Что такое система управления батареями?

Определение

Система управления аккумуляторными батареями (BMS) — это технология, предназначенная для наблюдения за аккумуляторной батареей, которая представляет собой набор аккумуляторных элементов, электрически организованных в матричной конфигурации рядов и столбцов, чтобы обеспечить подачу целевого диапазона напряжения и тока в течение определенного периода времени. ожидаемые сценарии нагрузки.Надзор, который обеспечивает BMS, обычно включает:

• Мониторинг батареи
• Обеспечение защиты аккумулятора
• Оценка рабочего состояния батареи
• Непрерывная оптимизация производительности батареи
• Отправка отчетов о рабочем состоянии на внешние устройства

Здесь термин «батарея» подразумевает всю упаковку;тем не менее, функции контроля и управления специально применяются к отдельным элементам или группам элементов, называемым модулями, в общей сборке аккумуляторной батареи.Литий-ионные перезаряжаемые элементы имеют самую высокую плотность энергии и являются стандартным выбором для батарей для многих потребительских товаров, от ноутбуков до электромобилей.Несмотря на то, что они превосходно работают, они могут быть довольно неумолимыми, если работают за пределами, как правило, узкой безопасной рабочей зоны (SOA), с последствиями, варьирующимися от снижения производительности батареи до откровенно опасных последствий.BMS, безусловно, имеет сложное описание работы, а ее общая сложность и охват контроля могут охватывать многие дисциплины, такие как электрические, цифровые, контрольные, тепловые и гидравлические.

Как работают системы управления батареями?

Системы управления батареями не имеют фиксированного или уникального набора критериев, которые необходимо принять.Объем технологического проектирования и реализованные функции обычно коррелируют с:

• Стоимость, сложность и размер аккумуляторной батареи
• Применение батареи и любые вопросы безопасности, срока службы и гарантии
• Сертификационные требования различных государственных нормативных актов, в которых расходы и штрафы имеют первостепенное значение, если применяются неадекватные меры функциональной безопасности.

Существует множество конструктивных особенностей BMS, при этом управление защитой аккумуляторных батарей и управление емкостью являются двумя важными функциями.Мы обсудим, как эти две функции работают здесь.Управление защитой аккумуляторных батарей имеет две ключевые области: электрическая защита, которая подразумевает недопущение повреждения батареи при использовании вне ее SOA, и тепловая защита, которая включает в себя пассивный и/или активный контроль температуры для поддержания или перевода батареи в ее SOA.

Защита электрического управления: Текущая

Мониторинг тока аккумуляторной батареи и напряжения элемента или модуля — это путь к электрической защите.Электрическая SOA любого аккумуляторного элемента связана с током и напряжением.На рис. 1 показан типичный SOA литий-ионного элемента, а хорошо спроектированная BMS защитит аккумулятор, предотвращая работу за пределами номинальных значений элемента, указанных производителем.Во многих случаях может применяться дальнейшее снижение номинальных характеристик, чтобы оставаться в безопасной зоне SOA в интересах увеличения срока службы батареи.

Литий-ионные элементы имеют разные пределы тока для зарядки и разрядки, и оба режима могут выдерживать более высокие пиковые токи, хотя и в течение коротких периодов времени.Производители аккумуляторных элементов обычно указывают максимальные пределы тока непрерывной зарядки и разрядки, а также предельные значения пикового тока зарядки и разрядки.BMS, обеспечивающая защиту по току, безусловно, будет подавать максимальный непрерывный ток.Однако этому может предшествовать внезапное изменение условий нагрузки;например, резкое ускорение электромобиля.BMS может включать в себя мониторинг пикового тока путем интегрирования тока и после разности времени, принимая решение либо о снижении доступного тока, либо о полном прерывании тока пакета.Это позволяет BMS обладать почти мгновенной чувствительностью к экстремальным пиковым значениям тока, таким как условия короткого замыкания, которые не привлекли внимание каких-либо встроенных предохранителей, а также быть терпимыми к высоким пиковым нагрузкам, если они не являются чрезмерными для слишком долгого времени. длинная.

