Системы управления и мониторинга батарей, BMS - Производитель литиевых батарей

Технология, направленная на управление аккумуляторной батареей - совокупностью аккумуляторных элементов, электрически расположенных в матричной конфигурации "строка x столбец" для обеспечения заданного диапазона напряжения и тока в течение определенного времени при ожидаемых сценариях нагрузки, - известна как система управления батареей (BMS). Как правило, BMS обеспечивает мониторинг, включая:

Осмотрите аккумулятор.
Обеспечьте защиту аккумуляторов.
Применение оперативной оценки состояния батареи.
Постоянное улучшение характеристик батарей.
Уведомление о рабочем состоянии внешних систем.

Здесь слово "батарея" относится ко всему блоку; однако в общем блоке батарей функции контроля и управления особенно часто применяются к отдельным элементам или группам элементов, называемым модулями. Во многих потребительских устройствах, включая аккумуляторные батареи, от компьютеров до электромобилей, используются литий-ионные перезаряжаемые элементы из-за их максимальной плотности энергии. Хотя они работают хорошо, если их запустить за пределами обычно ограниченной безопасной рабочей зоны (SOA), они могут быть довольно безжалостными с результатами от ухудшения работы батареи до абсолютно катастрофических последствий. BMS, несомненно, имеет сложное описание работы, а ее общая сложность и контроль могут охватывать множество дисциплин, таких как электрическая, цифровая, контрольная, тепловая и гидравлическая.

Как работают системы управления аккумуляторами?

Решения по управлению батареями не имеют заранее определенного или уникального набора критериев, которые должны применяться. Объем технологического проектирования и реализованные функции часто связаны с:

Расходы, сложность и размер батарейного блока.
Применение батареи и любые соображения безопасности, долговечности и гарантии.
Критерии сертификации определяются различными государственными правилами, в соответствии с которыми в случае недостаточных мер функциональной безопасности взимается плата и налагаются штрафы.

Существует несколько аспектов конструкции BMS, и двумя важнейшими характеристиками являются управление защитой батарейного блока и управление емкостью. Здесь мы рассмотрим, как функционируют эти две функции. Управление защитой батарейного блока включает в себя две важные области: электрическая защитачто подразумевает недопущение причинения вреда батарее в результате ее использования за пределами SOA, и тепловая защитаВ состав которого входит пассивное и/или активное регулирование температуры для поддержания или приведения упаковки в соответствие с ее SOA.

Защита управления электрооборудованием: Ток

Контроль тока аккумуляторной батареи и напряжения элементов или модулей является ключом к электрической защите. Электрическая SOA каждого элемента батареи ограничена током и напряжением. На рис. 1 показана типичная SOA литий-ионных элементов, и хорошо спроектированная BMS сохранит батарею, запретив работу с элементами, превышающими номинальные значения, указанные производителем. Во многих случаях для увеличения продолжительности работы аккумулятора в безопасной зоне SOA может потребоваться большее снижение напряжения.

Литий-ионные элементы имеют другие пределы тока при зарядке, чем при разрядке, и оба режима могут выдерживать более высокие пиковые токи, хотя и в течение коротких периодов времени. Производители аккумуляторных элементов обычно указывают максимальные пределы непрерывного тока зарядки и разрядки, а также пределы пикового тока зарядки и разрядки. BMS, обеспечивающая защиту по току, безусловно, будет применять максимальный непрерывный ток. Однако он может быть превышен для учета внезапного изменения условий нагрузки, например, резкого ускорения электромобиля. BMS может включать мониторинг пикового тока путем интегрирования тока и по истечении дельта-времени принимать решение либо о снижении доступного тока, либо о полном прерывании тока блока. Это позволяет BMS практически мгновенно реагировать на экстремальные пики тока, например, на короткое замыкание, которое не привлекло внимания ни одного предохранителя, а также быть снисходительной к высоким пиковым нагрузкам, если они не являются чрезмерными в течение длительного времени.

Защита электроуправления: Напряжение

На рис. 2 показано, что литий-ионный элемент должен работать в определенном диапазоне напряжений. Эти границы SOA в конечном итоге определяются химическим составом выбранного литий-ионного элемента и температурой элементов в любой момент времени. Более того, поскольку любой аккумуляторный блок испытывает значительное количество циклов тока, разрядку из-за нагрузки и зарядку от различных источников энергии, эти границы напряжения SOA обычно дополнительно ограничиваются для оптимизации срока службы батареи. BMS должна знать, каковы эти пределы, и будет принимать решения в зависимости от близости к этим пороговым значениям. Например, при приближении к пределу высокого напряжения BMS может потребовать постепенного снижения зарядного тока или полностью прекратить зарядку при достижении предела. Однако это ограничение часто дополняется дополнительным гистерезисом напряжения, чтобы свести к минимуму дребезг системы управления относительно порога отключения. С другой стороны, при приближении к пределу низкого напряжения система BMS потребует от ключевых активных нагрузок-нарушителей снизить потребление тока. В случае электромобиля это может быть сделано путем уменьшения допустимого крутящего момента, доступного для тягового двигателя. Разумеется, BMS должна уделять первостепенное внимание безопасности водителя и одновременно защищать аккумуляторную батарею от необратимых повреждений.

