Sustav upravljanja baterijama (BMS) tehnologija je posebno dizajnirana za nadzor baterijskih paketa, koji su komponente baterijskih ćelija koje su električno organizirane u matričnoj konfiguraciji retka i stupca kako bi se osigurao ciljni raspon napona i struje za očekivane uvjete opterećenja tijekom određenog vremenskog razdoblja .
Nadzor koji pruža BMS obično uključuje:
- Praćenje baterije
- Osigurajte zaštitu baterije
- Procijenite radni status baterije
- Kontinuirano optimiziranje performansi baterije
- Izvijestite o radnom statusu vanjskim uređajima
Ovdje je izraz 'baterija' znači cijeli paket baterija; Međutim, funkcije nadzora i upravljanja posebno se primjenjuju na pojedinačne baterije ili pakete baterija koji se nazivaju modulima unutar cijelog sklopa paketa baterija. Litij-ionske punjive baterije imaju najveću gustoću energije i standardni su izbor za mnoge potrošačke pakete baterija, od prijenosnih računala do električnih vozila. Iako rade dobro, mogu biti prilično nemilosrdni ako se njima upravlja izvan tipično čvrstog sigurnog operativnog područja (SOA), s rezultatima koji variraju od oštećenja performansi baterije do potpuno opasnih posljedica. Opis posla BMS-a nesumnjivo je izazovan, jer njegova ukupna složenost i opseg nadzora mogu uključivati više disciplina kao što su električna, digitalna, upravljačka, toplinska i hidraulička.
Kako funkcionira sustav upravljanja baterijom?
Ne postoji fiksni ili jedinstveni standard koji se mora usvojiti za sustave upravljanja baterijama. Opseg tehničkog dizajna i karakteristike izvedbe obično se odnose na sljedeće:
- Cijena, složenost i veličina paketa baterija
- Primjena baterija i sva pitanja vezana uz sigurnost, vijek trajanja i jamstvo
- Zahtjevi za certifikaciju raznih državnih propisa, ako mjere funkcionalne sigurnosti nisu uspostavljene, troškovi i kazne su ključni
BMS ima mnogo dizajnerskih funkcija, a upravljanje zaštitom baterije i upravljanje kapacitetom dvije su osnovne funkcije. Ovdje ćemo raspravljati o tome kako ove dvije funkcije funkcioniraju. Dva su ključna područja upravljanja zaštitom paketa baterija: električna zaštita, što znači da se baterije ne smiju oštetiti kada se koriste izvan SOA-e; Toplinska zaštita, koja uključuje pasivnu i/ili aktivnu kontrolu temperature za održavanje ili dovođenje baterije u SOA.
Zaštita električnog upravljanja: struja
Praćenje struje baterije i napona baterije ili modula način je za postizanje električne zaštite. Električni SOA svake baterije ograničen je strujom i naponom. Slika 1 prikazuje tipičnu litij-ionsku bateriju SOA, gdje će dobro dizajnirani BMS zaštititi bateriju sprječavajući da radi izvan nazivne vrijednosti baterije proizvođača. U mnogim slučajevima može se primijeniti daljnje smanjenje snage unutar SOA sigurnosne zone kako bi se produžio vijek trajanja baterije.
Litij-ionske baterije imaju različita ograničenja struje punjenja i ograničenja struje pražnjenja, a oba načina rada mogu podnijeti veće vršne struje, iako je vrijeme kratko. Proizvođači baterija obično određuju maksimalne kontinuirane granice struje punjenja i pražnjenja, kao i vršne granice napona punjenja i pražnjenja. BMS koji pruža strujnu zaštitu sigurno će primijeniti maksimalnu trajnu struju. Međutim, iznenadne promjene u uvjetima opterećenja mogu se uzeti u obzir prije toga; Na primjer, naglo ubrzanje električnih vozila. BMS može kombinirati nadzor vršne struje integracijom struje i odlučivanjem o smanjenju dostupne struje ili potpunom prekidu grupne struje nakon Δ vremena. To omogućuje BMS-u da ima gotovo trenutnu osjetljivost na ekstremne vršne struje, kao što su situacije kratkog spoja koje ne privlače pozornost osigurača, ali također mogu tolerirati visoke vršne zahtjeve sve dok nisu pretjerani predugo.