Защита электрического управления: напряжение

На рис. 2 показано, что литий-ионный элемент должен работать в определенном диапазоне напряжений.Эти границы SOA в конечном итоге будут определяться внутренней химией выбранного литий-ионного элемента и температурой элементов в любой момент времени.Кроме того, поскольку любой аккумуляторный блок подвергается значительному циклированию тока, разрядке из-за требований нагрузки и зарядке от различных источников энергии, эти ограничения напряжения SOA обычно дополнительно ограничиваются для оптимизации срока службы аккумулятора.BMS должна знать, каковы эти пределы, и будет принимать решения, основанные на близости к этим пороговым значениям.Например, при приближении к верхнему пределу напряжения BMS может запросить постепенное снижение зарядного тока или может запросить полное прекращение зарядного тока, если предел достигнут.Однако этот предел обычно сопровождается дополнительными соображениями по гистерезису внутреннего напряжения, чтобы предотвратить колебание управления относительно порога отключения.С другой стороны, при приближении к нижнему пределу напряжения BMS будет запрашивать, чтобы ключевые активные нагрузки, нарушающие работу, уменьшили свои требования по току.В случае электромобиля это может быть достигнуто путем уменьшения допустимого крутящего момента, доступного тяговому двигателю.Конечно, BMS должна уделять первостепенное внимание безопасности водителя, защищая при этом аккумуляторную батарею, чтобы предотвратить необратимое повреждение.

Защита от терморегулирования: Температура

На первый взгляд может показаться, что литий-ионные элементы имеют широкий рабочий диапазон температур, но общая емкость батареи уменьшается при низких температурах, поскольку скорость химических реакций заметно замедляется.Что касается возможности работы при низких температурах, они работают намного лучше, чем свинцово-кислотные или никель-металлогидридные батареи;однако управление температурой крайне важно, поскольку зарядка при температуре ниже 0 ° C (32 ° F) физически проблематична.Явление покрытия металлическим литием может возникнуть на аноде во время зарядки до замораживания.Это необратимое повреждение, которое приводит не только к снижению емкости, но и к тому, что элементы становятся более уязвимыми к выходу из строя при воздействии вибрации или других стрессовых условий.BMS может контролировать температуру аккумуляторной батареи посредством нагрева и охлаждения.

Реализованное управление температурным режимом полностью зависит от размера и стоимости аккумуляторной батареи и требований к производительности, критериев проектирования BMS и единицы продукта, что может включать рассмотрение целевого географического региона (например, Аляска или Гавайи).Независимо от типа обогревателя, как правило, более эффективно получать энергию от внешнего источника питания переменного тока или от альтернативной постоянной батареи, предназначенной для работы обогревателя при необходимости.Однако, если электрический нагреватель потребляет небольшое количество энергии, энергия основного аккумулятора может быть перенаправлена ​​на его обогрев.Если реализуется теплогидравлическая система, то для нагрева теплоносителя используется электронагреватель, который перекачивается и распределяется по узлу агрегата.

