1) BMS là gì?
Tên đầy đủ của BMS là Hệ thống quản lý pin.Nó là một thiết bị theo dõi trạng thái của pin lưu trữ năng lượng.Nó chủ yếu được sử dụng để quản lý và bảo trì thông minh từng tế bào pin, ngăn ngừa việc sạc quá mức và xả quá mức pin, kéo dài tuổi thọ pin và theo dõi trạng thái pin.Nói chung, BMS được thể hiện dưới dạng bảng mạch hoặc hộp phần cứng.
BMS là một trong những hệ thống con cốt lõi của hệ thống lưu trữ năng lượng pin, chịu trách nhiệm giám sát trạng thái hoạt động của từng pin trong bộ lưu trữ năng lượng pin và đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của bộ lưu trữ năng lượng.BMS có thể giám sát và thu thập các thông số trạng thái của pin lưu trữ năng lượng trong thời gian thực (bao gồm nhưng không giới hạn ở điện áp một cell, nhiệt độ cực pin, dòng điện vòng pin, điện áp đầu cực của bộ pin, điện trở cách điện của hệ thống pin, v.v.) và thực hiện phân tích và tính toán cần thiết trên các tham số trạng thái liên quan để thu được nhiều tham số đánh giá trạng thái hệ thống hơn.Nó cũng có thể đạt được sự kiểm soát hiệu quả đối với chính pin lưu trữ năng lượng theo các chiến lược kiểm soát bảo vệ cụ thể để đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của toàn bộ bộ lưu trữ năng lượng pin.Đồng thời, BMS có thể tương tác với các thiết bị bên ngoài khác (PCS, EMS, hệ thống phòng cháy chữa cháy, v.v.) thông qua giao diện truyền thông và giao diện đầu vào analog/kỹ thuật số của chính nó để tạo thành một điều khiển liên kết của các hệ thống con khác nhau trong toàn bộ nguồn lưu trữ năng lượng đảm bảo vận hành nối lưới an toàn, tin cậy và hiệu quả của nhà máy điện.
2) Kiến trúc
Từ góc độ kiến trúc cấu trúc liên kết, BMS được chia thành hai loại: tập trung và phân tán theo các yêu cầu khác nhau của dự án.
BMS tập trung
Nói một cách đơn giản, BMS tập trung sử dụng một phần cứng BMS duy nhất để thu thập tất cả các ô, phù hợp với các tình huống có ít ô.
BMS tập trung có ưu điểm là chi phí thấp, cấu trúc nhỏ gọn, độ tin cậy cao và thường được sử dụng trong các tình huống có công suất thấp, áp suất tổng thấp và thể tích hệ thống pin nhỏ như dụng cụ điện, robot (robot xử lý, robot hỗ trợ), Nhà thông minh IOT (robot quét nhà, máy hút bụi điện), xe nâng điện, xe điện tốc độ thấp (xe đạp điện, xe máy điện, xe tham quan điện, xe tuần tra điện, xe golf điện, v.v.) và xe hybrid hạng nhẹ.
Phần cứng BMS tập trung có thể được chia thành các khu vực điện áp cao và điện áp thấp.Khu vực điện áp cao có nhiệm vụ thu thập điện áp từng cell, điện áp tổng của hệ thống và theo dõi điện trở cách điện.Vùng điện áp thấp bao gồm các mạch cấp nguồn, mạch CPU, mạch truyền thông CAN, mạch điều khiển, v.v.
Khi hệ thống pin điện của xe chở khách tiếp tục phát triển theo hướng công suất cao, áp suất tổng cao và thể tích lớn, kiến trúc BMS phân tán chủ yếu được sử dụng trong các mẫu xe plug-in hybrid và xe điện thuần túy.
BMS phân phối
Hiện tại, có nhiều thuật ngữ khác nhau cho BMS phân tán trong ngành và các công ty khác nhau có tên khác nhau.Pin nguồn BMS chủ yếu có kiến trúc hai tầng chủ-nô lệ:
BMS lưu trữ năng lượng thường có kiến trúc ba tầng do kích thước lớn của bộ pin, với lớp điều khiển chính phía trên lớp điều khiển phụ và lớp điều khiển chính.
Giống như pin tạo thành các cụm pin, từ đó tạo thành các ngăn xếp, BMS ba tầng cũng tuân theo quy tắc đi lên tương tự:
Từ bộ điều khiển: bộ phận quản lý pin (BMU), thu thập thông tin từ từng pin.
Theo dõi điện áp và nhiệt độ của pin
Cân bằng pin trong gói
Tải lên thông tin
quản lý nhiệt
Báo động bất thường
Điều khiển chính: Đơn vị quản lý cụm pin: BCU (đơn vị cụm pin hay còn gọi là bộ quản lý điện áp cao HVU, BCMU, v.v.), chịu trách nhiệm thu thập thông tin BMU và thu thập thông tin cụm pin.