Zaštita električnog upravljanja: napon
Slika 2 pokazuje da litij-ionske baterije moraju raditi unutar određenog raspona napona. Te će SOA granice u konačnici biti određene inherentnim kemijskim svojstvima odabrane litij-ionske baterije i temperaturom baterije u bilo kojem trenutku. Osim toga, zbog velike količine strujnog ciklusa, pražnjenja zbog zahtjeva opterećenja i punjenja iz različitih izvora energije kojima prolazi bilo koji paket baterija, ova SOA ograničenja napona često su dodatno ograničena kako bi se optimizirao vijek trajanja baterije. BMS mora znati koja su to ograničenja i donositi odluke na temelju blizine tih pragova. Na primjer, kada se približi granici visokog napona, BMS može zatražiti postupno smanjenje struje punjenja ili ako je granica dosegnuta, može zatražiti potpuni prekid struje punjenja. Međutim, ovo ograničenje je često popraćeno dodatnim razmatranjima inherentne histereze napona kako bi se spriječile oscilacije upravljanja u vezi s pragom isključivanja. S druge strane, kada se približi granici niskog napona, BMS će zahtijevati kritična aktivna nesukladna opterećenja kako bi smanjio njihovu trenutnu potražnju. U slučaju električnih vozila, to se može postići smanjenjem dopuštenog okretnog momenta dostupnog vučnom motoru. Naravno, BMS mora dati prednost sigurnosti vozača i zaštititi bateriju od trajnog oštećenja.
Zaštita od upravljanja toplinom: Temperatura
Na površini, litij-ionske baterije imaju širok raspon radnih temperatura, ali zbog znatno sporije brzine kemijske reakcije, ukupni kapacitet baterije opada pri niskim temperaturama. Što se tiče sposobnosti pri niskim temperaturama, njihova izvedba je doista puno bolja od olovnih ili NiMh baterija; Međutim, upravljanje temperaturom je ključno jer je punjenje ispod 0 stupnjeva C (32 stupnja F) fizički problematično. Tijekom punjenja ispod temperature smrzavanja, na anodi se može pojaviti fenomen galvanizacije metalnog litija. Ovo je trajno oštećenje koje ne samo da dovodi do smanjenja kapaciteta, već također povećava vjerojatnost kvara baterije ako je izložena vibracijama ili drugim uvjetima stresa. BMS može kontrolirati temperaturu baterije putem grijanja i hlađenja.
Implementacija upravljanja toplinom u potpunosti ovisi o veličini i cijeni paketa baterija, ciljevima izvedbe, standardima dizajna BMS-a i jedinicama proizvoda, što može uključivati razmatranja za ciljano zemljopisno područje. Bez obzira na vrstu grijača, obično je učinkovitije izvlačiti energiju iz vanjskog izvora izmjenične struje ili iz alternativnih baterija koje se koriste za rad grijača kada je to potrebno. Međutim, ako električni grijač ima umjerenu potrošnju struje, energija iz glavnog paketa baterija može se usmjeriti da se grije. Ako se koristi vrući hidraulički sustav, koristi se električni grijač za zagrijavanje rashladne tekućine koja se pumpa i distribuira kroz cijelu komponentu.