Терморегулирование Защита: Температура

На первый взгляд может показаться, что литий-ионные элементы имеют широкий температурный диапазон работы, однако общая емкость батареи снижается при низких температурах, поскольку скорость химических реакций значительно замедляется. Что касается возможности работы при низких температурах, то они действительно работают гораздо лучше, чем свинцово-кислотные или никель-металлогидридные батареи; однако необходимо тщательно следить за температурой, поскольку зарядка при температуре ниже 0 °C (32 °F) физически проблематична. Во время зарядки при отрицательных температурах на аноде может образоваться металлическое литиевое покрытие. Это необратимое повреждение, которое не только приводит к снижению емкости, но и повышает чувствительность элементов к выходу из строя при воздействии вибрации или других стрессовых ситуаций. Система BMS может управлять температурой аккумуляторного блока путем нагрева и охлаждения.

Реализованная система терморегулирования полностью зависит от размера и стоимости батарейного блока и целевых показателей производительности, требований к конструкции BMS и устройства, которое может учитывать желаемое географическое положение (например, Аляска против Гавайев). Независимо от типа обогревателя, зачастую эффективнее получать энергию от внешнего источника переменного тока или альтернативной батареи, предназначенной для работы обогревателя в случае необходимости. Однако если электрический нагреватель имеет умеренную потребность в токе, энергия основного блока батарей может расходоваться на его обогрев. Если используется термогидравлическая система, то электрический нагреватель используется для нагрева охлаждающей жидкости, которая перекачивается и распределяется по всему блоку.

Специалисты по проектированию BMS, безусловно, владеют техническими приемами, позволяющими дозировать тепловую энергию. Например, можно включить различную силовую электронику в BMS, предназначенную для управления мощностью. Хотя это и не так эффективно, как прямой нагрев, но все же может быть использовано. Охлаждение особенно важно для снижения потерь производительности литий-ионного аккумулятора. Например, предположим, что определенная батарея оптимально работает при температуре 20 °C; если температура блока повысится до 30 °C, его эффективность может снизиться на целых 20%. Если батарею многократно заряжать и перезаряжать при температуре 45°C (113°F), потеря производительности может возрасти до 50%. Срок службы аккумулятора может также пострадать от преждевременного старения и деградации, если он постоянно подвергается воздействию высоких температур, особенно во время быстрых циклов зарядки и разрядки. Охлаждение обычно осуществляется двумя способами - пассивным или активным, причем могут применяться обе стратегии. Пассивное охлаждение зависит от движения воздушного потока для охлаждения батареи. В случае с электромобилем это предполагает, что он просто движется по дороге. Однако все может быть сложнее, чем кажется, поскольку датчики скорости воздуха могут быть подключены для стратегической автоматической настройки отклоняющихся воздушных заслонок на оптимальный поток воздуха. Вентилятор с активным контролем температуры может помочь на низких скоростях или при остановке автомобиля, но все, что он может сделать, - это выровнять температуру в салоне с окружающей температурой. В случае жаркого дня это может привести к повышению начальной температуры пакета. В качестве дополнительной системы может быть использовано гидравлическое активное охлаждение, в котором обычно используется этиленгликолевая охлаждающая жидкость с заданным соотношением смеси, циркулирующая с помощью насоса с электродвигателем по трубам/шлангам, распределительным коллекторам, перекрестноточному теплообменнику (радиатору) и охлаждающей пластине, расположенной напротив блока аккумуляторов. Система BMS контролирует температуру во всем блоке и открывает и закрывает многочисленные клапаны, чтобы поддерживать температуру всей батареи в небольшом диапазоне температур для обеспечения оптимальной работы батареи.

