Sustav upravljanja baterijama (BMS) je tehnologija posebno dizajnirana za nadzor baterijskih paketa, koji su komponente baterijskih ćelija koje su električno organizirane u konfiguraciji matrične kolone reda kako bi se osigurao ciljni raspon napona i struje za očekivane uslove opterećenja tokom određenog vremenskog perioda. .
Nadzor koji pruža BMS obično uključuje:
- Monitoring baterije
- Obezbedite zaštitu baterije
- Procijenite radni status baterije
- Kontinuirano optimiziranje performansi baterije
- Izvještavanje o operativnom statusu vanjskim uređajima
Ovdje, izraz 'baterija' znači cijeli paket baterija; Međutim, funkcije nadzora i upravljanja posebno se primjenjuju na pojedinačne baterije ili pakete baterija koji se nazivaju moduli unutar cijelog sklopa baterija. Litijum-jonske punjive baterije imaju najveću gustoću energije i standardni su izbor za mnoge potrošačke baterije, od laptopa do električnih vozila. Iako rade dobro, mogu biti prilično nemilosrdni ako se koriste izvan tipično uske sigurnog radnog područja (SOA), s rezultatima u rasponu od oštećenja performansi baterije do potpuno opasnih posljedica. Opis posla BMS-a je nesumnjivo izazovan, jer njegova ukupna složenost i obim nadzora mogu uključivati više disciplina kao što su električna, digitalna, upravljačka, termalna i hidraulična.
Kako funkcioniše sistem upravljanja baterijom?
Ne postoji fiksni ili jedinstveni standard koji se mora usvojiti za sisteme upravljanja baterijama. Obim tehničkog dizajna i karakteristike implementacije obično se odnose na sljedeće:
- Cijena, složenost i veličina baterija
- Primjena baterija i sva pitanja sigurnosti, vijeka trajanja i garancije
- Zahtjevi za certifikaciju različitih vladinih propisa, ako mjere funkcionalne sigurnosti nisu na snazi, troškovi i kazne su ključni
BMS ima mnoge funkcije dizajna, a upravljanje zaštitom baterije i upravljanje kapacitetom su dvije osnovne funkcije. Ovdje ćemo raspravljati o tome kako funkcioniraju ove dvije funkcije. Postoje dva ključna područja upravljanja zaštitom baterija: električna zaštita, što znači da nije dozvoljeno oštećenje baterija kada se koriste izvan SOA; Termička zaštita, koja uključuje pasivnu i/ili aktivnu kontrolu temperature za održavanje ili dovođenje baterije u SOA.
Zaštita upravljanja električnom energijom: strujna
Praćenje struje baterije i napona baterije ili modula je način da se postigne električna zaštita. Električni SOA bilo koje ćelije baterije je ograničen strujom i naponom. Slika 1 prikazuje tipičnu litijum-jonsku bateriju SOA, gdje će dobro dizajniran BMS zaštititi baterijski paket sprečavajući ga da radi izvan kapaciteta baterije proizvođača. U mnogim slučajevima, dodatno smanjenje snage se može primijeniti unutar SOA sigurnosne zone kako bi se produžio vijek trajanja baterije.
Litijum-jonske baterije imaju različita ograničenja struje punjenja i struje pražnjenja, a oba načina rada mogu podnijeti veće vršne struje, iako je vrijeme kratko. Proizvođači baterija obično određuju maksimalna ograničenja struje neprekidnog punjenja i pražnjenja, kao i vršna ograničenja napona punjenja i pražnjenja. BMS koji pruža strujnu zaštitu sigurno će primijeniti maksimalnu kontinuiranu struju. Međutim, nagle promjene u uvjetima opterećenja mogu se uzeti u obzir prije toga; Na primjer, naglo ubrzanje električnih vozila. BMS može kombinovati praćenje vršne struje integracijom struje i odlučivanjem da smanji dostupnu struju ili potpuno prekine struju grupe nakon Δ vremena. Ovo omogućava BMS-u da ima skoro trenutnu osjetljivost na ekstremne strujne vrhove, kao što su situacije kratkog spoja koje ne privlače pažnju korisnika, ali također mogu tolerirati visoke vršne zahtjeve sve dok nisu pretjerani predugo.