Thu thập dòng điện của cụm pin, thu thập tổng điện áp, phát hiện rò rỉ
Bảo vệ tắt nguồn khi trạng thái pin bất thường
Dưới sự quản lý của BMS, việc hiệu chuẩn công suất và hiệu chuẩn SOC có thể được hoàn thành riêng biệt làm cơ sở cho việc quản lý sạc và xả tiếp theo
Bộ phận quản lý mảng pin (BAU) chịu trách nhiệm quản lý tập trung các pin trong toàn bộ cụm pin lưu trữ năng lượng.Nó kết nối với các đơn vị quản lý cụm pin khác nhau và trao đổi thông tin với các thiết bị khác để cung cấp phản hồi về trạng thái hoạt động của mảng pin.
Quản lý sạc và xả mảng pin
Hệ thống BMS tự kiểm tra và chẩn đoán lỗi
Báo động chẩn đoán lỗi bộ pin
Bảo vệ an toàn cho các bất thường và lỗi khác nhau trong mảng pin
Giao tiếp với các thiết bị khác như PCS và EMS
Lưu trữ, truyền tải và xử lý dữ liệu
Lớp quản lý pin: chịu trách nhiệm thu thập các thông tin khác nhau (điện áp, nhiệt độ) của từng pin, tính toán và phân tích SOC và SOH của pin, đạt được sự cân bằng chủ động của từng pin và tải thông tin bất thường của từng pin lên lớp đơn vị pin BCMU.Thông qua giao tiếp bên ngoài CAN, nó được kết nối với nhau thông qua một chuỗi nối tiếp.
Lớp quản lý pin: chịu trách nhiệm thu thập nhiều thông tin khác nhau từ từng pin do BMU tải lên, thu thập nhiều thông tin khác nhau về bộ pin (điện áp bộ pin, nhiệt độ bộ pin), dòng sạc và xả của bộ pin, tính toán và phân tích SOC và SOH của bộ pin và tải tất cả thông tin lên lớp đơn vị cụm pin BAM.Thông qua giao tiếp bên ngoài CAN, nó được kết nối với nhau thông qua một chuỗi nối tiếp.
Lớp quản lý cụm pin: chịu trách nhiệm thu thập các thông tin khác nhau về pin do BCMU tải lên và tải toàn bộ thông tin lên hệ thống EMS giám sát lưu trữ năng lượng thông qua giao diện RJ45;liên lạc với PCS để gửi thông tin bất thường có liên quan của pin tới PCS (giao diện CAN hoặc RS485) và được trang bị các nút khô phần cứng để liên lạc với PCS.Ngoài ra, nó còn thực hiện đánh giá BSE (Ước tính trạng thái pin) của hệ thống pin, phát hiện trạng thái hệ thống điện, quản lý công tắc tơ, quản lý nhiệt, quản lý vận hành, quản lý sạc, quản lý chẩn đoán và thực hiện quản lý mạng truyền thông nội bộ và bên ngoài.Giao tiếp với cấp dưới thông qua CAN.
3) BMS làm gì?
Chức năng của BMS rất nhiều, nhưng cốt lõi và điều chúng tôi quan tâm nhất là ba khía cạnh:
Một là cảm biến (quản lý trạng thái), đây là chức năng cơ bản của BMS.Nó đo điện áp, điện trở, nhiệt độ và cuối cùng là cảm nhận trạng thái của pin.Chúng ta muốn biết trạng thái của pin như thế nào, nó có bao nhiêu năng lượng và dung lượng, nó tốt cho sức khỏe như thế nào, nó tạo ra bao nhiêu điện năng và mức độ an toàn của nó.Đây là cảm nhận.
Thứ hai là quản lý (quản lý cân bằng).Một số người nói rằng BMS là bảo mẫu của pin.Vậy thì bảo mẫu này sẽ quản lý nó.Quản lý những gì?Đó là làm cho pin tốt nhất có thể.Cơ bản nhất là quản lý cân bằng và quản lý nhiệt.
Thứ ba là bảo vệ (quản lý an toàn).Người bảo mẫu cũng có một công việc phải làm.Nếu pin có một số trạng thái, nó cần được bảo vệ và cần đưa ra cảnh báo.
Tất nhiên, cũng có một thành phần quản lý truyền thông giúp truyền dữ liệu trong hoặc ngoài hệ thống thông qua các giao thức nhất định.
BMS có nhiều chức năng khác như điều khiển vận hành, giám sát cách điện, quản lý nhiệt, v.v. chưa được thảo luận ở đây.
3.1 Nhận thức – Đo lường và Ước tính
Chức năng cơ bản của BMS là đo và ước tính các thông số pin, bao gồm các thông số cơ bản như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái cũng như tính toán dữ liệu trạng thái pin như SOC và SOH.Lĩnh vực pin điện cũng liên quan đến việc tính toán SOP (trạng thái nguồn) và SOE (trạng thái năng lượng), những vấn đề này không được thảo luận ở đây.Chúng tôi sẽ tập trung vào hai dữ liệu đầu tiên được sử dụng rộng rãi hơn.
Đo tế bào
1) Đo lường thông tin cơ bản: Chức năng cơ bản nhất của hệ thống quản lý pin là đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ của từng tế bào pin, là nền tảng cho tất cả các tính toán cấp cao nhất và logic điều khiển trong hệ thống quản lý pin.
