Battery Management System (BMS) er en teknologi spesifikt utviklet for å overvåke batteripakker, som er komponenter i battericeller som er elektrisk organisert i en radkolonnematrisekonfigurasjon for å gi et målområde for spenning og strøm for forventede belastningsforhold over en tidsperiode .
Tilsynet gitt av BMS inkluderer vanligvis:
- Overvåking av batteri
- Gi batteribeskyttelse
- Anslå driftsstatusen til batteriet
- Kontinuerlig optimering av batteriytelsen
- Rapporter driftsstatus til eksterne enheter
Her er begrepet 'batteri' betyr hele batteripakken; Imidlertid er overvåkings- og kontrollfunksjoner spesifikt brukt på individuelle batterier eller batteripakker referert til som moduler i hele batteripakken. Oppladbare litiumionbatterier har den høyeste energitettheten og er standardvalget for mange forbrukerbatteripakker, fra bærbare datamaskiner til elektriske kjøretøy. Selv om de presterer bra, kan de være ganske hensynsløse hvis de brukes utenfor det typisk stramme sikre operasjonsområdet (SOA), med resultater som spenner fra skadelig batteriytelse til helt farlige konsekvenser. Stillingsbeskrivelsen til BMS er utvilsomt utfordrende, siden dens generelle kompleksitet og omfang av tilsyn kan involvere flere disipliner som elektrisk, digital, kontroll, termisk og hydraulisk.
Hvordan fungerer batteristyringssystemet?
Det er ingen fast eller unik standard som må vedtas for batteristyringssystemer. Omfanget av teknisk design og egenskapene til implementering er vanligvis relatert til følgende:
- Prisen, kompleksiteten og størrelsen på batteripakker
- Bruken av batterier og eventuelle sikkerhets-, levetids- og garantiproblemer
- Sertifiseringskravene til ulike offentlige forskrifter, hvis funksjonelle sikkerhetstiltak ikke er på plass, er kostnader og straffer avgjørende
BMS har mange designfunksjoner, og batteripakkebeskyttelsesstyring og kapasitetsstyring er to grunnleggende funksjoner. Vi vil her diskutere hvordan disse to funksjonene fungerer. Det er to nøkkelområder for håndtering av batteripakkebeskyttelse: elektrisk beskyttelse, som betyr at batterier ikke kan skades når de brukes utenfor SOA; Termisk beskyttelse, som involverer passiv og/eller aktiv temperaturkontroll for å opprettholde eller bringe batteripakken inn i SOA.
Elektrisk styringsbeskyttelse: strøm
Overvåking av strømmen til batteripakken og spenningen til batteriet eller modulen er en måte å oppnå elektrisk beskyttelse på. Den elektriske SOA til enhver battericelle er begrenset av strøm og spenning. Figur 1 viser et typisk litium-ion-batteri SOA, der et godt designet BMS vil beskytte batteripakken ved å hindre den fra å fungere utenfor produsentens batteriklassifisering. I mange tilfeller kan ytterligere reduksjon brukes innenfor SOA-sikkerhetssonen for å forlenge batteriets levetid.
Litiumion-batterier har ulike grenser for ladestrøm og utladningsstrømgrenser, og begge modusene kan håndtere høyere toppstrømmer, selv om tiden er kort. Batteriprodusenter spesifiserer vanligvis maksimale grenser for kontinuerlig lading og utlading, samt grenser for topplading og utlading. BMS som gir strømbeskyttelse vil definitivt bruke maksimal kontinuerlig strøm. Det kan imidlertid tas hensyn til plutselige endringer i lastforholdene før dette; For eksempel plutselig akselerasjon av elektriske kjøretøy. BMS kan kombinere toppstrømovervåking ved å integrere strømmen og bestemme seg for å redusere den tilgjengelige strømmen eller fullstendig avbryte gruppestrømmen etter Δ-tid. Dette gjør at BMS kan ha nesten øyeblikkelig følsomhet for ekstreme strømtopper, som kortslutningssituasjoner som ikke tiltrekker seg oppmerksomhet fra beboerens sikringer, men kan også tolerere høye toppkrav så lenge de ikke er overdrevne for lenge.
Elektrisk styringsbeskyttelse: spenning
Figur 2 viser at litium-ion-batterier må fungere innenfor et visst spenningsområde. Disse SOA-grensene vil til slutt bli bestemt av de iboende kjemiske egenskapene til det valgte litium-ion-batteriet og temperaturen til batteriet til enhver tid. I tillegg, på grunn av den store mengden strømsykling, utladning på grunn av belastningsbehov og lading fra ulike energikilder som enhver batteripakke gjennomgår, er disse SOA-spenningsbegrensningene ofte ytterligere begrenset for å optimere batterilevetiden. BMS må vite hva disse begrensningene er og ta avgjørelser basert på nærheten til disse tersklene. For eksempel, når man nærmer seg høyspenningsgrensen, kan BMS be om en gradvis reduksjon i ladestrømmen, eller hvis grensen er nådd, kan den be om fullstendig avslutning av ladestrømmen. Imidlertid er denne begrensningen ofte ledsaget av ytterligere iboende spenningshysteresebetraktninger for å forhindre kontrolloscillasjoner angående utkoblingsterskelen. På den annen side, når den nærmer seg lavspenningsgrensen, vil BMS be om kritiske aktive ikke-kompatible belastninger for å redusere gjeldende behov. Når det gjelder elektriske kjøretøy, kan dette oppnås ved å redusere det tillatte dreiemomentet som er tilgjengelig for trekkmotoren. Selvfølgelig skal BMS prioritere førersikkerhet og beskytte batteripakken mot permanent skade.
