Системы хранения энергии на батареях находятся в все более требовательных рыночных условиях, обеспечивая широкий спектр применений.Стоит обсудить вопрос о том, как построить систему управления батареями (BMS), обеспечивающую длительный срок службы., универсальность и доступность.
Каждая современная батарея нуждается в системе управления батареей (BMS), которая представляет собой сочетание электроники и программного обеспечения и действует как мозг батареи.В данной статье основное внимание уделяется технологии BMS для стационарных систем хранения энергииНаиболее основными функциями BMS являются обеспечение сбалансированности и безопасности аккумуляторных элементов, а также важная информация, такая как доступная энергия,передается пользователю или подключенным системам.
Балансировка необходима, потому что системы аккумуляторов состоят из сотен, а иногда и тысяч отдельных ячеек, которые имеют несколько разные емкости и сопротивления.Эти различия увеличиваются с течением времени, поскольку клетки разрушаются с разной скоростью.Если ячейки не балансируются хотя бы время от времени, их напряжение скоро будет расходиться до такой степени, что емкость батареи станет непригодной для использования.
Безопасность обеспечивается путем поддержания элементов в безопасных эксплуатационных пределах напряжения, тока и температуры, что особенно важно для литий-ионных батарей.заряжается при очень низких температурах, или подвержены чрезмерному течению или температуре, они могут развить неисправности, которые могут привести к пожарам или взрывам.
Информация, такая как доступная энергия и мощность, не может быть напрямую измерена, что означает, что BMS должен вычислить Эти вычисления называются оценкой состояния, и результаты передаются системам более высокого уровня, включая пользовательские интерфейсы.
Прежде чем мы более подробно рассмотрим соображения проектирования BMS, стоит описать различные типы BMS и отраслевые требования, которые определяют выбор дизайна.Для классификации типов БМС обычно используется балансирующий подход., хотя другие аспекты проектирования играют важную роль, такие как различные подходы к оценке состояния и информационным потокам.
Основная конструкция упаковки
Клетки, или электрохимические клетки, такие как литий-ионные клетки, являются самой маленькой единицей хранения энергии в пакете. Они бывают различных физических размеров, которые напрямую связаны с их емкостью.Минимальное напряжение литий-ионных элементов может быть до 2.5V (для элементов LFP) и максимальное напряжение может достигать 4,3V для химических элементов NMC.
Клетки соединены параллельно, чтобы увеличить максимальный ток, который может быть извлечен из пакета.
Как правило, клетки внутри суперклеток будут самобалансироваться, и нет необходимости управлять ими дальше.Исключения могут включать в себя новые химические вещества, такие как сера лития и химические вещества с плоским состоянием заряда по сравнению с кривыми напряжения, работающими в экстремальных условиях С-скорости, таких как фосфат лития железа.
Суперэлементы соединяются в серии, чтобы сформировать струю.который необходим в приложениях высокой мощности для предотвращения в противном случае чрезвычайно высоких рабочих токов.
При добавлении элементов в конфигурацию батареи, энергоемкость увеличивается, поэтому добавление параллельных элементов в суперэлемент увеличивает энергоемкость батареи,как и подключение дополнительной супер ячейки в серии.
Типы BMS
Балансирующий подход
Пассивное балансирование синхронизирует напряжение ячейки в конце процесса зарядки, рассеивая энергию, которая пошла бы в полностью заряженные ячейки, в виде тепла через резисторы.Преимущество этого подхода заключается в низкой стоимости компонентов электроники.
Недостатки включают в себя то, что все батареи подвергаются одному и тому же току, что означает, что самые слабые серийные батареи ограничивают энергию, мощность, срок службы и безопасность всей батареи.Деградация клеток ускоряется, поскольку ток на более слабых клетках выше по отношению к их емкости, что также может вызвать локальные горячие точки, которые могут привести к снижению мощности батареи или даже к проблемам безопасности.Пассивный BMS может только контролировать ток пакета и прерывать его через выключатель отключения в случае сбоя.
Если реализован двунаправленный поток информации, параметры на уровне системы, такие как эксплуатационные настройки, могут быть изменены с учетом приоритетности либо срока службы батареи, либо производительности.Продолжительность жизни уделяется первоочередному вниманию путем сокращения эксплуатационного окна за счет доступной энергии или мощности, в то время как производительность приоритетно оценивается за счет расширения эксплуатационного окна, в ущерб продолжительности службы батареи.
Активное балансирование обычно осуществляется с помощью обходных цепей с низким током, которые направляют низкие токи зарядки в ячейки, которые еще не заряжены, вместо того, чтобы рассеивать энергию в виде тепла.Основным преимуществом этого подхода является повышение эффективности зарядки, что может быть важно, если доступная энергия зарядки должна использоваться максимально эффективно.активная балансировка не оправдывает дополнительные затраты на компоненты для выгод, которые они приносятКак и при пассивном балансировании, деградация клеток ускоряется более высокими относительными токами на более слабых клетках и могут образовываться горячие точки.
Оценка государства
Оценка состояния заряда (SoC) и состояния здоровья (SoH) основывается на комбинации моделей батареи и алгоритмов оценки.Уровень сложности и точности, которые возможны для оценки состояния и базовых моделей батареи сильно зависит от оборудования, которые мы используем здесь для различения различных подходов.
Интегрированные схемы (IC) используются в большинстве обычных BMS для оценки состояния.Ключевые интегралы проводятся с химическими моделями батарей и алгоритмами оценки состоянияПреимущество IC заключается в том, что они недороги. Недостатки включают ограниченную гибкость и точность проектирования системы. Последнее имеет тенденцию ухудшаться с течением времени.Гибкость проектирования ограничена, потому что IC обычно создаются для определенной химии батареи с определенными спецификациями.
Если химическая структура или спецификации батареи меняются, то IC также необходимо изменить и адаптировать конструкцию. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, которые могут варьироваться в зависимости от производителя, формата и партии,даже для той же химической (ii) ограниченная вычислительная мощность на IC ограничивает сложность и точность алгоритмов оценки состояния и базовых моделей батареи, и (iii) характеристики клеток меняются с течением времени, которые не могут быть захвачены алгоритмами твердопроводных IC, что приводит к увеличению неточности с течением времени.
Микропроцессоры могут быть запрограммированы с более сложными моделями батарей более высокой точности и алгоритмами оценки состояния,которые могут быть отрегулированы с учетом конкретных характеристик и спецификаций ячеекИзменение характеристик ячейки может быть удовлетворено путем обновления параметров алгоритмов оценки состояния и моделей батареи, что обеспечивает более точную производительность с течением времени.Одно и то же оборудование может быть использовано для любого типа батареи химии или производителяНедостатком может быть более высокая стоимость компонента, в зависимости от требуемой функциональности и вычислительной мощности.
Поток информации
Однонаправленный поток информации распространен в большинстве систем аккумуляторов: информационные потоки от BMS к системам более высокого уровня и пользовательским интерфейсам.меньше информации низкого уровня, как правило, доступнаНаиболее важная информация, связанная с безопасностью и производительностью, включает такие показатели, как SoC и SoH.
Двухнаправленный поток информации возможен, если BMS может обрабатывать входы, такие как изменения настройки работы (например, максимальное и минимальное допустимое напряжение ячейки или SoC),или даже обновления моделей батарей или алгоритмов оценки состояния для поддержания их точности, если используются микроконтроллеры.
