahürüdür.

Denge neden gerekli?

Piller farklıdır, öyleyse neden onları aynı yapmaya çalışmıyorsunuz?Çünkü tutarsızlık pil takımının performansını etkileyecektir.

Seri bağlı batarya paketi kısa namlu etkisini takip eder: Seri bağlı batarya paketi sisteminde, tüm batarya paketi sisteminin kapasitesi en küçük tek ünite tarafından belirlenir.

Üç pilden oluşan bir pil takımımız olduğunu varsayalım:

Aşırı şarjın ve aşırı deşarjın pillere ciddi şekilde zarar verebileceğini biliyoruz.Bu nedenle, B pili şarj sırasında tamamen şarj olduğunda veya B pilinin SoC'si deşarj sırasında çok düşük olduğunda, B pilini korumak için şarj ve deşarjı durdurmak gerekir. Sonuç olarak A ve C pillerinin gücü tam olarak sağlanamaz. kullanıldı.

Bu şunlara yol açar:

Pil takımının fiili kullanılabilir kapasitesi azaldı: Mevcut kapasiteyi kullanabilecek olan Pil A ve C, artık Pil B'yi barındıramayacak durumda. Bu, üç ayak üzerinde birbirine bağlanmış iki kişi gibidir. uzun boylu kişi büyük adımlar atamaz.

Pil ömrünün azalması: Daha kısa adım uzunluğu daha fazla adım gerektirir ve bacakların daha fazla yorulmasına neden olur.Kapasitenin azalmasıyla şarj ve deşarj döngülerinin sayısı artar ve bu da pilin daha fazla bozulmasına neden olur.Örneğin, tek bir hücre %100 DoD'da 4000 döngüye ulaşabilir ancak gerçek kullanımda %100'e ulaşamaz ve döngü sayısı da kesinlikle 4000'e ulaşmaz.

*DoD, Deşarj derinliği, batarya deşarj kapasitesinin bataryanın nominal kapasitesine göre yüzdesini temsil eder.

Pillerin tutarsızlığı pil takımının performansının düşmesine neden olur.Akü modülünün boyutu büyük olduğunda, birden fazla akü dizisi seri olarak bağlanır ve büyük bir tek voltaj farkı tüm kutunun kapasitesinin azalmasına neden olur.Ne kadar çok pil seri bağlanırsa kapasite kaybı da o kadar fazla olur.Ancak uygulamalarımızda özellikle enerji depolama sistemi uygulamalarında iki önemli gereksinim bulunmaktadır:

Birincisi, işletme ve bakım maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilen uzun ömürlü aküdür.Enerji depolama sisteminin pil takımının ömrü açısından yüksek gereksinimleri vardır.Yerli olanların çoğu 15 yıllığına tasarlanıyor.Yılda 300 devir olduğunu varsayarsak, 15 yıl 4500 devirdir ki bu hala çok yüksektir.Tüm pil paketinin toplam ömrünün mümkün olduğunca tasarım ömrüne ulaşması ve pil dağılımının pil paketinin ömrü üzerindeki etkisini azaltmak için her pilin ömrünü maksimuma çıkarmamız gerekiyor.

İkinci derin döngü, özellikle pik tıraşlama uygulama senaryosunda, bir kWh daha elektriğin serbest bırakılması bir puan daha gelir getirecektir.Yani %80 DoD veya %90 DoD yapacağız.Enerji depolama sisteminde derin çevrim kullanıldığında kuyruk deşarjı sırasında bataryanın dağılımı ortaya çıkacaktır.Bu nedenle, derin şarj ve derin deşarj koşullarında her bir hücrenin kapasitesinin tam olarak serbest bırakılmasını sağlamak için, enerji depolama BMS'sinin güçlü dengeleme yönetimi yeteneklerine sahip olmasını gerektirmek ve pil hücreleri arasında tutarlılığın oluşmasını engellemek gerekir. .