Nesumnjivo, inženjeri dizajna BMS-a imaju neke vještine u industriji dizajna za ubacivanje toplinske energije u baterije. Na primjer, mogu se uključiti različiti energetski elektronički uređaji namijenjeni upravljanju kapacitetom unutar BMS-a. Iako nije tako učinkovit kao izravno grijanje, ipak se može koristiti bez obzira na sve. Hlađenje je osobito važno za smanjivanje gubitka performansi litij-ionskih baterija. Na primjer, možda određena baterija najbolje radi na 20 stupnjeva C; Ako se temperatura pakiranja poveća na 30 stupnjeva C, njegova učinkovitost može se smanjiti za 20%. Ako se baterija kontinuirano puni i ponovno puni na temperaturi od 45 stupnjeva C (113 stupnjeva F), gubitak performansi može biti čak 50%. Ako je kontinuirano izložena pregrijanom okruženju, osobito tijekom brzih ciklusa punjenja i pražnjenja, životni vijek baterije također može ostariti i prerano se degradirati. Hlađenje se obično postiže na dva načina, pasivnim ili aktivnim, a mogu se koristiti obje tehnike. Pasivno hlađenje oslanja se na kretanje protoka zraka za hlađenje baterije. Što se tiče električnih vozila, to znači da se voze samo cestom. Međutim, može biti složenije nego što izgleda, budući da se senzor brzine zraka može integrirati zajedno kako bi strateški automatski prilagodio otklonsku zračnu branu kako bi se povećao protok zraka. Implementacija aktivnih ventilatora s kontroliranom temperaturom može biti korisna pri niskim brzinama ili kada je vozilo zaustavljeno, ali sve je to samo kako bi baterija ostala na istoj temperaturi kao i okolno okruženje. Ako je vrijeme vruće, to može povećati početnu temperaturu pakiranja. Vruće hidrauličko aktivno hlađenje može se dizajnirati kao dopunski sustav, obično koristeći rashladnu tekućinu etilen glikol s određenim omjerom miješanja, cirkulirajući kroz cijevi/crijeva, distribucijske razvodnike, izmjenjivače topline s poprečnim protokom (radijatori) i rashladne ploče protiv komponenti baterijskog paketa pomoću električne pumpa. BMS prati temperaturu cijele baterije te otvara i zatvara razne ventile kako bi održao temperaturu cijele baterije unutar uskog temperaturnog raspona kako bi osigurao optimalne performanse baterije.
Upravljanje kapacitetom
Maksimiziranje kapaciteta baterije može se smatrati jednom od najvažnijih karakteristika performansi baterije koju nudi BMS. Ako se ovo održavanje ne provede, baterija bi s vremenom mogla postati beskorisna. Korijen problema leži u činjenici da "slaganje" paketa baterija (nizovi serije baterija) nije potpuno jednako i u biti ima malo različite stope curenja ili samopražnjenja. Curenje nije greška proizvođača, već kemijskih svojstava baterije, iako na to mogu statistički utjecati manje promjene proizvodnog procesa. 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 općeg starenja kalendara. Imajući ovo na umu, podsjećajući na prethodnu raspravu, litij-ionske baterije rade dobro, ali mogu biti prilično nemilosrdne ako rade izvan strogih SOA. Prethodno smo naučili o potrebnoj električnoj zaštiti jer litij-ionske baterije ne mogu dobro podnijeti prekomjerno punjenje. Nakon što se potpuno napune, ne mogu prihvatiti više struje, svaka dodatna energija pretvorit će se u toplinu, a napon može brzo porasti, potencijalno dosegnuvši opasne razine. Ovo stanje nije zdravo za stanice, a ako potraje, može uzrokovati trajna oštećenja i nesigurne radne uvjete.
Serijski spoj nizova baterija određuje napon cijelog paketa baterija, a neusklađenost između susjednih baterija može uzrokovati poteškoće pri pokušaju punjenja bilo kojeg paketa baterija. Slika 3 pokazuje zašto se to događa. Ako osoba ima potpuno uravnotežen set baterija, onda je sve u redu jer će se svaka baterija puniti na jednak način, a struja punjenja može se prekinuti kada se dostigne gornji prag napona od 4.0. Međutim, u neuravnoteženoj situaciji, gornja baterija će dosegnuti svoju granicu punjenja prije planiranog vremena, a struja punjenja ogranka mora biti prekinuta prije nego što se druge donje baterije napune do punog kapaciteta.