Zaštita upravljanja električnom energijom: napon
Slika 2 pokazuje da litijum-jonske baterije moraju raditi unutar određenog raspona napona. Ove SOA granice će na kraju biti određene inherentnim hemijskim svojstvima odabrane litijum-jonske baterije i temperaturom baterije u bilo kom trenutku. Osim toga, zbog velike količine strujnog ciklusa, pražnjenja zbog potrebe opterećenja i punjenja iz različitih izvora energije kojima se podvrgava bilo koji paket baterija, ova ograničenja napona SOA često su dodatno ograničena kako bi se optimizirao vijek trajanja baterije. BMS mora znati koja su ova ograničenja i donositi odluke na osnovu blizine ovih pragova. Na primjer, kada se približi granici visokog napona, BMS može zahtijevati postupno smanjenje struje punjenja, ili ako se dostigne granica, može zahtijevati potpuni prekid struje punjenja. Međutim, ovo ograničenje je često praćeno dodatnim inherentnim razmatranjima histereze napona kako bi se spriječile kontrolne oscilacije u pogledu praga isključivanja. S druge strane, kada se približi granici niskog napona, BMS će zahtijevati kritična aktivna neusklađena opterećenja kako bi smanjila njihovu trenutnu potražnju. U slučaju električnih vozila, to se može postići smanjenjem dozvoljenog obrtnog momenta dostupnog vučnom motoru. Naravno, BMS mora dati prioritet sigurnosti vozača i zaštititi bateriju od trajnog oštećenja.
Zaštita upravljanja temperaturom: Temperatura
Na površini, litijum-jonske baterije imaju širok raspon radnih temperatura, ali zbog znatno sporije hemijske reakcije, ukupni kapacitet baterije opada na niskim temperaturama. U pogledu sposobnosti na niskim temperaturama, njihove performanse su zaista mnogo bolje od olovnih ili NiMh baterija; Međutim, upravljanje temperaturom je ključno jer je punjenje ispod 0 stepena C (32 stepena F) fizički problematično. Tokom punjenja ispod zamrzavanja, fenomen galvanizacije metalnog litijuma može se pojaviti na anodi. Ovo je trajno oštećenje koje ne samo da dovodi do smanjenja kapaciteta, već i povećava vjerovatnoću kvara baterije ako je izložena vibracijama ili drugim stresnim uvjetima. BMS može kontrolirati temperaturu baterije kroz grijanje i hlađenje.
Implementacija upravljanja toplinom u potpunosti ovisi o veličini i cijeni baterije, ciljevima performansi, standardima dizajna BMS-a i jedinicama proizvoda, što može uključivati razmatranje ciljanog geografskog područja. Bez obzira na vrstu grijača, obično je efikasnije izvući energiju iz vanjskog izvora napajanja naizmjeničnom strujom ili iz alternativnih rezidentnih baterija koje se koriste za rad grijača kada je to potrebno. Međutim, ako električni grijač ima umjerenu potrošnju struje, energija iz glavne baterije može se odvojiti za grijanje. Ako se koristi vrući hidraulički sistem, električni grijač se koristi za zagrijavanje rashladne tekućine koja se pumpa i distribuira kroz cijelu komponentu.