Управление потенциалом

Максимальное увеличение емкости блока аккумуляторов - это, пожалуй, одна из самых важных характеристик, которую обеспечивает система BMS. Если не выполнять эту процедуру, аккумуляторная батарея может в конечном итоге стать бесполезной. Суть проблемы заключается в том, что "стек" (последовательный массив элементов) батареи не является абсолютно одинаковым и, естественно, имеет несколько разные показатели утечки или саморазряда. Утечка - это не вина производителя, а химическое свойство батареи, однако на нее могут оказывать статистическое влияние незначительные различия в производственном процессе. Изначально батарея может содержать хорошо подобранные элементы, но со временем сходство между элементами все больше уменьшается, причем не только из-за саморазряда, но и под влиянием циклов заряда/разряда, повышения температуры и общего календарного старения. Учитывая это, вспомним, что ранее мы говорили о том, что литий-ионные батареи работают превосходно, но могут быть довольно жесткими, если с ними обращаться вне жесткого SOA. Ранее мы уже слышали о необходимой электрической защите, поскольку литий-ионные батареи плохо переносят перезарядку. После полной зарядки они не могут получать больше тока, и любая дополнительная энергия, влитая в них, преобразуется в тепло, при этом напряжение может быстро расти, вплоть до смертельного уровня. Это нездоровая среда для ячейки, которая может привести к необратимым повреждениям и ухудшению условий эксплуатации, если это будет продолжаться.

Последовательный набор элементов аккумуляторного блока контролирует общее напряжение блока, и несоответствие между соседними элементами создает проблему при попытке зарядить любой стек. На рисунке 3 показано, почему это так. Если набор ячеек идеально сбалансирован, все хорошо, поскольку каждая из них заряжается одинаково, и зарядный ток может быть отключен при достижении порога отключения напряжения выше 4,0. Однако в случае дисбаланса верхняя ячейка достигнет предела заряда раньше, и зарядный ток придется прервать для ноги, прежде чем другие нижние ячейки будут заряжены до максимальной емкости.

BMS - это то, что приходит на помощь и спасает ситуацию, в данном случае - аккумуляторную батарею. Чтобы продемонстрировать, как это работает, необходимо изложить важную концепцию. Состояние заряда (SOC) элемента или модуля в конкретный момент времени пропорционально доступному заряду по сравнению с общим зарядом при полной зарядке. Таким образом, батарея, находящаяся на уровне 50% SOC, означает, что она заряжена на 50%, что аналогично показателям топливного датчика. Управление емкостью BMS заключается в балансировке колебаний SOC для каждого элемента в блоке. Поскольку SOC не является непосредственно измеряемым числом, его можно рассчитать с помощью множества подходов, а сама схема балансировки обычно делится на две основные группы - пассивную и активную. Существуют различные виды тем, и у каждой разновидности есть свои достоинства и недостатки. Определить, какая из них идеально подходит для конкретного блока батарей и его применения, должен инженер-разработчик BMS. Пассивная балансировка наиболее проста в применении, а также в передаче общего принципа балансировки. Пассивный метод позволяет каждому элементу в стеке иметь такую же заряженную емкость, как и самый слабый элемент. Используя относительно скромный ток, он передает небольшое количество энергии от ячеек с высоким SOC в течение всего цикла зарядки, чтобы все ячейки зарядились до максимального SOC. На рисунке 4 показано, как BMS выполняет эту функцию. Она следит за каждой ячейкой и использует транзисторный переключатель и разрядный резистор соответствующего размера параллельно с каждой ячейкой. Когда BMS чувствует, что определенная ячейка достигает предела заряда, она направляет избыточный ток вокруг нее на следующую ячейку, расположенную ниже, по методу "сверху вниз".

Конечные точки процесса балансировки, до и после, представлены на рисунке 5. По сути, BMS балансирует стек батарей, позволяя элементу или модулю в стеке воспринимать зарядный ток, отличный от тока блока, одним из следующих способов:

Снятие заряда с наиболее заряженных элементов, что обеспечивает запас для дальнейшего зарядного тока во избежание перезарядки и позволяет менее заряженным элементам получить больший зарядный ток.
Перенаправление части или практически всего зарядного тока вокруг наиболее заряженных элементов, что позволяет менее заряженным элементам получать зарядный ток в течение более длительного периода времени.

Типы систем управления аккумуляторами

Системы управления аккумуляторами могут быть самыми разными - от простых до сложных - и включать в себя широкий спектр различных технологий для достижения своей главной цели - "заботы о батарее". Тем не менее, эти системы можно разделить на категории по их топологии, то есть по тому, как они установлены и работают с ячейками или модулями в блоке батарей.