Kako bi se demonstrirao njegov princip rada, potrebno je objasniti ključnu definiciju. Stanje napunjenosti (SOC) baterije ili modula u određenom trenutku izravno je proporcionalno dostupnoj snazi u odnosu na ukupnu snagu kada je potpuno napunjena. Stoga, baterija na 50% SOC znači da je napunjena 50%, slično faktoru kvalitete mjerača snage. Upravljanje kapacitetom BMS-a je uravnotežiti SOC promjene svake hrpe u baterijskom paketu. Budući da SOC nije izravno mjerljiva veličina, može se procijeniti različitim tehnikama, a sama shema bilansiranja obično se dijeli u dvije kategorije: pasivnu i aktivnu. Postoje mnoge varijacije tema, svaka sa svojim prednostima i nedostacima. Inženjer dizajna BMS-a odlučuje koja je najprikladnija za dati baterijski paket i njegovu primjenu. Pasivnu ravnotežu je najlakše postići i ona također može objasniti opći koncept ravnoteže. Pasivne metode omogućuju da svaka baterija u baterijskom paketu ima isti kapacitet punjenja kao najslabija baterija. Koristi relativno nisku struju za prijenos male količine energije iz baterija s visokim SOC tijekom ciklusa punjenja, tako da se sve baterije mogu napuniti do svog maksimalnog SOC. Slika 4 ilustrira kako BMS to postiže. Nadzire svaku bateriju i koristi tranzistorske sklopke i otpornike za pražnjenje odgovarajuće veličine paralelno sa svakom baterijom. Kada BMS otkrije da se određena baterija približava svom ograničenju napunjenosti, usmjerit će višak struje oko nje na način odozgo prema dolje do sljedeće baterije ispod.
Krajnje točke procesa balansiranja prije i poslije prikazane su na slici 5. Ukratko, BMS omogućuje baterijama ili modulima u paketu baterija da vide struje punjenja koje se razlikuju od struje paketa baterija kako bi balansirali paket baterija putem jednog od sljedećeg metode:
Uklanjanje punjenja s najnapunjenije baterije daje prostor za dodatnu struju punjenja kako bi se spriječilo prekomjerno punjenje i omogućuje manje napunjenim baterijama da prime veću struju punjenja
Premještanje neke ili gotovo cijele struje punjenja oko najnapunjenije baterije, dopuštajući manje napunjenim baterijama da primaju struju punjenja dulje vrijeme
Vrste sustava upravljanja baterijama
Sustav upravljanja baterijom može usvojiti različite tehnologije od jednostavnih do složenih kako bi postigao svoje glavne upute o "brizi o bateriji". Međutim, ti se sustavi mogu klasificirati na temelju njihove topologije, koja je povezana s njihovom ugradnjom i radom na baterijama ili modulima cijelog baterijskog paketa.
Centralizirana BMS arhitektura
U sklopu baterije nalazi se središnji BMS. Sve baterije su izravno spojene na središnji BMS. Struktura centraliziranog BMS-a prikazana je na slici 6. Centralizirani BMS ima neke prednosti. Kompaktniji je i često najekonomičniji jer postoji samo jedan BMS. Međutim, centralizirani BMS ima i nedostataka. Budući da su sve baterije izravno spojene na BMS, BMS zahtijeva mnogo priključaka za spajanje svih baterijskih paketa. To znači da postoji veliki broj žica, kabela, konektora, itd. u velikim baterijama, što čini rješavanje problema i održavanje složenima.
Modularna BMS topologija
Slično centraliziranoj implementaciji, BMS je podijeljen u nekoliko ponavljajućih modula, svaki s namjenskim snopom žica i spojen na susjedne određene dijelove baterije. Pogledajte sliku 7. U nekim slučajevima, ovi podmoduli BMS-a mogu biti pod nadzorom glavnog modula BMS-a, čija je funkcija praćenje statusa podmodula i komunikacija s perifernim uređajima. Zbog opetovane modularizacije, rješavanje problema i održavanje su lakši, a također je lako proširiti na veće baterije. Nedostatak je taj što je ukupna cijena malo viša i mogu postojati duple neiskorištene značajke, ovisno o aplikaciji.
Primarno/srednje BMS
Međutim, konceptualno slično modularnoj topologiji, u ovom slučaju podređeni uređaji više su ograničeni samo na prijenos mjernih informacija, dok su glavni uređaji posvećeni računanju i kontroli, kao i vanjskoj komunikaciji. Stoga, iako je sličan modularnim tipovima, cijena može biti niža jer je funkcionalnost uređaja često jednostavnija, režijski troškovi mogu biti niži i može biti manje neiskorištenih značajki.