2) Kiểm tra điện trở cách điện: Kiểm tra cách điện là cần thiết cho toàn bộ hệ thống pin và hệ thống điện áp cao trong hệ thống quản lý pin.
3) Phát hiện khóa liên động điện áp cao (HVIL): được sử dụng để xác nhận tính toàn vẹn của toàn bộ hệ thống điện áp cao và bắt đầu các biện pháp an toàn khi tính toàn vẹn của vòng lặp hệ thống điện áp cao bị xâm phạm.
tính toán SOC
SOC đề cập đến Trạng thái sạc, là dung lượng còn lại của pin.Nói một cách đơn giản, đó là lượng điện năng còn lại trong pin.
SOC là tham số quan trọng nhất trong BMS, vì mọi thứ khác đều dựa trên nó.Vì vậy, độ chính xác và độ bền của nó (còn được gọi là khả năng sửa lỗi) là vô cùng quan trọng.Nếu không có SOC chính xác thì không có chức năng bảo vệ nào có thể giúp BMS hoạt động bình thường, vì pin thường sẽ ở trạng thái được bảo vệ nên không thể kéo dài tuổi thọ của pin.
Hiện tại, các phương pháp ước tính SOC chính thống bao gồm phương pháp điện áp mạch hở, phương pháp tích phân dòng điện, phương pháp lọc Kalman và phương pháp mạng thần kinh.Hai phương pháp đầu tiên thường được sử dụng.Hai phương pháp sau liên quan đến kiến thức nâng cao như mô hình tích hợp và trí tuệ nhân tạo, những kiến thức này không được trình bày chi tiết ở đây.
Trong các ứng dụng thực tế, nhiều thuật toán thường được sử dụng kết hợp, với các thuật toán khác nhau được áp dụng tùy thuộc vào trạng thái sạc và xả của pin.
phương pháp điện áp mạch hở
Nguyên lý của phương pháp điện áp mạch hở là sử dụng mối quan hệ chức năng tương đối cố định giữa điện áp mạch hở và SOC trong điều kiện pin được đặt tĩnh trong thời gian dài và do đó ước tính SOC dựa trên điện áp mạch hở.Xe đạp điện dùng pin axit chì thường được sử dụng trước đây sử dụng phương pháp này để ước tính SOC.Phương pháp điện áp hở mạch đơn giản, thuận tiện nhưng cũng có nhiều nhược điểm:
1. Phải để pin trong thời gian dài, nếu không điện áp mạch hở sẽ khó ổn định trong thời gian ngắn;
2. Có một mức điện áp ổn định trong pin, đặc biệt là pin lithium iron phosphate, trong đó điện áp đầu cuối và đường cong SOC gần như tuyến tính trong phạm vi SOC30%-80%;
3. Pin ở nhiệt độ khác nhau hoặc các giai đoạn sử dụng khác nhau, và mặc dù điện áp mạch hở là như nhau nhưng chênh lệch SOC thực tế có thể lớn;
Như trong hình bên dưới, khi chúng ta sử dụng chiếc xe đạp điện này, nếu SOC hiện tại được hiển thị là 100% thì điện áp sẽ giảm khi tăng tốc và công suất có thể được hiển thị là 80%.Khi chúng tôi ngừng tăng tốc, điện áp tăng lên và công suất tăng trở lại 100%.Vì vậy, màn hình hiển thị công suất của xe điện của chúng tôi không chính xác.Khi ta dừng thì nó có điện, nhưng khi ta khởi động thì nó hết điện.Đây có thể không phải vấn đề về pin mà có thể là do thuật toán SoC của BMS quá đơn giản.
Phương pháp tích phân An-Shi
Phương pháp tích hợp Anshicontinuous tính toán trực tiếp giá trị SOC theo thời gian thực thông qua định nghĩa SOC.
Với giá trị SOC ban đầu, miễn là có thể đo được dòng điện của pin (trong đó dòng phóng điện dương), sự thay đổi về dung lượng pin có thể được tính toán chính xác thông qua tích hợp dòng điện, dẫn đến SOC còn lại.
Phương pháp này cho kết quả ước tính tương đối đáng tin cậy trong thời gian ngắn, nhưng do lỗi đo của cảm biến dòng điện và sự suy giảm dần của dung lượng pin nên việc tích hợp dòng điện trong thời gian dài sẽ gây ra những sai lệch nhất định.Do đó, nó thường được sử dụng kết hợp với phương pháp điện áp mạch hở để ước tính giá trị ban đầu cho ước tính SOC với yêu cầu độ chính xác thấp và cũng có thể được sử dụng kết hợp với phương pháp lọc Kalman để dự đoán SOC ngắn hạn.