Централизованная архитектура BMS

Имеет одну центральную BMS в блоке батарей. Все батарейные блоки напрямую связаны с центральной BMS. Конструкция централизованной BMS представлена на рисунке 6. Централизованная BMS обладает определенными преимуществами. Она более компактна и, как правило, наиболее доступна по цене, так как используется только одна BMS. Однако у централизованной BMS есть и минусы. Поскольку все батареи подключаются к BMS напрямую, BMS требуется несколько портов для подключения всех батарей. Это приводит к тоннам кабелей, проводов, соединений и т. д. в больших батарейных блоках, что усложняет диагностику и обслуживание.

Модульная топология BMS

Подобно централизованному подходу, BMS разделена на множество реплицированных модулей, каждый из которых имеет специализированный пучок проводов и подключается к соседней части стека батарей. См. рисунок 7. При определенных обстоятельствах эти субмодули BMS могут находиться под контролем главного модуля BMS, задача которого - следить за состоянием субмодулей и соединяться с периферийным оборудованием. Благодаря присущей им гибкости, диагностика и обслуживание не представляют сложности, а расширение до более мощных батарейных блоков не вызывает затруднений. Недостатком является несколько большая общая сумма расходов, а также дублирование ненужной функциональности в зависимости от области применения.

Первичный/подчиненный BMS

Концептуально сопоставима с модульной архитектурой, но в данном случае ведомые устройства ограничены только передачей измерительной информации, в то время как ведущее устройство занимается вычислениями и управлением, а также внешней связью. Поэтому, как и в случае с модульной архитектурой, стоимость может быть ниже, так как функциональность ведомых устройств проще, с предположительно меньшими накладными расходами и меньшим количеством ненужных функций.

Архитектура распределенной BMS

Значительно отличается от других топологий, где электрическое оборудование и программное обеспечение заключены в модули, которые подключаются к ячейкам через пучки соответствующих кабелей. Распределенная BMS включает в себя все электрическое оборудование на плате управления, расположенной непосредственно на контролируемой ячейке или модуле. Таким образом, большая часть кабелей сводится к нескольким проводам датчиков и кабелям связи между соседними блоками BMS. Таким образом, каждая BMS более автономна и выполняет вычисления и коммуникации по мере необходимости. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, такая интегрированная форма делает поиск неисправностей и техническое обслуживание довольно сложным, поскольку они находятся глубоко в блоке щитового модуля. Кроме того, стоимость батарей также выше, поскольку в общей конструкции батарейного блока больше BMS.

Важность систем управления аккумуляторами

Функциональная безопасность имеет первостепенное значение для BMS. Во время зарядки и разрядки необходимо предотвратить выход напряжения, тока и температуры каждого элемента или модуля под диспетчерским контролем за установленные пределы SOA. Если ограничения превышаются в течение определенного периода времени, это не только приводит к ухудшению состояния потенциально дорогостоящего блока батарей, но и может стать причиной смертельно опасного теплового выхода из строя. Кроме того, для защиты литий-ионных батарей и обеспечения функциональной безопасности тщательно контролируются нижние пороговые значения напряжения. Если литий-ионная батарея продолжает находиться в таком низковольтном состоянии, на аноде могут образоваться медные дендриты, что приведет к повышенному уровню саморазряда и создаст потенциальные проблемы с безопасностью. Огромная плотность энергии устройства с литий-ионным питанием цена, которая не оставляет места для ошибок в управлении батареей. Благодаря BMS и достижениям в области литий-ионных аккумуляторов, это одна из самых успешных и безопасных батарей на сегодняшний день.

Производительность аккумуляторного блока - второй по значимости элемент BMS, который включает в себя электрический и тепловой контроль. Чтобы электрически максимизировать общую емкость батареи, все элементы в блоке должны быть сбалансированы, что означает, что SOC близлежащих элементов по всей сборке почти одинаковы. Это особенно важно, поскольку позволяет не только достичь идеальной емкости батареи, но и избежать общего ухудшения состояния и уменьшить количество опасных горячих точек, возникающих при перезарядке слабых элементов. Литий-ионные батареи не следует разряжать ниже пределов низкого напряжения, поскольку это может привести к эффекту памяти и серьезной потере емкости. Электрохимические процессы очень чувствительны к температуре, и батареи не являются исключением. При понижении температуры окружающей среды емкость и доступная энергия батареи резко снижаются. Следовательно, BMS может задействовать внешний линейный нагреватель, работающий, например, в системе жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи электромобиля, или включить резидентные нагревательные пластины, установленные под модулями аккумуляторной батареи, входящей в состав вертолета или другого летательного аппарата. Кроме того, поскольку зарядка холодных литий-ионных элементов негативно сказывается на сроке службы батареи, очень важно сначала правильно повысить температуру батареи. Большинство литий-ионных батарей нельзя быстро заряжать при температуре ниже 5°C, а при температуре ниже 0°C их вообще не следует заряжать. Для достижения максимальной производительности при обычном использовании терморегулятор BMS часто обеспечивает работу батареи в ограниченном диапазоне температур (например, 30-35°C). Это обеспечивает производительность, продлевает срок службы и поддерживает здоровый, надежный аккумуляторный блок.