У инженеров-проектировщиков BMS, несомненно, есть свои хитрости, позволяющие передавать тепловую энергию в упаковку.Например, можно включить различную силовую электронику внутри BMS, предназначенную для управления мощностью.Хотя он не так эффективен, как прямой нагрев, его можно использовать в любом случае.Охлаждение особенно важно для минимизации потери производительности литий-ионного аккумулятора.Например, возможно, данная батарея оптимально работает при 20°C;если температура пакета повысится до 30°C, эффективность его работы может снизиться на целых 20%.Если аккумулятор постоянно заряжается и перезаряжается при температуре 45°C (113°F), потеря производительности может возрасти до 50%.Срок службы батареи также может пострадать от преждевременного старения и деградации, если она постоянно подвергается чрезмерному выделению тепла, особенно во время быстрых циклов зарядки и разрядки.Охлаждение обычно достигается двумя способами, пассивным или активным, и могут использоваться оба метода.Пассивное охлаждение основано на движении воздушного потока для охлаждения батареи.В случае с электромобилем это означает, что он просто движется по дороге.Тем не менее, это может быть более сложным, чем кажется, поскольку датчики скорости воздуха могут быть интегрированы для стратегической автоматической регулировки отклоняющих воздушных заслонок для максимального увеличения потока воздуха.Внедрение активного вентилятора с регулируемой температурой может помочь на низких скоростях или при остановке транспортного средства, но все, что он может сделать, это просто выровнять пакет с окружающей температурой окружающей среды.В случае палящего жаркого дня это может повысить начальную температуру пакета.Термогидравлическое активное охлаждение может быть спроектировано как дополнительная система и обычно использует хладагент на основе этиленгликоля с заданным соотношением компонентов смеси, циркулирующий с помощью насоса с приводом от электродвигателя по трубам/шлангам, распределительным коллекторам, перекрестноточному теплообменнику (радиатору). , и охлаждающая пластина, расположенная напротив узла аккумуляторной батареи.BMS отслеживает температуру по всему блоку и открывает и закрывает различные клапаны, чтобы поддерживать температуру всей батареи в узком диапазоне температур, чтобы обеспечить оптимальную работу батареи.

Управление мощностями

Максимальное увеличение емкости аккумуляторной батареи, возможно, является одной из наиболее важных характеристик производительности батареи, которую обеспечивает BMS.Если это техническое обслуживание не будет выполнено, аккумуляторная батарея может в конечном итоге прийти в негодность.Корень проблемы заключается в том, что «стек» аккумуляторной батареи (последовательный массив ячеек) не является совершенно одинаковым и по своей сути имеет несколько разные скорости утечки или саморазряда.Утечка — это не дефект производителя, а химическая характеристика батареи, хотя статистически на нее могут влиять незначительные изменения производственного процесса.Первоначально аккумуляторная батарея может иметь хорошо подобранные элементы, но со временем сходство между элементами еще больше ухудшается не только из-за саморазряда, но и из-за циклов зарядки/разрядки, повышенной температуры и общего календарного старения.Поняв это, вспомните ранее обсуждение того, что литий-ионные элементы работают превосходно, но могут быть довольно неумолимыми, если они работают за пределами жесткого SOA.Ранее мы узнали о необходимой электрической защите, потому что литий-ионные элементы плохо справляются с перезарядкой.После полной зарядки они не могут больше принимать ток, и любая дополнительная энергия, подаваемая в них, превращается в тепло, при этом напряжение потенциально быстро возрастает, возможно, до опасного уровня.Это нездоровая ситуация для ячейки и может привести к необратимому повреждению и небезопасным условиям эксплуатации, если она продолжится.

Массив ячеек аккумуляторной батареи определяет общее напряжение батареи, и несоответствие между соседними ячейками создает дилемму при попытке зарядить любую батарею.Рисунок 3 показывает, почему это так.Если у вас есть идеально сбалансированный набор элементов, все в порядке, поскольку каждый из них будет заряжаться одинаково, а зарядный ток может быть отключен при достижении верхнего порога отключения напряжения 4,0.Однако в несбалансированном сценарии верхняя ячейка рано достигнет своего предела заряда, и зарядный ток должен быть прекращен для ветви до того, как другие нижележащие ячейки будут заряжены до полной емкости.