SOC (State Of Charge) thuộc thuật toán điều khiển cốt lõi của BMS, thể hiện trạng thái dung lượng còn lại hiện tại.Nó chủ yếu đạt được thông qua phương pháp tích hợp ampere-giờ và thuật toán EKF (Bộ lọc Kalman mở rộng), kết hợp với các chiến lược hiệu chỉnh (chẳng hạn như hiệu chỉnh điện áp mạch hở, hiệu chỉnh sạc đầy, hiệu chỉnh đầu sạc, hiệu chỉnh công suất ở các nhiệt độ khác nhau và SOH, vân vân.).Phương pháp tích phân ampe giờ tương đối đáng tin cậy trong điều kiện đảm bảo độ chính xác thu được hiện tại, nhưng nó không mạnh mẽ.Do lỗi tích lũy nên phải kết hợp với các chiến lược sửa lỗi.Phương pháp EKF mạnh mẽ nhưng thuật toán tương đối phức tạp và khó thực hiện.Các nhà sản xuất chính thống trong nước có thể đạt được độ chính xác dưới 6% ở nhiệt độ phòng, nhưng việc ước tính ở nhiệt độ cao và thấp cũng như độ suy giảm của pin là rất khó.
Chỉnh sửa SOC
Do những biến động hiện tại, SOC ước tính có thể không chính xác và cần đưa nhiều chiến lược điều chỉnh khác nhau vào quá trình ước tính.
tính toán SOH
SOH đề cập đến Trạng thái sức khỏe, cho biết tình trạng sức khỏe hiện tại của pin (hoặc mức độ xuống cấp của pin).Nó thường được biểu thị dưới dạng giá trị từ 0 đến 100%, với các giá trị dưới 80% thường được coi là cho biết pin không còn sử dụng được nữa.Nó có thể được thể hiện bằng những thay đổi về dung lượng pin hoặc điện trở trong.Khi sử dụng công suất, dung lượng thực tế của pin hiện tại được ước tính dựa trên dữ liệu từ quá trình hoạt động của pin và tỷ lệ giữa công suất này với công suất định mức là SOH.SOH chính xác sẽ cải thiện độ chính xác ước tính của các mô-đun khác khi pin xuống cấp.
Có hai định nghĩa khác nhau về SOH trong ngành:
Định nghĩa SOH dựa trên độ mờ công suất
Trong quá trình sử dụng pin lithium-ion, vật liệu hoạt động bên trong pin giảm dần, điện trở trong tăng và dung lượng giảm dần.Do đó, SOH có thể được ước tính bằng dung lượng pin.Tình trạng sức khỏe của pin được biểu thị bằng tỷ lệ giữa công suất hiện tại và công suất ban đầu và SOH của nó được định nghĩa là:
SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100%
Trong đó: C_fade là dung lượng bị mất của pin;C_standard là công suất danh nghĩa.
Tiêu chuẩn IEEE 1188-1996 quy định khi dung lượng pin nguồn giảm xuống 80% thì nên thay pin.Do đó, chúng tôi thường cho rằng pin SOH không khả dụng khi nó ở mức dưới 80%.
Định nghĩa SOH dựa trên sự suy giảm công suất (Power Fade)
Sự lão hóa của hầu hết các loại pin sẽ dẫn đến sự gia tăng điện trở trong của pin.Điện trở trong của pin càng cao thì nguồn điện khả dụng càng thấp.Do đó, SOH có thể được ước tính bằng cách sử dụng mức suy giảm công suất.
3.2 Quản lý – Công nghệ cân bằng
Mỗi viên pin đều có “cá tính” riêng
Để nói về sự cân bằng, chúng ta phải bắt đầu với pin.Ngay cả những viên pin được sản xuất cùng một lô bởi cùng một nhà sản xuất cũng có vòng đời và “đặc tính” riêng – dung lượng của mỗi viên pin không thể giống hệt nhau.Có hai lý do cho sự không nhất quán này:
Một là sự không nhất quán trong sản xuất tế bào
Một là sự không nhất quán của các phản ứng điện hóa.
sản xuất không nhất quán
Sự không nhất quán trong sản xuất là điều dễ hiểu.Ví dụ, trong quá trình sản xuất, sự không nhất quán về màng ngăn cũng như sự không nhất quán về vật liệu cực âm và cực dương có thể dẫn đến sự không nhất quán về dung lượng pin tổng thể.Pin 50AH tiêu chuẩn có thể trở thành 49AH hoặc 51AH.
sự không nhất quán điện hóa
Điểm không nhất quán của điện hóa là trong quá trình sạc và xả pin, dù quá trình sản xuất và xử lý của hai tế bào giống hệt nhau thì môi trường nhiệt không bao giờ có thể nhất quán trong quá trình phản ứng điện hóa.Ví dụ, khi chế tạo mô-đun pin, nhiệt độ của vòng xung quanh phải thấp hơn nhiệt độ ở giữa.Điều này dẫn đến sự không nhất quán lâu dài giữa lượng sạc và lượng xả, từ đó dẫn đến dung lượng pin không nhất quán;Khi dòng sạc và xả của màng SEI trên pin không nhất quán trong thời gian dài thì độ lão hóa của màng SEI cũng sẽ không nhất quán.
*Phim SEI: “giao diện chất điện phân rắn” (giao diện chất điện phân rắn).Trong quá trình phóng điện đầu tiên của pin lithium ion lỏng, vật liệu điện cực phản ứng với chất điện phân trên giao diện pha rắn-lỏng để tạo thành lớp thụ động bao phủ bề mặt vật liệu điện cực.Phim SEI là chất cách điện điện tử nhưng là chất dẫn điện tuyệt vời của các ion lithium, không chỉ bảo vệ điện cực mà còn không ảnh hưởng đến chức năng của pin.Sự lão hóa của màng SEI có tác động đáng kể đến tình trạng pin.