Bu iki gereklilik pil tutarsızlığına tamamen aykırıdır.Daha verimli pil paketi uygulamaları elde etmek için pil tutarsızlığının etkisini azaltacak daha etkili dengeleme teknolojisine sahip olmamız gerekir.

denge teknolojisi

Pil eşitleme teknolojisi, farklı kapasitelerdeki pilleri aynı hale getirmenin bir yoludur.İki yaygın eşitleme yöntemi vardır: enerji dağıtımı tek yönlü eşitleme (pasif eşitleme) ve enerji aktarımı çift yönlü eşitleme (aktif eşitleme).

(1) Pasif bakiye

Pasif dengeleme ilkesi, her bir pil dizisinde değiştirilebilir bir deşarj direncinin paralel bağlanmasıdır.BMS, elektrik enerjisini ısı olarak dağıtarak yüksek voltajlı hücreleri boşaltmak için deşarj direncini kontrol eder.Örneğin, B pili neredeyse tamamen şarj olduğunda, B pilindeki direncin fazla elektrik enerjisini ısı olarak dağıtmasına izin vermek için anahtar açılır.Daha sonra A ve C pilleri de tamamen şarj olana kadar şarj işlemi devam eder.

Bu yöntem yalnızca yüksek voltajlı hücreleri boşaltabilir, düşük kapasiteli hücreleri şarj edemez.Deşarj direncinin güç sınırlaması nedeniyle dengeleme akımı genellikle küçüktür (1A'den az).

Pasif eşitlemenin avantajları düşük maliyetli ve basit devre tasarımıdır;dezavantajları ise eşitleme için kalan en düşük pil kapasitesini esas alması, kalan kapasitesi düşük olan pillerin kapasitesini artıramaması ve eşitlenen gücün %100'ünün ısı şeklinde boşa gitmesidir.

(2) Aktif bakiye

Algoritmalar aracılığıyla, birden fazla pil dizisi, enerji depolama bileşenlerini kullanarak yüksek voltajlı hücrelerin enerjisini düşük voltajlı hücrelere aktarır, yüksek voltajlı pilleri boşaltır ve açığa çıkan enerjiyi düşük voltajlı hücreleri şarj etmek için kullanır.Enerji esas olarak dağıtılmak yerine aktarılır.

Bu sayede şarj sırasında %100 voltaja ilk ulaşan B pili A ve C'ye boşalır ve üç pil birlikte tamamen şarj olur.Deşarj sırasında, B pilinin kalan şarjı çok düşük olduğunda, A ve C B'yi "şarj eder", böylece B hücresi deşarjı bu kadar çabuk durdurmak için SOC eşiğine ulaşamaz.

Aktif dengeleme teknolojisinin temel özellikleri

(1) Pil takımının verimliliğini artırmak için yüksek ve düşük voltajı dengeleyin: Şarj etme, boşaltma ve dinlenme sırasında, yüksek voltajlı piller boşaltılabilir ve düşük voltajlı piller şarj edilebilir;

(2) Düşük kayıplı enerji aktarımı: Enerji, basitçe kaybolmak yerine çoğunlukla aktarılır, bu da güç kullanımının verimliliğini artırır;

(3) Büyük denge akımı: Genellikle denge akımı 1 ile 10A arasındadır ve denge daha hızlıdır;

Aktif dengeleme, ilgili devrelerin ve enerji depolama cihazlarının yapılandırılmasını gerektirir, bu da büyük hacim ve artan maliyete yol açar.Bu iki koşul birlikte aktif eşitlemenin teşvik edilmesinin ve uygulanmasının kolay olmadığını belirlemektedir.

Ayrıca aktif dengeleme şarj ve deşarj işlemi pilin çevrim ömrünü dolaylı olarak artırır.Dengeyi sağlamak için şarj ve deşarj gerektiren hücrelerin ek iş yükü, bunların sıradan hücrelerin yaşlanmasını aşmasına neden olabilir ve bu da diğer hücrelerle daha büyük bir performans farkına neden olabilir.