Bez sumnje, BMS projektantski inženjeri imaju određene vještine u industriji dizajna da ukapaju toplinsku energiju u baterijske pakete. Na primjer, mogu se uključiti različiti energetski elektronski uređaji namijenjeni upravljanju kapacitetom unutar BMS-a. Iako nije tako efikasan kao direktno grijanje, ipak se može koristiti bez obzira na sve. Hlađenje je posebno važno za minimiziranje gubitka performansi litijum-jonskih baterija. Na primjer, možda data baterija najbolje radi na 20 stepeni C; Ako se temperatura pakovanja poveća na 30 stepeni C, njegova efikasnost može da se smanji za 20%. Ako se baterija neprekidno puni i puni na temperaturi od 45 stepeni C (113 stepeni F), gubitak performansi može biti čak 50%. Ako je stalno izložen pregrijanom okruženju, posebno tokom brzih ciklusa punjenja i pražnjenja, vijek trajanja baterije također može stariti i prerano se degradirati. Hlađenje se obično postiže kroz dvije metode, pasivne ili aktivne, a mogu se koristiti obje tehnike. Pasivno hlađenje se oslanja na kretanje protoka vazduha radi hlađenja baterije. Što se tiče električnih vozila, to znači da se voze samo po cesti. Međutim, može biti složenije nego što izgleda, jer se senzor brzine zraka može integrirati zajedno kako bi se strateški automatski podesila zračna brana skretanja kako bi se maksimizirao protok zraka. Implementacija aktivnih ventilatora s kontroliranom temperaturom može biti od pomoći pri malim brzinama ili kada je vozilo zaustavljeno, ali sve je to samo da bi baterija bila na istoj temperaturi kao i okolno okruženje. Ako je vruće vrijeme, to može povećati početnu temperaturu ambalaže. Toplo hidraulično aktivno hlađenje može biti dizajnirano kao dodatni sistem, obično koristeći rashladno sredstvo etilen glikol sa određenim omjerom miješanja, koje cirkulira kroz cijevi/crijeva, razvodne razvodnike, unakrsne izmjenjivače topline (radijatore) i rashladne ploče prema komponentama baterijskog paketa koristeći električni pumpa. BMS prati temperaturu čitave baterije i otvara i zatvara različite ventile kako bi održao temperaturu cijele baterije u uskom temperaturnom rasponu kako bi se osigurale optimalne performanse baterije.
Upravljanje kapacitetima
Maksimiziranje kapaciteta baterije može se smatrati jednom od najvažnijih karakteristika performansi baterije koje pruža BMS. Ako se ovo održavanje ne izvrši, baterija može na kraju postati beskorisna. Koren problema leži u činjenici da "slaganje" baterijskih paketa (nizovi serija baterija) nije potpuno jednako i u suštini ima neznatno različite stope curenja ili samopražnjenja. Curenje nije greška proizvođača, već hemijska svojstva baterije, iako na to statistički mogu utjecati manje promjene u proizvodnom procesu. U početku, paketi baterija mogu imati dobro usklađene baterije, ali s vremenom se sličnost između baterija dodatno smanjuje, ne samo zbog samopražnjenja već i pod utjecajem ciklusa punjenja/pražnjenja, porasta temperature i općenitog kalendarskog starenja. Imajući to na umu, podsjećajući na prethodnu diskusiju, litijum-jonske baterije rade dobro, ali mogu biti prilično nemilosrdne ako se koriste izvan stroge SOA-e. Prethodno smo naučili o potrebnoj električnoj zaštiti, jer litijum-jonske baterije ne podnose dobro prepunjavanje. Jednom kada se potpuno napune, ne mogu prihvatiti više struje, svaka dodatna energija će se pretvoriti u toplinu, a napon može brzo rasti, potencijalno dostižući opasne nivoe. Ovo nije zdravo stanje za ćelije, a ako potraje, može uzrokovati trajna oštećenja i nesigurne radne uvjete.
Serijsko povezivanje nizova baterija određuje napon čitavog paketa baterija, a neusklađenost između susjednih baterija može uzrokovati poteškoće pri pokušaju punjenja bilo kojeg paketa baterija. Slika 3 pokazuje zašto se to dešava. Ako osoba ima potpuno izbalansiran set baterija, onda je sve u redu jer će se svaka baterija puniti na jednak način, a struja punjenja se može prekinuti kada se dostigne gornji prag napona 4.0. Međutim, u neuravnoteženoj situaciji, gornja baterija će dostići svoju granicu punjenja prije roka, a struja punjenja grane mora biti prekinuta prije nego što se druge donje baterije napune do punog kapaciteta.