Vì vậy, sự không đồng nhất (hoặc rời rạc) của các bộ pin là biểu hiện tất yếu trong quá trình hoạt động của pin.
Tại sao cần có sự cân bằng
Pin là khác nhau, vậy tại sao không thử làm chúng giống nhau?Bởi vì sự không nhất quán sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ pin.
Bộ pin nối tiếp tuân theo hiệu ứng nòng ngắn: trong hệ thống bộ pin nối tiếp, dung lượng của toàn bộ hệ thống bộ pin được xác định bởi đơn vị nhỏ nhất.
Giả sử chúng ta có một bộ pin gồm ba pin:
Chúng ta biết rằng việc sạc quá mức và xả quá mức có thể làm hỏng pin nghiêm trọng.Vì vậy, khi pin B được sạc đầy trong quá trình sạc hoặc khi SoC của pin B xuống rất thấp trong quá trình xả thì cần phải ngừng sạc và xả để bảo vệ pin B. Do đó, nguồn điện của pin A và C không thể được cấp đầy đủ. được sử dụng.Điều này dẫn đến:
Dung lượng sử dụng thực tế của bộ pin đã giảm: Pin A và C lẽ ra đã sử dụng hết dung lượng hiện có nhưng giờ không thể làm như vậy để chứa Pin B. Nó giống như hai người trên ba chân bị trói vào nhau, với người cao hơn không thể bước những bước lớn.
Giảm tuổi thọ pin: Chiều dài sải chân nhỏ hơn đòi hỏi phải bước nhiều bước hơn và khiến chân mỏi hơn.Khi công suất giảm, số chu kỳ sạc và xả tăng lên, khiến pin bị xuống cấp nhiều hơn.Ví dụ: một ô có thể đạt được 4000 chu kỳ ở 100% DoD, nhưng trong sử dụng thực tế, nó không thể đạt 100% và số chu kỳ chắc chắn sẽ không đạt tới 4000.
*DoD, Độ sâu xả, biểu thị tỷ lệ phần trăm dung lượng xả pin so với dung lượng định mức của pin.
Sự không nhất quán của pin dẫn đến giảm hiệu suất của bộ pin.Khi kích thước của mô-đun pin lớn, nhiều chuỗi pin được mắc nối tiếp và sự chênh lệch điện áp lớn sẽ khiến công suất của toàn bộ hộp giảm xuống.Càng nhiều pin mắc nối tiếp thì càng mất nhiều dung lượng.Tuy nhiên, trong các ứng dụng của chúng tôi, đặc biệt là các ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng, có hai yêu cầu quan trọng:
Đầu tiên là pin có tuổi thọ cao, có thể giảm đáng kể chi phí vận hành và bảo trì.Hệ thống lưu trữ năng lượng có yêu cầu cao về tuổi thọ của bộ pin.Hầu hết những cái trong nước được thiết kế trong 15 năm.Nếu chúng ta giả sử 300 chu kỳ mỗi năm thì 15 năm là 4500 chu kỳ, con số này vẫn rất cao.Chúng ta cần tối đa hóa tuổi thọ của từng viên pin để tổng tuổi thọ của toàn bộ bộ pin đạt tuổi thọ thiết kế nhiều nhất có thể, đồng thời giảm tác động của việc phân tán pin đến tuổi thọ của bộ pin.
Chu kỳ sâu thứ hai, đặc biệt là trong kịch bản áp dụng cạo râu vào thời điểm cao điểm, việc giải phóng thêm một kWh điện sẽ mang lại thêm một điểm doanh thu.Tức là chúng tôi sẽ thực hiện 80%DoD hoặc 90%DoD.Khi sử dụng chu trình sâu trong hệ thống lưu trữ năng lượng, hiện tượng phân tán pin trong quá trình phóng điện ở đuôi sẽ được biểu hiện.Do đó, để đảm bảo giải phóng toàn bộ công suất của từng ô trong điều kiện sạc sâu và xả sâu, cần yêu cầu BMS lưu trữ năng lượng phải có khả năng quản lý cân bằng mạnh mẽ và ngăn chặn sự xuất hiện tính nhất quán giữa các ô pin .
Hai yêu cầu này hoàn toàn trái ngược với sự không nhất quán của pin.Để đạt được các ứng dụng bộ pin hiệu quả hơn, chúng ta phải có công nghệ cân bằng hiệu quả hơn để giảm tác động của việc pin không nhất quán.
công nghệ cân bằng
Công nghệ cân bằng pin là cách làm cho các loại pin có dung lượng khác nhau giống nhau.Có hai phương pháp cân bằng phổ biến: cân bằng một chiều tiêu tán năng lượng (cân bằng thụ động) và cân bằng hai chiều truyền năng lượng (cân bằng chủ động).