BMS — это то, что вмешивается и спасает день, или, в данном случае, аккумулятор.Чтобы показать, как это работает, необходимо объяснить ключевое определение.Уровень заряда (SOC) элемента или модуля в данный момент времени пропорционален доступному заряду относительно общего заряда при полной зарядке.Таким образом, батарея, которая находится на уровне 50% SOC, подразумевает, что она заряжена на 50%, что сродни показателю качества датчика уровня топлива.Управление емкостью BMS сводится к балансировке вариаций SOC в каждом стеке в сборке пакета.Поскольку SOC не является непосредственно измеряемой величиной, его можно оценить с помощью различных методов, а сама схема балансировки обычно делится на две основные категории: пассивную и активную.Существует множество вариантов тем, и у каждого типа есть свои плюсы и минусы.Инженер-конструктор BMS должен решить, что является оптимальным для данного аккумуляторного блока и его применения.Пассивная балансировка проще всего для реализации, а также для объяснения общей концепции балансировки.Пассивный метод позволяет каждой ячейке в стеке иметь такую ​​же заряженную емкость, что и самая слабая ячейка.Используя относительно низкий ток, он передает небольшое количество энергии от ячеек с высоким SOC во время цикла зарядки, так что все ячейки заряжаются до своего максимального SOC.На рис. 4 показано, как это достигается с помощью BMS.Он контролирует каждую ячейку и использует транзисторный ключ и разрядный резистор соответствующего размера параллельно каждой ячейке.Когда BMS обнаруживает, что данная ячейка приближается к пределу заряда, она будет направлять избыточный ток вокруг нее к следующей ячейке ниже по нисходящей схеме.

Конечные точки процесса балансировки до и после показаны на рис. 5. Таким образом, BMS балансирует стек батарей, позволяя ячейке или модулю в стеке видеть зарядный ток, отличный от тока батареи, одним из следующих способов:

• Снятие заряда с наиболее заряженных элементов, что дает запас для дополнительного зарядного тока для предотвращения перезарядки и позволяет менее заряженным элементам получать больший зарядный ток.
• Перенаправление части или почти всего зарядного тока вокруг наиболее заряженных элементов, что позволяет менее заряженным элементам получать зарядный ток в течение более длительного периода времени.

Типы систем управления батареями

Системы управления батареями варьируются от простых до сложных и могут включать в себя широкий спектр различных технологий для достижения своей основной директивы «заботиться о батарее».Однако эти системы можно разделить на категории на основе их топологии, которая связана с тем, как они устанавливаются и работают с ячейками или модулями аккумуляторной батареи.

Централизованная архитектура BMS

Имеет одну центральную BMS в блоке батарей.Все аккумуляторные блоки напрямую подключены к центральной BMS.Структура централизованной BMS показана на рис. 6. Централизованная BMS имеет некоторые преимущества.Он более компактный и, как правило, самый экономичный, поскольку в нем только одна BMS.Однако у централизованной BMS есть недостатки.Поскольку все аккумуляторы подключены к BMS напрямую, BMS требуется много портов для подключения всех комплектов аккумуляторов.Это приводит к большому количеству проводов, кабелей, разъемов и т. д. в больших аккумуляторных батареях, что усложняет как устранение неполадок, так и техническое обслуживание.

Модульная топология BMS

Подобно централизованной реализации, BMS разделена на несколько дублированных модулей, каждый из которых имеет выделенный пучок проводов и соединения с соседней выделенной частью батарейного стека.См. рис. 7. В некоторых случаях эти субмодули BMS могут находиться под контролем основного модуля BMS, функция которого состоит в отслеживании состояния субмодулей и обмене данными с периферийным оборудованием.Благодаря дублированной модульности поиск и устранение неисправностей и техническое обслуживание становятся проще, а переход на более крупные аккумуляторные блоки не вызывает затруднений.Недостатком является то, что общие затраты немного выше, и в зависимости от приложения могут дублироваться неиспользуемые функции.

Основная/подчиненная BMS

Концептуально похоже на модульную топологию, однако в этом случае ведомые устройства более ограничены только передачей информации об измерениях, а ведущее устройство предназначено для вычислений и управления, а также для внешней связи.Таким образом, хотя, как и в случае с модульными типами, затраты могут быть ниже, поскольку функциональность ведомых устройств, как правило, проще, с, вероятно, меньшими накладными расходами и меньшим количеством неиспользуемых функций.