Termisk styringsbeskyttelse: Temperatur
På overflaten har litium-ion-batterier et bredt driftstemperaturområde, men på grunn av betydelig lavere kjemiske reaksjonshastigheter, reduseres den totale kapasiteten til batteriet ved lave temperaturer. Når det gjelder evne ved lave temperaturer, er deres ytelse faktisk mye bedre enn bly-syre- eller NiMh-batterier; Temperaturstyring er imidlertid avgjørende siden lading under 0 grader C (32 grader F) er fysisk problematisk. Under ladning under frysepunktet kan galvaniseringsfenomenet metallisk litium oppstå på anoden. Dette er en permanent skade som ikke bare fører til reduksjon i kapasitet, men som også øker sannsynligheten for batterisvikt hvis den utsettes for vibrasjoner eller andre stressforhold. BMS kan kontrollere temperaturen på batteripakken gjennom oppvarming og kjøling.
Implementeringen av termisk styring avhenger helt av størrelsen og kostnadene til batteripakken, ytelsesmål, BMS-designstandarder og produktenheter, som kan inkludere hensyn til det geografiske målområdet. Uavhengig av type varmeapparat, er det vanligvis mer effektivt å hente ut energi fra en ekstern vekselstrømkilde eller fra alternative batterier som brukes til å drive varmeren når det er nødvendig. Men hvis den elektriske varmeovnen har moderat strømforbruk, kan energien fra hovedbatteripakken sifoneres for å varme seg selv. Hvis det brukes et varmt hydraulisk system, brukes en elektrisk varmeovn for å varme opp kjølevæsken som pumpes og fordeles gjennom hele komponenten.
Utvilsomt har BMS designingeniører noen ferdigheter i designindustrien for å dryppe termisk energi inn i batteripakker. For eksempel kan ulike kraftelektroniske enheter dedikert til kapasitetsstyring innen BMS slås på. Selv om den ikke er like effektiv som direkte oppvarming, kan den likevel brukes uansett. Avkjøling er spesielt viktig for å minimere ytelsestapet til litiumionbatteripakker. For eksempel, kanskje et gitt batteri fungerer best ved 20 grader C; Hvis emballasjetemperaturen økes til 30 grader C, kan ytelseseffektiviteten reduseres med 20 %. Hvis batteripakken kontinuerlig lades og lades ved en temperatur på 45 grader C (113 grader F), kan ytelsestapet være så høyt som 50 %. Hvis det kontinuerlig utsettes for overopphetede miljøer, spesielt under raske lade- og utladingssykluser, kan batterilevetiden også eldes og degraderes for tidlig. Avkjøling oppnås vanligvis gjennom to metoder, passiv eller aktiv, og begge teknikkene kan brukes. Passiv kjøling er avhengig av luftstrømmens bevegelse for å avkjøle batteriet. Når det gjelder elektriske kjøretøy, betyr dette at de kun kjører på veien. Det kan imidlertid være mer komplekst enn det ser ut, ettersom lufthastighetssensoren kan integreres sammen for å strategisk automatisk justere avbøyningsluftdemningen for å maksimere luftstrømmen. Implementeringen av aktive temperaturkontrollerte vifter kan være nyttig ved lave hastigheter eller når kjøretøyet er stoppet, men alt dette er bare for å holde batteripakken på samme temperatur som omgivelsene rundt. Hvis været er varmt, kan dette øke starttemperaturen på emballasjen. Varm hydraulisk aktiv kjøling kan utformes som et tilleggssystem, typisk ved bruk av etylenglykol kjølevæske med et spesifisert blandingsforhold, sirkulerer gjennom rør/slanger, distribusjonsmanifolder, kryssstrømvarmevekslere (radiatorer) og kjøleplater mot batteripakkekomponenter ved bruk av en elektrisk pumpe. BMS overvåker temperaturen på hele batteripakken og åpner og lukker ulike ventiler for å holde temperaturen på hele batteriet innenfor et smalt temperaturområde for å sikre optimal batteriytelse.