Bazı uzmanlar yukarıdaki iki ifadenin enerji tüketen denge ve enerji tüketmeyen dengeye karşılık gelmesi gerektiğine inanıyor.Aktif ya da pasif olması denge sürecini tetikleyen olaya bağlı olmalıdır.Sistem pasif olması gereken bir duruma ulaşırsa pasiftir.Denge programının dengelenmeye gerek olmadığında ayarlanmasına, eğer insanlar tarafından ayarlanıyorsa, aktif denge denir.

Örneğin deşarj sona erdiğinde en düşük gerilimli hücre deşarj kesme gerilimine ulaşmışken diğer hücreler halen enerjiye sahiptir.Bu esnada mümkün olduğu kadar fazla elektriğin deşarj edilmesi için sistem, yüksek enerjili hücrelerin elektriğini düşük enerjili hücrelere aktararak, tüm güç boşalana kadar deşarj işleminin devam etmesini sağlar.Bu pasif bir eşitleme sürecidir.Eğer sistem hala %40 güç varken deşarj sonunda dengesizlik olacağını tahmin ederse aktif dengeleme sürecini başlatacaktır.

Aktif eşitleme merkezi ve merkezi olmayan yöntemlere ayrılmıştır.Merkezi dengeleme yöntemi, pil takımının tamamından enerji elde eder ve ardından daha az enerjiyle pillere enerji takviyesi yapmak için bir enerji dönüştürme cihazı kullanır.Merkezi olmayan dengeleme, bitişik piller arasında, enerjinin bitişik piller arasında akmasına izin veren bir indüktör veya kapasitör olabilen bir enerji depolama bağlantısını içerir.

Mevcut denge kontrol stratejisinde hücre voltajını kontrol hedef parametresi olarak alanlar olduğu gibi SOC'nin denge kontrol hedef parametresi olarak kullanılmasını önerenler de vardır.Örnek olarak hücre voltajını ele alalım.

İlk olarak, eşitlemeyi başlatmak ve bitirmek için bir çift eşik değeri ayarlayın: örneğin, bir dizi pilde, tek bir hücrenin aşırı voltajı ile grubun ortalama voltajı arasındaki fark 50 mV'ye ulaştığında dengeleme başlatılır ve 5mV'a ulaştığında dengeleme sonlandırılır.

BMS, sabit bir toplama döngüsüne göre her hücrenin voltajını toplar, ortalama değeri hesaplar ve ardından her hücre voltajı ile ortalama değer arasındaki farkı hesaplar;

Maksimum fark 50mV'ye ulaşırsa BMS'nin dengeleme işlemini başlatması gerekir;

Fark değerlerinin tümü 5mV'nin altına düşene kadar eşitleme işlemi sırasında 2. adıma devam edin ve ardından eşitlemeyi sonlandırın.

Tüm BMS'lerin bu adımı gerektirmediği ve sonraki stratejilerin dengeleme yöntemine bağlı olarak değişebileceği unutulmamalıdır.

Denge teknolojisi aynı zamanda pilin türüyle de ilgilidir.Genel olarak LFP'nin aktif denge için daha uygun olduğu, üçlü pillerin ise pasif denge için uygun olduğu düşünülmektedir.

BMS'de yoğun rekabetin yaşandığı aşama çoğunlukla maliyet ve güvenilirlik ile desteklenmektedir.Şu anda aktif dengelemenin deneysel olarak doğrulanması henüz sağlanamamıştır.Fonksiyonel güvenlik seviyesinin ASIL-C ve ASIL-D'ye doğru ilerlemesi bekleniyor ancak maliyeti oldukça yüksek.Bu nedenle mevcut büyük şirketler aktif dengeleme araştırmalarına karşı temkinli davranıyorlar.Hatta bazı büyük fabrikalar, yakıtlı araçların bakımına benzer şekilde dengeleme modülünü iptal edip tüm dengelemeyi dışarıdan yaptırmak bile istiyor.Araç her belirli mesafeyi katettiğinde dış dengeleme için 4S mağazasına gidecektir.Bu, tüm araç BMS'sinin maliyetini azaltacak ve aynı zamanda ilgili 4S mağazasına da fayda sağlayacaktır.Tüm taraflar için bir kazan-kazan durumudur.Bu nedenle şahsen bunun bir trend olabileceğini anlıyorum!