Распределенная архитектура BMS

Значительно отличается от других топологий, где электронное оборудование и программное обеспечение заключены в модули, которые взаимодействуют с ячейками через пучки подключенных проводов.Распределенная BMS включает в себя все электронное оборудование на плате управления, расположенной непосредственно на ячейке или модуле, который контролируется.Это упрощает прокладку кабелей до нескольких проводов датчиков и проводов связи между соседними модулями BMS.Следовательно, каждая BMS более автономна и выполняет вычисления и обмен данными по мере необходимости.Однако, несмотря на эту кажущуюся простоту, эта интегрированная форма делает устранение неполадок и техническое обслуживание потенциально проблематичным, поскольку она находится глубоко внутри сборки модуля защиты.Затраты также, как правило, выше, поскольку в общей структуре аккумуляторной батареи больше BMS.

Важность систем управления батареями

Функциональная безопасность имеет первостепенное значение в BMS.Во время операций зарядки и разрядки очень важно не допустить, чтобы напряжение, ток и температура любой ячейки или модуля, находящихся под диспетчерским контролем, превышали определенные пределы SOA.Если ограничения превышаются в течение длительного времени, это может привести не только к повреждению потенциально дорогостоящего аккумуляторного блока, но и к опасным условиям теплового разгона.Кроме того, для защиты литий-ионных элементов и функциональной безопасности также строго контролируются нижние пороговые значения напряжения.Если литий-ионная батарея останется в этом низковольтном состоянии, медные дендриты могут в конечном итоге вырасти на аноде, что может привести к увеличению скорости саморазряда и вызвать возможные проблемы с безопасностью.Высокая плотность энергии систем с литий-ионным питанием достигается ценой, которая оставляет мало места для ошибок при управлении батареями.Благодаря BMS и литий-ионным усовершенствованиям, это один из самых успешных и безопасных химических элементов аккумуляторов, доступных на сегодняшний день.

Производительность аккумуляторной батареи является следующей по важности характеристикой BMS, и она включает управление электрическими и тепловыми параметрами.Чтобы электрически оптимизировать общую емкость батареи, все элементы в блоке должны быть сбалансированы, что означает, что SOC соседних элементов в сборке примерно эквивалентны.Это исключительно важно, поскольку позволяет не только реализовать оптимальную емкость батареи, но и помогает предотвратить общую деградацию и уменьшает потенциальные точки перегрева из-за перезарядки слабых элементов.Литий-ионные батареи следует избегать разряда ниже нижнего предела напряжения, так как это может привести к эффекту памяти и значительной потере емкости.Электрохимические процессы очень чувствительны к температуре, и аккумуляторы не являются исключением.Когда температура окружающей среды падает, емкость и доступная энергия батареи значительно снижаются.Следовательно, BMS может задействовать внешний встроенный нагреватель, который находится, скажем, в системе жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи электромобиля, или включать резидентные пластины нагревателя, которые установлены под модулями батареи, встроенной в вертолет или другое устройство. самолет.Кроме того, поскольку зарядка холодных литий-ионных элементов отрицательно сказывается на сроке службы батареи, важно сначала достаточно поднять температуру батареи.Большинство литий-ионных элементов нельзя быстро зарядить, если они ниже 5°C, и вообще не следует заряжать, если они ниже 0°C.Для достижения оптимальной производительности при типичном рабочем использовании система управления температурным режимом BMS часто обеспечивает работу батареи в узком диапазоне рабочих температур (например, 30–35°C).Это гарантирует производительность, продлевает срок службы и способствует созданию здоровой и надежной аккумуляторной батареи.

Преимущества систем управления батареями

Вся система хранения энергии батареи, которую часто называют BESS, может состоять из десятков, сотен или даже тысяч литий-ионных элементов, стратегически упакованных вместе, в зависимости от приложения.Эти системы могут иметь номинальное напряжение менее 100 В, но могут достигать 800 В с током питания до 300 А и более.Любое неправильное обращение с высоковольтным блоком может привести к опасной для жизни катастрофе.Следовательно, поэтому BMS абсолютно необходимы для обеспечения безопасной работы.Преимущества BMS можно резюмировать следующим образом.