(1) Số dư thụ động
Nguyên lý cân bằng thụ động là nối song song một điện trở phóng điện có thể chuyển đổi trên mỗi chuỗi pin.BMS điều khiển điện trở phóng điện để xả các tế bào có điện áp cao hơn, tiêu tán năng lượng điện dưới dạng nhiệt.Ví dụ, khi pin B gần được sạc đầy, công tắc sẽ mở để cho phép điện trở trên pin B tiêu tán năng lượng điện dư thừa dưới dạng nhiệt.Sau đó tiếp tục sạc cho đến khi pin A và C cũng được sạc đầy.
Phương pháp này chỉ có thể xả các tế bào có điện áp cao và không thể sạc lại các tế bào có dung lượng thấp.Do giới hạn công suất của điện trở phóng điện, dòng cân bằng thường nhỏ (dưới 1A).
Ưu điểm của cân bằng thụ động là chi phí thấp và thiết kế mạch đơn giản;nhược điểm là nó dựa trên dung lượng pin còn lại thấp nhất để cân bằng, không thể tăng dung lượng của pin có dung lượng còn lại thấp và 100% năng lượng cân bằng sẽ bị lãng phí dưới dạng nhiệt.
(2) Số dư chủ động
Thông qua thuật toán, nhiều chuỗi pin sẽ truyền năng lượng của pin có điện áp cao sang pin có điện áp thấp bằng cách sử dụng các bộ phận lưu trữ năng lượng, xả pin có điện áp cao hơn và sử dụng năng lượng giải phóng để sạc cho pin có điện áp thấp hơn.Năng lượng chủ yếu được truyền đi chứ không tiêu tan.
Bằng cách này, trong quá trình sạc, pin B, trước tiên đạt điện áp 100%, sẽ phóng điện sang A và C, sau đó ba pin được sạc đầy cùng nhau.Trong quá trình xả, khi mức sạc còn lại của pin B quá thấp, A và C sẽ “sạc” B, để ô B không đạt ngưỡng SOC để dừng xả nhanh như vậy.
Đặc điểm chính của công nghệ cân bằng chủ động
(1) Cân bằng điện áp cao và thấp để nâng cao hiệu quả của bộ pin: Trong quá trình sạc và xả và ở trạng thái nghỉ, pin điện áp cao có thể được xả và pin điện áp thấp có thể được sạc;
(2) Truyền năng lượng tổn thất thấp: năng lượng được truyền chủ yếu chứ không đơn thuần bị mất đi, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng;
(3) Dòng cân bằng lớn: Nói chung, dòng cân bằng nằm trong khoảng từ 1 đến 10A và trạng thái cân bằng nhanh hơn;
Cân bằng chủ động yêu cầu cấu hình các mạch và thiết bị lưu trữ năng lượng tương ứng, dẫn đến khối lượng lớn và chi phí tăng lên.Hai điều kiện này cùng nhau xác định rằng việc cân bằng chủ động không dễ dàng được phát huy và áp dụng.
Ngoài ra, quá trình sạc và xả cân bằng chủ động còn ngầm làm tăng tuổi thọ của pin.Đối với các tế bào yêu cầu sạc và xả để đạt được sự cân bằng, khối lượng công việc bổ sung có thể khiến chúng vượt quá tuổi thọ của các tế bào thông thường, dẫn đến khoảng cách hiệu suất lớn hơn với các tế bào khác.
Một số chuyên gia tin rằng hai biểu thức trên phải tương ứng với trạng thái cân bằng tiêu tán và cân bằng không tiêu tán.Việc nó chủ động hay thụ động sẽ phụ thuộc vào sự kiện kích hoạt quá trình cân bằng.Nếu hệ thống đạt đến trạng thái phải thụ động thì nó ở trạng thái thụ động.Nếu do con người thiết lập, việc thiết lập chương trình cân bằng khi không cần thiết phải cân bằng được gọi là cân bằng chủ động.
Ví dụ, khi quá trình phóng điện kết thúc, tế bào có điện áp thấp nhất đã đạt đến điện áp cắt phóng điện, trong khi các tế bào khác vẫn có điện.Lúc này, để xả càng nhiều điện càng tốt, hệ thống sẽ chuyển điện của pin năng lượng cao sang pin năng lượng thấp, cho phép quá trình phóng điện tiếp tục cho đến khi xả hết điện.Đây là một quá trình cân bằng thụ động.Nếu hệ thống dự đoán rằng sẽ có sự mất cân bằng khi kết thúc quá trình xả khi vẫn còn 40% năng lượng, hệ thống sẽ bắt đầu quá trình cân bằng chủ động.
Cân bằng chủ động được chia thành các phương pháp tập trung và phi tập trung.Phương pháp cân bằng tập trung lấy năng lượng từ toàn bộ bộ pin, sau đó sử dụng thiết bị chuyển đổi năng lượng để bổ sung năng lượng cho những pin ít năng lượng hơn.Cân bằng phi tập trung bao gồm một liên kết lưu trữ năng lượng giữa các pin liền kề, có thể là cuộn cảm hoặc tụ điện, cho phép năng lượng truyền giữa các pin liền kề.
Trong chiến lược kiểm soát cân bằng hiện tại, có những người lấy điện áp di động làm tham số mục tiêu kiểm soát và cũng có những người đề xuất sử dụng SOC làm tham số mục tiêu kiểm soát cân bằng.Lấy điện áp di động làm ví dụ.