Da bi se demonstrirao njegov princip rada, potrebno je objasniti ključnu definiciju. Stanje napunjenosti (SOC) baterije ili modula u datom trenutku je direktno proporcionalno dostupnoj snazi u odnosu na ukupnu snagu kada je potpuno napunjen. Dakle, baterija na 50% SOC znači da je napunjena 50%, slično faktoru kvalitete mjerača snage. Upravljanje kapacitetom BMS-a je balansiranje SOC promjena svakog steka u baterijskom paketu. Budući da SOC nije direktno mjerljiva veličina, može se procijeniti različitim tehnikama, a sama šema balansiranja obično se dijeli u dvije kategorije: pasivna i aktivna. Postoji mnogo varijacija tema, svaka sa svojim prednostima i nedostacima. BMS projektant odlučuje koji je najprikladniji za dati baterijski paket i njegovu primjenu. Pasivnu ravnotežu je najlakše postići i može objasniti i opći koncept ravnoteže. Pasivne metode omogućavaju da svaka baterija u kompletu baterija ima isti kapacitet punjenja kao najslabija baterija. Koristi relativno nisku struju za prijenos male količine energije iz baterija s visokim SOC tokom ciklusa punjenja, tako da se sve baterije mogu napuniti do svog maksimalnog SOC. Slika 4 ilustruje kako BMS to postiže. Nadzire svaku bateriju i koristi tranzistorske prekidače i otpornike za pražnjenje odgovarajuće veličine paralelno sa svakom baterijom. Kada BMS otkrije da se određena baterija približava granici punjenja, on će voditi višak struje oko nje na način odozgo prema dolje do sljedeće baterije ispod.
Krajnje tačke procesa balansiranja prije i poslije prikazane su na slici 5. Ukratko, BMS omogućava baterijama ili modulima u baterijskom paketu da vide struje punjenja koje se razlikuju od struje baterijskog paketa kako bi balansirali bateriju kroz jedno od sljedećeg metode:
Uklanjanje punjenja iz najnapunjenije baterije daje prostor za dodatnu struju punjenja kako bi se spriječilo prekomjerno punjenje i omogućava manje napunjenim baterijama da prime veću struju punjenja
Premještanje dijela ili gotovo cijele struje punjenja oko najnapunjenije baterije, omogućavajući manje napunjenim baterijama da primaju struju punjenja u dužem vremenskom periodu
Vrste sistema upravljanja baterijama
Sistem upravljanja baterijom može usvojiti različite tehnologije od jednostavnih do složenih kako bi postigao svoje glavne upute o "brizi o bateriji". Međutim, ovi sistemi se mogu klasifikovati na osnovu njihove topologije, koja se odnosi na njihovu instalaciju i rad na baterijama ili modulima čitavog paketa baterija.
Centralizovana BMS arhitektura
U sklopu baterije nalazi se centralni BMS. Svi akumulatori su direktno povezani na centralni BMS. Struktura centralizovanog BMS-a je prikazana na slici 6. Centralizovani BMS ima neke prednosti. Kompaktniji je i često najekonomičniji jer postoji samo jedan BMS. Međutim, centralizovani BMS ima i nedostatke. Zbog toga što su sve baterije direktno povezane na BMS, BMS zahtijeva mnogo portova za povezivanje svih baterija. To znači da se u velikim baterijama nalazi veliki broj žica, kablova, konektora itd., što čini otklanjanje kvarova i održavanje složenim.
Modularna BMS topologija
Slično centraliziranoj implementaciji, BMS je podijeljen na nekoliko modula koji se ponavljaju, svaki s namjenskim snopom žica i povezanim sa susjednim određenim dijelovima baterije. Pogledajte sliku 7. U nekim slučajevima, ovi BMS podmoduli mogu biti pod nadzorom glavnog BMS modula, čija je funkcija praćenje statusa podmodula i komunikacija sa perifernim uređajima. Zbog uzastopne modularizacije, rješavanje problema i održavanje su lakši, a također je lako proširiti na veće baterije. Nedostatak je što je ukupni trošak nešto veći, a može postojati i dupliranje neiskorištenih funkcija ovisno o aplikaciji.
Primarni/sekundarni BMS
Međutim, konceptualno slično modularnoj topologiji, u ovom slučaju, slave uređaji su više ograničeni na samo prenošenje mjernih informacija, dok su glavni uređaji posvećeni računanju i kontroli kao i eksternoj komunikaciji. Stoga, iako su slični modularnim tipovima, cijena može biti niža jer je funkcionalnost uređaja često jednostavnija, režijski troškovi mogu biti manji i može biti manje neiskorištenih funkcija.