Distribuirana BMS arhitektura
Za razliku od drugih topologija, u drugim topologijama, elektronički hardver i softver su kapsulirani u module, koji su spojeni na bateriju preko kabelskih snopova. Distribuirani BMS integrira sav elektronički hardver na kontrolnu ploču izravno postavljenu na nadziranu bateriju ili modul. Ovo smanjuje opsežno ožičenje nekoliko žica senzora i komunikacijskih žica između susjednih BMS modula. Stoga je svaki BMS neovisniji i upravlja računanjem i komunikacijom prema potrebi. Međutim, unatoč ovoj očitoj jednostavnosti, ovaj integrirani oblik čini rješavanje problema i održavanje potencijalnim problemom jer se nalazi duboko unutar komponenti zaštićenog modula. Trošak je često veći jer postoji više BMS-a u cijeloj strukturi paketa baterija.
Važnost sustava 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 prijeđu navedena SOA ograničenja tijekom operacija punjenja i pražnjenja. Ako se ograničenje premaši neko vrijeme, ne samo da će to utjecati na potencijalno skupe pakete baterija, već može doći i do opasnih situacija toplinskog bijega. Osim toga, kako bi se zaštitile litij-ionske baterije i osigurala funkcionalna sigurnost, također je potrebno strogo praćenje nižih granica napona. Ako se litij-ionske baterije drže u ovom stanju niskog napona, bakreni dendriti mogu na kraju narasti na anodi, što može dovesti do povećanja stope samopražnjenja i potencijalnih sigurnosnih problema. Cijena visoke gustoće energije u litij-ionskim sustavima napajanja je da gotovo da nema mjesta za pogreške u upravljanju baterijom. Zahvaljujući poboljšanjima u BMS-u i litij-ionskim baterijama, ovo je jedna od najuspješnijih i najsigurnijih baterijskih kemikalija dostupnih danas.
Učinkovitost baterije je druga najvažnija funkcija BMS-a, koja uključuje električno i toplinsko upravljanje. Kako bi se električni optimizirao ukupni kapacitet baterije, sve baterije u paketu baterija moraju biti uravnotežene, što znači da je SOC susjednih baterija u cijeloj komponenti približno jednak. Ovo je vrlo važno jer ne samo da postiže optimalan kapacitet baterije, već također pomaže u sprječavanju rasprostranjenog propadanja i smanjuje potencijalne žarišne točke za prekomjerno punjenje slabih baterija. Litij-ionske baterije trebale bi izbjegavati pražnjenje ispod granice niskog napona jer to može dovesti do učinaka pamćenja i značajnog gubitka kapaciteta. Elektrokemijski procesi vrlo su osjetljivi na temperaturu, a baterije nisu iznimka. Kada temperatura okoline padne, kapacitet i raspoloživa energija baterije značajno će se smanjiti. Stoga BMS može spojiti vanjske mrežne grijače koji se nalaze na sustavima tekućeg hlađenja kao što su akumulatori električnih vozila ili uključiti rezidentne grijaće ploče instalirane ispod modula akumulatora u helikopterima ili drugim zrakoplovima. Osim toga, budući da punjenje niskotemperaturnih litij-ionskih baterija ne doprinosi radnom vijeku baterije, važno je najprije u potpunosti povećati temperaturu baterije. Većina litij-ionskih baterija ne može se puniti brzo ispod 5 stupnjeva C i uopće se ne bi trebale puniti ispod 0 stupnjeva C. Kako bi se postigla optimalna izvedba tijekom tipične operativne uporabe, BMS termalno upravljanje obično osigurava da baterija radi unutar usko operativno područje Zlatokose (npr. 30-35 stupnjeva C). To može zaštititi performanse, produžiti životni vijek i njegovati zdrave i pouzdane baterije.