Đầu tiên, đặt một cặp giá trị ngưỡng để bắt đầu và kết thúc quá trình cân bằng: ví dụ: trong một bộ pin, khi chênh lệch giữa điện áp cực đại của một ô và điện áp trung bình của bộ đạt 50mV, quá trình cân bằng sẽ được bắt đầu và khi nó đạt đến 5mV, quá trình cân bằng kết thúc.
BMS thu thập điện áp của từng ô theo chu kỳ thu thập cố định, tính toán giá trị trung bình, sau đó tính toán sự chênh lệch giữa điện áp của từng ô và giá trị trung bình;
Nếu chênh lệch tối đa đạt 50mV, BMS cần bắt đầu quá trình cân bằng;
Tiếp tục bước 2 trong quá trình cân bằng cho đến khi tất cả các giá trị chênh lệch nhỏ hơn 5mV, sau đó kết thúc quá trình cân bằng.
Cần lưu ý rằng không phải tất cả BMS đều yêu cầu bước này và các chiến lược tiếp theo có thể khác nhau tùy thuộc vào phương pháp cân bằng.
Công nghệ cân bằng cũng liên quan đến loại pin.Người ta thường tin rằng LFP phù hợp hơn cho cân bằng chủ động, trong khi pin ternary phù hợp cho cân bằng thụ động.
Giai đoạn cạnh tranh khốc liệt trong BMS chủ yếu được hỗ trợ bởi chi phí và độ tin cậy.Hiện tại, việc xác minh thử nghiệm cân bằng chủ động vẫn chưa đạt được.Mức độ an toàn chức năng dự kiến sẽ tiến tới ASIL-C và ASIL-D, nhưng chi phí khá cao.Vì vậy, các công ty lớn hiện nay đều thận trọng trong việc nghiên cứu cân bằng chủ động.Một số nhà máy lớn thậm chí còn muốn hủy mô-đun cân bằng và thực hiện toàn bộ việc cân bằng bên ngoài, tương tự như việc bảo dưỡng xe chạy bằng nhiên liệu.Mỗi khi xe đi được một quãng đường nhất định sẽ về kho 4S để cân bằng bên ngoài.Điều này sẽ làm giảm chi phí của toàn bộ BMS trên xe và cũng mang lại lợi ích cho cửa hàng 4S tương ứng.Đó là một tình huống có lợi cho tất cả các bên.Vì vậy, cá nhân tôi hiểu rằng điều này có thể trở thành xu hướng!
3.3 Bảo vệ – chẩn đoán lỗi và báo động
Giám sát BMS phù hợp với phần cứng của hệ thống điện và được chia thành các mức độ lỗi khác nhau (lỗi nhỏ, lỗi nghiêm trọng, lỗi nghiêm trọng) tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau của pin.Các biện pháp xử lý khác nhau được thực hiện ở các mức độ hư hỏng khác nhau: cảnh báo, hạn chế nguồn điện hoặc cắt trực tiếp điện áp cao.Các lỗi bao gồm lỗi thu thập dữ liệu và tính hợp lý, lỗi điện (cảm biến và bộ truyền động), lỗi liên lạc và lỗi trạng thái pin.
Một ví dụ phổ biến là khi pin quá nóng, BMS xác định pin quá nóng dựa trên nhiệt độ pin thu thập được, sau đó điều khiển mạch của pin này ngắt kết nối, thực hiện bảo vệ quá nhiệt và gửi cảnh báo đến các hệ thống quản lý như EMS.
3.4 Giao tiếp
Hoạt động bình thường của BMS không thể tách rời khỏi chức năng liên lạc của nó.Cho dù đó là kiểm soát pin trong quá trình quản lý pin, truyền trạng thái pin ra thế giới bên ngoài hay nhận hướng dẫn điều khiển thì đều cần có khả năng liên lạc ổn định.
Trong hệ thống điện ắc quy, một đầu của BMS được nối với ắc quy, đầu còn lại được nối với hệ thống điều khiển và điện tử của toàn bộ xe.Môi trường tổng thể sử dụng giao thức CAN, nhưng có sự khác biệt giữa việc sử dụng CAN bên trong giữa các bộ phận bên trong của bộ pin và việc sử dụng CAN của xe giữa bộ pin và toàn bộ xe.
Ngược lại, BMS lưu trữ năng lượng và truyền thông nội bộ về cơ bản sử dụng giao thức CAN, nhưng giao tiếp bên ngoài của nó (bên ngoài chủ yếu đề cập đến hệ thống điều phối trạm điện lưu trữ năng lượng PCS) thường sử dụng các định dạng giao thức Internet, giao thức TCP/IP và giao thức modbus.
4) BMS lưu trữ năng lượng
Các nhà sản xuất BMS lưu trữ năng lượng thường phát triển từ BMS pin điện nên nhiều thiết kế và thuật ngữ đều có nguồn gốc lịch sử
Ví dụ: pin nguồn thường được chia thành BMU (Bộ giám sát pin) và BCU (Bộ điều khiển pin), trong đó BMU thu thập dữ liệu và BCU kiểm soát dữ liệu.