3.3 Koruma – arıza teşhisi ve alarm

BMS izleme, elektrik sisteminin donanımıyla eşleştirilir ve pilin farklı performans koşullarına göre farklı arıza seviyelerine (küçük arıza, ciddi arıza, ölümcül arıza) bölünür.Farklı arıza seviyelerinde farklı işlem önlemleri alınır: uyarı, güç sınırlaması veya doğrudan yüksek voltajın kesilmesi.Arızalar arasında veri toplama ve rasyonellik arızaları, elektrik arızaları (sensörler ve aktüatörler), iletişim arızaları ve pil durumu arızaları yer alır.

Yaygın bir örnek, bir pilin aşırı ısınması durumunda, BMS'nin toplanan pil sıcaklığına göre pilin aşırı ısındığını belirlemesi, ardından bağlantıyı kesmek için bu pilin devresini kontrol etmesi, aşırı ısınma korumasını gerçekleştirmesi ve EMS gibi yönetim sistemlerine bir uyarı göndermesidir.

3.4 İletişim

BMS'nin normal çalışması iletişim fonksiyonundan ayrılamaz.İster pil yönetimi sırasında pilin kontrol edilmesi, ister pil durumunun dış dünyaya iletilmesi, ister kontrol talimatlarının alınması olsun, istikrarlı iletişim gereklidir.

Güç akü sisteminde BMS'nin bir ucu aküye, diğer ucu ise tüm aracın kontrol ve elektronik sistemlerine bağlanır.Genel ortam CAN protokolünü kullanır, ancak pil takımının dahili bileşenleri arasında dahili CAN kullanımı ile pil takımı ile aracın tamamı arasında araç CAN kullanımı arasında bir ayrım vardır.

Buna karşılık, enerji depolama BMS'si ve dahili iletişim temel olarak CAN protokolünü kullanır, ancak harici iletişimi (harici esas olarak enerji depolama güç istasyonu dağıtım sistemi PCS'yi ifade eder) genellikle İnternet protokol formatları olan TCP/IP protokolünü ve modbus protokolünü kullanır.

4) Enerji depolama BMS

Enerji depolama BMS üreticileri genellikle güç pil BMS'sinden evrimleşmiştir; pek çok tasarım ve terimin tarihsel kökenleri vardır.

Örneğin, güç pili genellikle BMU (Pil İzleme Birimi) ve BCU'ya (Pil Kontrol Birimi) bölünür; birincisi verileri toplar ve ikincisi onu kontrol eder.

Pil hücresi elektrokimyasal bir süreç olduğu için birden fazla pil hücresi bir pil oluşturur.Her pil hücresinin özellikleri nedeniyle, üretim süreci ne kadar hassas olursa olsun, zamanla ve ortama bağlı olarak her pil hücresinde hatalar ve tutarsızlıklar olacaktır.Bu nedenle pil yönetim sistemi, pilin mevcut durumunu sınırlı parametrelerle değerlendirmektir; bu, geleneksel Çin tıbbı doktorunun fiziksel ve kimyasal analiz gerektiren Batı tıbbı yerine semptomları gözlemleyerek hastaya teşhis koymasına benzer.İnsan vücudunun fiziksel ve kimyasal analizi, pilin büyük ölçekli deneysel cihazlarla ölçülebilen elektrokimyasal özelliklerine benzer.Ancak gömülü sistemlerin elektrokimyanın bazı göstergelerini değerlendirmesi zordur.Bu nedenle BMS eski bir Çin tıbbı doktoru gibidir.