• Функциональная безопасность.Несомненно, для крупноформатных литий-ионных аккумуляторов это особенно разумно и важно.Но известно, что даже меньшие форматы, используемые, скажем, в ноутбуках, загораются и наносят огромный ущерб.Личная безопасность пользователей продуктов, включающих системы с литий-ионным питанием, оставляет мало места для ошибок при управлении батареями.
• Срок службы и надежность.Управление защитой аккумуляторных батарей, электрической и тепловой, гарантирует, что все элементы используются в соответствии с заявленными требованиями SOA.Этот деликатный контроль обеспечивает защиту элементов от агрессивного использования и быстрых циклов зарядки и разрядки и неизбежно приводит к стабильной системе, которая потенциально обеспечит многолетнюю надежную работу.
• Производительность и диапазон.Управление емкостью аккумуляторной батареи BMS, при котором балансировка между ячейками используется для выравнивания SOC соседних ячеек в сборке батареи, позволяет реализовать оптимальную емкость батареи.Без этой функции BMS для учета изменений саморазряда, циклов зарядки/разрядки, температурных эффектов и общего старения аккумуляторная батарея может в конечном итоге стать бесполезной.
• Диагностика, сбор данных и внешняя связь.Задачи надзора включают в себя непрерывный мониторинг всех элементов батареи, при этом регистрация данных может использоваться сама по себе для диагностики, но часто предназначена для задачи вычисления для оценки SOC всех элементов в сборке.Эта информация используется для алгоритмов балансировки, но в совокупности может передаваться на внешние устройства и дисплеи для отображения доступной энергии резидента, оценки ожидаемого диапазона или диапазона/срока службы на основе текущего использования и предоставления информации о состоянии аккумуляторной батареи.
• Снижение стоимости и гарантии.Внедрение BMS в BESS увеличивает расходы, а аккумуляторные блоки дороги и потенциально опасны.Чем сложнее система, тем выше требования безопасности, что приводит к необходимости большего присутствия надзора за BMS.Но защита и профилактическое обслуживание BMS в отношении функциональной безопасности, срока службы и надежности, производительности и диапазона, диагностики и т. д. гарантирует снижение общих затрат, в том числе связанных с гарантией.

Системы управления батареями и Synopsys

Моделирование является ценным союзником для проектирования BMS, особенно когда оно применяется для изучения и решения проблем проектирования при разработке оборудования, прототипировании и тестировании.При использовании точной модели литий-ионного элемента имитационная модель архитектуры BMS представляет собой исполняемую спецификацию, признанную виртуальным прототипом.Кроме того, моделирование позволяет безболезненно исследовать варианты функций контроля BMS в зависимости от различных сценариев работы батарей и окружающей среды.Проблемы реализации могут быть обнаружены и исследованы на очень ранней стадии, что позволяет проверить улучшения производительности и функциональной безопасности перед внедрением на реальном прототипе оборудования.Это сокращает время разработки и помогает гарантировать надежность первого прототипа оборудования.Кроме того, многие тесты аутентификации, включая наихудшие сценарии, могут быть проведены для BMS и аккумуляторной батареи, когда они проводятся в физически реалистичных встроенных системных приложениях.

Синопсис SaberRDпредлагает обширные библиотеки электрических, цифровых, управляющих и теплогидравлических моделей, чтобы помочь инженерам, заинтересованным в проектировании и разработке BMS и аккумуляторных батарей.Доступны инструменты для быстрого создания моделей на основе базовых спецификаций и кривых измерений для многих электронных устройств и различных типов аккумуляторов.Статистический анализ, анализ напряжений и отказов позволяют проводить проверку по всему спектру рабочей области, включая граничные области, для обеспечения общей надежности BMS.Кроме того, предлагается множество примеров проектирования, чтобы пользователи могли быстро начать проект и быстро получить ответы, необходимые для моделирования.