Prednosti sustava upravljanja baterijom
Potpuni sustav za pohranu energije iz baterija, poznatiji kao BESS, može se strateški sastaviti od desetaka, stotina ili čak tisuća litij-ionskih baterija, ovisno o primjeni. Nazivni napon ovih sustava može biti manji od 100 V, ali može doseći i do 800 V, s rasponom struje napajanja baterije do 300 A ili većim. Svako loše upravljanje visokonaponskim baterijama može dovesti do katastrofalnih katastrofa koje ugrožavaju živote. Stoga je BMS ključan za osiguranje sigurnog rada. Prednosti BMS-a mogu se sažeti kako slijedi.
Funkcionalna sigurnost.Nije potrebno spominjati da je za velike litij-ionske baterije ovo posebno oprezno i potrebno. No, kao što je poznato, čak i manji formati koji se koriste u prijenosnim računalima mogu se zapaliti i uzrokovati značajnu štetu. Osobna sigurnost korisnika proizvoda koji sadrže litij-ionske sustave napajanja ostavlja malo prostora za pogreške u upravljanju baterijom.
Životni vijek i pouzdanost.Upravljanje zaštitom paketa baterija, električnom i toplinskom, osigurava da se sve baterije koriste unutar deklariranih SOA zahtjeva. Ovaj suptilni nadzor osigurava sigurnu upotrebu i brze cikluse punjenja i pražnjenja baterije, te neizbježno stvara stabilan sustav koji može pružiti godine pouzdane usluge.
Izvedba i opseg.BMS upravljanje kapacitetom paketa baterija, koje koristi balansiranje između baterija za uravnoteženje SOC-a susjednih baterija na komponentama paketa baterija, što omogućuje optimalan kapacitet baterije. Bez ove BMS funkcije za razmatranje promjena u samopražnjenju, ciklusima punjenja/pražnjenja, temperaturnim učincima i općem starenju, baterija bi u konačnici mogla postati beskorisna.
Dijagnoza, prikupljanje podataka i vanjska komunikacija.Zadatak nadzora uključuje kontinuirano praćenje svih baterijskih ćelija, gdje se samo snimanje podataka može koristiti za dijagnozu, ali se obično koristi za računalne zadatke za predviđanje SOC-a svih baterija u komponenti. Ove se informacije koriste za balansiranje algoritama, ali se mogu dijeliti s vanjskim uređajima i zaslonima kako bi se ukazala na raspoloživu rezidentnu energiju, procijenio očekivani domet ili domet/životni vijek na temelju trenutne upotrebe i pružio zdravstveni status baterije.
Smanjite troškove i jamstvo.Uvođenje BMS-a u BESS povećava troškove, a baterija je skupa i potencijalno opasna. Što je sustav složeniji, to su sigurnosni zahtjevi veći, stoga je potreban veći nadzor BMS-a. Međutim, BMS-ova zaštita i preventivno održavanje u smislu funkcionalne sigurnosti, životnog vijeka i pouzdanosti, izvedbe i opsega, dijagnoze itd. osiguravaju smanjenje ukupnih troškova, uključujući troškove povezane s jamstvom.
Zaključak
Simulacija je vrijedan saveznik u dizajnu BMS-a, posebno kada se primjenjuje za istraživanje i rješavanje dizajnerskih izazova u razvoju hardvera, izradi prototipova i testiranju. Uz točan model litij-ionske baterije, simulacijski model BMS arhitekture prepoznaje se kao izvršna specifikacija za virtualne prototipe. Osim toga, simulacija omogućuje bezbolno istraživanje varijanti funkcija nadzora BMS-a za različite scenarije rada baterije i okoliša. Problemi s implementacijom mogu se identificirati i istražiti rano, omogućujući provjeru performansi i poboljšanja funkcionalne sigurnosti prije implementacije na stvarnim prototipovima hardvera. Time se skraćuje vrijeme razvoja i pomaže osigurati da prvi prototip hardvera bude robustan. Osim toga, kada se provode u aplikacijama ugrađenog sustava, mnogi testovi provjere autentičnosti mogu se izvesti na BMS-u i baterijskim paketima, uključujući najgore scenarije.