Distribuirana BMS arhitektura
Za razliku od drugih topologija, u drugim topologijama, elektronski hardver i softver su inkapsulirani u module, koji su povezani sa baterijom preko kablova. Distribuirani BMS integriše sav elektronski hardver na kontrolnu ploču direktno postavljenu na nadgledanu bateriju ili modul. Ovo smanjuje opsežno ožičenje nekoliko senzorskih žica i komunikacijskih žica između susjednih BMS modula. Stoga je svaki BMS nezavisniji i upravlja računanjem i komunikacijom po potrebi. Međutim, uprkos ovoj očiglednoj jednostavnosti, ovaj integrisani oblik čini rešavanje problema i održavanje potencijalnim problemom jer se nalazi duboko unutar komponenti zaštićenog modula. Trošak je često veći jer ima više BMS-a u cijeloj strukturi baterijskog paketa.
Važnost sistema upravljanja baterijom
U BMS-u je funkcionalna sigurnost najvažnija. Ključno je spriječiti da napon, struja i temperatura bilo koje baterije ili modula pod nadzorom i kontrolom prekorače specificirana SOA ograničenja tokom operacija punjenja i pražnjenja. Ako je ograničenje prekoračeno u određenom vremenskom periodu, ne samo da će to uticati na potencijalno skupe baterije, već može doći i do opasnih termičkih situacija. Osim toga, kako bi se zaštitile litijum-jonske baterije i osigurala funkcionalna sigurnost, potrebno je i strogo praćenje nižih granica napona. Ako se litijum-jonske baterije drže u ovom niskonaponskom stanju, bakarni dendriti mogu na kraju narasti na anodi, što bi moglo dovesti do povećanja stope samopražnjenja i potencijalnih sigurnosnih problema. Cijena velike gustine energije u litijum-jonskim energetskim sistemima je da gotovo da nema mjesta za greške u upravljanju baterijama. Zahvaljujući poboljšanjima u BMS i litijum-jonskim baterijama, ovo je jedna od najuspješnijih i najsigurnijih kemikalija za baterije koje su danas dostupne.
Performanse baterije je druga najvažnija funkcija BMS-a, koja uključuje električno i termalno upravljanje. Da bi se optimizirao ukupni kapacitet baterije, sve baterije u baterijskom paketu moraju biti izbalansirane, što znači da je SOC susjednih baterija u cijeloj komponenti otprilike jednak. Ovo je vrlo važno jer ne samo da postiže optimalan kapacitet baterije, već i pomaže u sprečavanju široko rasprostranjene degradacije i smanjenju potencijalnih žarišta za prepunjavanje slabih baterija. Litijum-jonske baterije treba da izbegavaju pražnjenje ispod granice niskog napona, jer to može dovesti do efekata memorije i značajnog gubitka kapaciteta. Elektrohemijski procesi su veoma osetljivi na temperaturu, a baterije nisu izuzetak. Kada temperatura okoline padne, kapacitet i raspoloživa energija baterije značajno će se smanjiti. Stoga, BMS može povezati vanjske mrežne grijače smještene na sustavima za hlađenje tekućinom kao što su baterije električnih vozila, ili uključiti rezidentne grijaće ploče instalirane ispod modula baterija u helikopterima ili drugim zrakoplovima. Osim toga, budući da punjenje niskotemperaturnih litijum-jonskih baterija ne doprinosi radnom vijeku baterije, važno je prvo u potpunosti povećati temperaturu baterije. Većina litijum-jonskih baterija ne može se brzo puniti ispod 5 stepeni C i ne treba ih puniti ispod 0 stepena C. Da bi se postigle optimalne performanse tokom uobičajene operativne upotrebe, BMS termalno upravljanje obično osigurava da baterija radi unutar usko područje rada Zlatokose (npr. 30-35 stepen C). Ovo može zaštititi performanse, produžiti životni vijek i kultivirati zdrave i pouzdane baterije.