Преимущества систем управления аккумуляторами

Целая аккумуляторная система хранения энергии, иногда называемая BESS, может состоять из десятков, сотен или даже тысяч литий-ионных элементов, тщательно упакованных вместе, в зависимости от области применения. Такие системы могут иметь номинальное напряжение менее 100 В, но могут достигать и 800 В, а токи питания могут достигать 300 А и выше. Любое неправильное обращение с высоковольтным блоком может привести к катастрофической трагедии, угрожающей жизни. Следовательно, для обеспечения безопасной работы системы BMS жизненно необходимы. Преимущества BMS можно сформулировать следующим образом.

Функциональная безопасность. Конечно, для литий-ионных аккумуляторов большого размера это особенно разумно и необходимо. Но даже меньшие форматы, используемые, например, в компьютерах, как известно, могут загореться и нанести огромный ущерб. Личная безопасность пользователей предметов, использующих литий-ионные системы питания, не позволяет допустить ошибку в управлении батареей.
Срок службы и надежность. Управление защитой батарейного блока, электрической и тепловой, гарантирует, что все элементы используются в пределах установленных требований SOA. Такой точный контроль гарантирует защиту элементов от жестких условий эксплуатации и быстрых циклов зарядки и разрядки, что в конечном итоге приводит к созданию стабильной системы, способной прослужить долгие годы.
Производительность и дальность. Управление емкостью аккумуляторного блока с помощью BMS, при котором происходит балансировка между элементами для выравнивания SOC соседних элементов по всему блоку, что позволяет достичь оптимальной емкости батареи. Без этой функции BMS, учитывающей различия в саморазряде, циклах заряда/разряда, температурных воздействиях и общем старении, аккумуляторная батарея в конечном итоге может оказаться бесполезной.
Диагностика, сбор данных и внешняя коммуникация. Работа по надзору включает в себя непрерывный мониторинг всех элементов батареи, где запись данных может использоваться сама по себе для диагностики, но обычно направлена на задачу расчета 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, прогнозируемой дальности действия или дальности/срока службы в зависимости от текущего потребления, а также для оценки состояния здоровья блока батарей.
Сокращение расходов и гарантийных обязательств. Установка BMS в BESS увеличивает расходы, поскольку аккумуляторные блоки являются дорогостоящими и, возможно, опасными. Чем сложнее система, тем выше требования к безопасности, что приводит к необходимости усиления надзора за BMS. Однако защита и профилактическое обслуживание BMS в отношении функциональной безопасности, срока службы и надежности, производительности и дальности действия, диагностики и т. д. гарантируют снижение общих расходов, в том числе связанных с гарантией.

Системы управления аккумуляторами

Моделирование - важнейший помощник при разработке BMS, особенно когда оно используется для изучения и решения проектных трудностей при разработке аппаратуры, создании прототипов и тестировании. При наличии реалистичной модели литий-ионного элемента, имитационная модель архитектуры BMS является исполняемой спецификацией, признанной виртуальным прототипом. Кроме того, моделирование позволяет безболезненно оценить вариации функций контроля BMS в зависимости от различных условий эксплуатации батареи и окружающей среды. Проблемы реализации могут быть обнаружены и изучены на самом раннем этапе, что позволяет протестировать улучшения производительности и функциональной безопасности до внедрения на реальном аппаратном прототипе. Это сокращает время разработки и позволяет гарантировать, что первоначальный прототип оборудования будет прочным. Кроме того, можно проводить различные испытания на подлинность, включая наихудшие сценарии, для BMS и блока батарей, когда они используются в физически реалистичных приложениях встроенных систем.

Мы предоставляем обширные библиотеки электрических, цифровых, управляющих и тепловых гидравлических моделей, чтобы помочь инженерам, заинтересованным в Конструкция BMS и батарейного блока и разработки. Имеются инструменты для быстрого построения моделей с использованием базовых спецификаций и кривых измерений для многочисленных электрических устройств и различных химических типов батарей. Статистические, стрессовые оценки и оценки неисправностей обеспечивают проверку во всех диапазонах рабочей области, включая пограничные области, чтобы гарантировать общую надежность BMS. Кроме того, приводятся различные примеры проектирования, чтобы помочь пользователям начать проект и быстро получить ответы, необходимые для моделирования.