Bởi vì tế bào pin là một quá trình điện hóa nên nhiều tế bào pin tạo thành một pin.Do đặc điểm của từng cell pin nên dù quá trình sản xuất có chính xác đến đâu thì cũng sẽ có sai sót, không đồng nhất trong từng cell pin theo thời gian và tùy thuộc vào môi trường.Do đó, hệ thống quản lý pin nhằm đánh giá tình trạng hiện tại của pin thông qua các thông số giới hạn, hơi giống một bác sĩ y học cổ truyền Trung Quốc chẩn đoán bệnh nhân bằng cách quan sát các triệu chứng chứ không phải y học phương Tây yêu cầu phân tích vật lý và hóa học.Phân tích vật lý và hóa học của cơ thể con người tương tự như đặc tính điện hóa của pin, có thể đo được bằng các dụng cụ thí nghiệm quy mô lớn.Tuy nhiên, các hệ thống nhúng rất khó đánh giá một số chỉ số điện hóa.Vì vậy, BMS giống như một bác sĩ y học cổ truyền Trung Quốc.
4.1 Kiến trúc ba lớp của BMS lưu trữ năng lượng
Do số lượng pin lớn trong hệ thống lưu trữ năng lượng nên để tiết kiệm chi phí, BMS thường được triển khai theo từng lớp, có hai hoặc ba lớp.Hiện tại, dòng chính có ba lớp: điều khiển chính/điều khiển chính/điều khiển phụ.
4.2 Mô tả chi tiết BMS lưu trữ năng lượng
5) Tình hình hiện tại và xu hướng tương lai
Có một số loại nhà sản xuất sản xuất BMS:
Hạng mục đầu tiên là người dùng cuối có quyền lực thống trị nhất trong ngành điện BMS – nhà máy sản xuất ô tô.Trên thực tế, thế mạnh sản xuất BMS mạnh nhất ở nước ngoài cũng là các nhà máy ô tô, như General Motors, Tesla, v.v. Trong nước có BYD, Huating Power, v.v.
Loại thứ hai là các nhà máy sản xuất pin, bao gồm các nhà sản xuất tế bào và nhà sản xuất gói, như Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad, v.v.;
Loại nhà sản xuất BMS thứ ba là những nhà sản xuất có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực công nghệ điện tử công suất và có đội ngũ R&D có trình độ đại học hoặc doanh nghiệp liên quan, chẳng hạn như Eternal Electronics, Hàng Châu Gaote Electronics, Xie Neng Technology và Kegong Electronics.
Không giống như BMS của pin điện, chủ yếu do các nhà sản xuất phương tiện đầu cuối thống trị, có vẻ như người dùng cuối của pin lưu trữ năng lượng không có nhu cầu hoặc hành động cụ thể để tham gia vào nghiên cứu, phát triển và sản xuất BMS.Cũng khó có khả năng họ sẽ tốn nhiều tiền và công sức để phát triển hệ thống quản lý pin quy mô lớn.Vì vậy, có thể coi ngành công nghiệp pin lưu trữ năng lượng BMS đang thiếu một nhân tố quan trọng với lợi thế tuyệt đối, để lại không gian rất lớn cho sự phát triển và trí tưởng tượng cho các nhà sản xuất và cung cấp pin tập trung vào BMS lưu trữ năng lượng.Nếu thị trường lưu trữ năng lượng được hình thành sẽ mang lại cho các nhà sản xuất pin và nhà sản xuất BMS chuyên nghiệp nhiều dư địa để phát triển và ít bị cạnh tranh hơn.
Hiện nay, có khá ít nhà sản xuất BMS chuyên nghiệp tập trung vào phát triển BMS lưu trữ năng lượng, chủ yếu là do thị trường lưu trữ năng lượng vẫn còn sơ khai và vẫn còn nhiều nghi ngờ về sự phát triển tương lai của lưu trữ năng lượng trên thị trường.Vì vậy, hầu hết các nhà sản xuất đều chưa phát triển BMS liên quan đến lưu trữ năng lượng.Trong môi trường kinh doanh thực tế cũng có những nhà sản xuất mua ắc quy xe điện BMS để sử dụng làm BMS cho ắc quy tích trữ năng lượng.Người ta tin rằng trong tương lai, các nhà sản xuất BMS xe điện chuyên nghiệp cũng có khả năng trở thành một phần quan trọng trong số các nhà cung cấp BMS được sử dụng trong các dự án lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Ở giai đoạn này, thiếu các tiêu chuẩn thống nhất cho BMS do các nhà cung cấp hệ thống lưu trữ năng lượng khác nhau cung cấp.Các nhà sản xuất khác nhau có thiết kế và định nghĩa khác nhau cho BMS và tùy thuộc vào loại pin khác nhau mà chúng tương thích, thuật toán SOX, công nghệ cân bằng và nội dung dữ liệu liên lạc được tải lên cũng có thể khác nhau.Trong ứng dụng thực tế của BMS, những khác biệt như vậy sẽ làm tăng chi phí ứng dụng và gây bất lợi cho sự phát triển công nghiệp.Vì vậy, việc chuẩn hóa và mô đun hóa BMS cũng sẽ là hướng phát triển quan trọng trong tương lai.
Thời gian đăng: Jan-15-2024