4.1 Enerji depolama BMS'sinin üç katmanlı mimarisi

Enerji depolama sistemlerinde pil hücrelerinin çok sayıda olması nedeniyle maliyetten tasarruf sağlamak amacıyla BMS genellikle iki veya üç katmanlı olarak katmanlar halinde uygulanır.Şu anda ana akım üç katmandan oluşmaktadır: ana kontrol/ana kontrol/bağımlı kontrol.

4.2 Enerji depolama BMS'sinin ayrıntılı açıklaması

5) Mevcut durum ve gelecekteki eğilim

BMS üreten çeşitli üretici türleri vardır:

Birinci kategori, akülü BMS – otomobil fabrikalarında en baskın güce sahip olan son kullanıcıdır.Aslında yurtdışındaki en güçlü BMS üretim gücü aynı zamanda General Motors, Tesla vb. araba fabrikalarıdır. Yurt içinde BYD, Huating Power vb. vardır.

İkinci kategori, Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad vb. gibi hücre üreticileri ve paket imalatçılarını içeren pil fabrikalarıdır;

Üçüncü tür BMS üreticileri, güç elektroniği teknolojisinde uzun yıllara dayanan deneyime sahip olan ve Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology ve Kegong Electronics gibi üniversite veya ilgili kurumsal geçmişe sahip Ar-Ge ekiplerine sahip olanlardır.

Esas olarak terminal aracı üreticilerinin hakim olduğu güç akülerinin BMS'sinden farklı olarak, enerji depolama akülerinin son kullanıcılarının BMS'nin araştırma, geliştirme ve üretimine katılmak için herhangi bir ihtiyacı veya özel eylemi olmadığı görülmektedir.Ayrıca büyük ölçekli pil yönetim sistemleri geliştirmek için çok fazla para ve enerji harcamaları da pek olası değil.Bu nedenle, enerji depolamalı batarya BMS sektörünün mutlak avantajlara sahip önemli bir oyuncudan yoksun olduğu, enerji depolamalı BMS'ye odaklanan batarya üreticileri ve satıcıları için gelişme ve hayal gücü için büyük bir alan bıraktığı düşünülebilir.Enerji depolama pazarının kurulması, pil üreticilerine ve profesyonel BMS üreticilerine gelişme için daha fazla alan sağlayacak ve daha az rekabetçi direnç sağlayacaktır.

Şu anda, enerji depolama BMS'sinin geliştirilmesine odaklanan nispeten az sayıda profesyonel BMS üreticisi bulunmaktadır; bunun temel nedeni, enerji depolama pazarının hala emekleme aşamasında olması ve pazarda enerji depolamanın gelecekteki gelişimi hakkında hala birçok şüphenin bulunmasıdır.Bu nedenle çoğu üretici enerji depolamayla ilgili BMS geliştirmemiştir.Gerçek iş ortamında, enerji depolama pilleri için BMS olarak kullanılmak üzere elektrikli araç aküsü BMS'si satın alan üreticiler de vardır.Gelecekte profesyonel elektrikli araç BMS üreticilerinin de büyük ölçekli enerji depolama projelerinde kullanılan BMS tedarikçilerinin önemli bir parçası haline geleceğine inanılıyor.

Bu aşamada, çeşitli enerji depolama sistemi tedarikçileri tarafından sağlanan BMS için tek tip standartların eksikliği söz konusudur.Farklı üreticilerin BMS için farklı tasarımları ve tanımları vardır ve uyumlu oldukları farklı pillere bağlı olarak SOX algoritması, eşitleme teknolojisi ve yüklenen iletişim veri içeriği de farklılık gösterebilir.BMS'nin pratik uygulamasında bu tür farklılıklar uygulama maliyetlerini artıracak ve endüstriyel gelişime zarar verecektir.Bu nedenle BMS'nin standardizasyonu ve modülerleştirilmesi gelecekte de önemli bir gelişme yönü olacaktır.