Prednosti sistema upravljanja baterijama
Kompletan sistem za skladištenje energije baterija, poznat kao BESS, može se strateški sklopiti od desetina, stotina ili čak hiljada litijum-jonskih baterija, u zavisnosti od primene. Nazivni napon ovih sistema može biti manji od 100V, ali može doseći i do 800V, sa opsegom struje napajanja baterijskog paketa do 300A ili više. Svako loše upravljanje visokonaponskim baterijama može dovesti do katastrofalnih katastrofa koje ugrožavaju živote. Stoga je BMS ključan za siguran rad. Prednosti BMS-a mogu se sažeti na sljedeći način.
Funkcionalna sigurnost.Podrazumijeva se da je za velike litijum-jonske baterije ovo posebno oprezno i neophodno. No, kao što je poznato, čak i manji formati koji se koriste u prijenosnim računalima mogu se zapaliti i uzrokovati značajnu štetu. Lična sigurnost korisnika proizvoda koji sadrže litijum-jonske sisteme napajanja ostavlja malo prostora za greške u upravljanju baterijama.
Vek trajanja i pouzdanost.Upravljanje zaštitom baterijskog paketa, električnom i termičkom, osigurava da se sve baterije koriste u okviru deklariranih SOA zahtjeva. Ovaj suptilni nadzor osigurava sigurnu upotrebu i brze cikluse punjenja i pražnjenja baterije i neizbježno stvara stabilan sistem koji može pružiti godine pouzdanog rada.
Performanse i obim.BMS upravljanje kapacitetom baterije, koje koristi balansiranje između baterija za balansiranje SOC-a susjednih baterija na komponentama baterijskog paketa, omogućavajući optimalan kapacitet baterije. Bez ove BMS funkcije koja uzima u obzir promjene u samopražnjenju, ciklusima punjenja/pražnjenja, temperaturnim efektima i općenitom starenju, baterija može na kraju postati beskorisna.
Dijagnoza, prikupljanje podataka i eksterna komunikacija.Zadatak nadzora uključuje kontinuirano praćenje svih baterijskih ćelija, pri čemu se samo snimanje podataka može koristiti za dijagnozu, ali se obično koristi za računske zadatke za predviđanje SOC-a svih baterija u komponenti. Ove informacije se koriste za algoritme za balansiranje, ali se mogu dijeliti s vanjskim uređajima i displejima kako bi se ukazalo na dostupnu rezidentnu energiju, procijenilo očekivani domet ili raspon/životni vijek na osnovu trenutne upotrebe i pružilo zdravstveno stanje baterije.
Smanjite troškove i garanciju.Uvođenje BMS-a u BESS povećava troškove, a baterija je skupa i potencijalno opasna. Što je sistem složeniji, to su veći sigurnosni zahtjevi, stoga je potrebno više BMS nadzora. Međutim, zaštita i preventivno održavanje BMS-a u smislu funkcionalne sigurnosti, životnog vijeka i pouzdanosti, performansi i obima, dijagnoze, itd. osiguravaju da će smanjiti ukupne troškove, uključujući troškove vezane za garanciju.
Zaključak
Simulacija je vrijedan saveznik u BMS dizajnu, posebno kada se primjenjuje za istraživanje i rješavanje dizajnerskih izazova u razvoju hardvera, izradi prototipa i testiranju. Sa preciznim modelom litijum-jonske baterije, simulacioni model BMS arhitekture je prepoznat kao izvršna specifikacija za virtuelne prototipove. Osim toga, simulacija omogućava bezbolno istraživanje varijanti funkcija praćenja BMS-a za različite scenarije rada baterije i okoliša. Problemi implementacije se mogu identifikovati i istražiti rano, omogućavajući validaciju performansi i poboljšanja funkcionalne bezbednosti pre implementacije na stvarnim prototipovima hardvera. Ovo smanjuje vrijeme razvoja i pomaže da se osigura da je prvi hardverski prototip robustan. Osim toga, kada se izvode u aplikacijama ugrađenog sistema, mnogi testovi autentifikacije mogu se izvesti na BMS-u i baterijskim paketima, uključujući i najgore scenarije.