Kapasitetsstyring
Maksimering av kapasiteten til batteripakken kan betraktes som en av de viktigste batteriytelsesegenskapene levert av BMS. Hvis dette vedlikeholdet ikke utføres, kan batteripakken til slutt bli ubrukelig. Roten til problemet ligger i det faktum at "stablingen" av batteripakker (batteriserier) ikke er helt lik og i hovedsak har litt forskjellige lekkasje- eller selvutladingshastigheter. Lekkasje er ikke en defekt fra produsenten, men snarere de kjemiske egenskapene til batteriet, selv om det statistisk kan påvirkes av mindre produksjonsprosessendringer. Til å begynne med kan batteripakker ha godt samsvarende batterier, men over tid reduseres likheten mellom batteriene ytterligere, ikke bare på grunn av selvutlading, men også påvirket av lade-/utladingssykluser, temperaturøkning og generell kalenderaldring. Med dette i tankene, med tanke på den forrige diskusjonen, fungerer litium-ion-batterier godt, men kan være ganske hensynsløse hvis de brukes utenfor streng SOA. Vi har tidligere lært om nødvendig elektrisk beskyttelse, da litium-ion-batterier ikke tåler overlading godt. Når de er fulladet, kan de ikke akseptere mer strøm, all ekstra energi vil bli omdannet til varme, og spenningen kan raskt stige, og potensielt nå farlige nivåer. Dette er ikke en sunn tilstand for celler, og hvis det vedvarer, kan det forårsake permanent skade og usikre driftsforhold.
Seriekoblingen av batterier bestemmer spenningen til hele batteripakken, og misforholdet mellom tilstøtende batterier kan forårsake vanskeligheter når du prøver å lade en hvilken som helst batteripakke. Figur 3 viser hvorfor dette skjer. Hvis en person har et fullstendig balansert sett med batterier, er alt i orden fordi hvert batteri lades på lik måte, og ladestrømmen kan kuttes når den øvre terskelverdien på 4.0 spenning er nådd. Men i en ubalansert situasjon vil toppbatteriet nå ladegrensen før tidsplanen, og ladestrømmen til grenen må avsluttes før andre bunnbatterier lades til full kapasitet.
For å demonstrere dets virkeprinsipp, må en nøkkeldefinisjon forklares. Ladetilstanden (SOC) til et batteri eller en modul på et gitt tidspunkt er direkte proporsjonal med den tilgjengelige effekten i forhold til den totale effekten når den er fulladet. Derfor betyr et batteri på 50 % SOC at det har blitt ladet 50 %, tilsvarende kvalitetsfaktoren til en strømmåler. BMS-kapasitetsstyring er å balansere SOC-endringene for hver stabel i batteripakken. Siden SOC ikke er en direkte målbar størrelse, kan den estimeres gjennom ulike teknikker, og selve balanseringsordningen deles vanligvis inn i to kategorier: passiv og aktiv. Det finnes mange varianter av temaer, hver med sine egne fordeler og ulemper. BMS-designingeniøren bestemmer hvilken som er best egnet for den gitte batteripakken og dens anvendelse. Passiv balanse er lettest å oppnå og kan også forklare det generelle begrepet balanse. Passive metoder gjør at hvert batteri i batteripakken har samme ladekapasitet som det svakeste batteriet. Den bruker relativt lav strøm for å overføre en liten mengde energi fra høye SOC-batterier under ladesyklusen, slik at alle batterier kan lades til maksimal SOC. Figur 4 illustrerer hvordan BMS oppnår dette. Den overvåker hvert batteri og bruker transistorbrytere og utladningsmotstander i passende størrelse parallelt med hvert batteri. Når BMS oppdager at et gitt batteri nærmer seg ladegrensen, vil det lede overskuddsstrømmen rundt det på en ovenfra og ned måte til neste batteri under.
Endepunktene for balanseprosessen før og etter er vist i figur 5. Oppsummert lar BMS batteriene eller modulene i batteripakken se ladestrømmer som er forskjellige fra batteripakkens strøm for å balansere batteripakken gjennom en av følgende metoder:
Fjerning av ladning fra det mest ladede batteriet gir rom for ekstra ladestrøm for å forhindre overlading og lar mindre ladede batterier motta mer ladestrøm
Reposisjonering av noe eller nesten hele ladestrømmen rundt det mest ladede batteriet, slik at mindre ladede batterier mottar ladestrøm i lengre tid
Typer batteristyringssystemer
Batteristyringssystemet kan ta i bruk ulike teknologier fra enkle til komplekse for å oppnå hovedinstruksjonene om å "ta vare på batteriet". Imidlertid kan disse systemene klassifiseres basert på deres topologi, som er relatert til deres installasjon og drift på batteriene eller modulene til hele batteripakken.
Sentralisert BMS-arkitektur
Det er en sentral BMS i batteripakken. Alle batteripakker er direkte koblet til sentral BMS. Strukturen til sentralisert BMS er vist i figur 6. Sentralisert BMS har noen fordeler. Den er mer kompakt og ofte den mest økonomiske fordi det bare er én BMS. Sentralisert BMS har imidlertid også ulemper. På grunn av at alle batterier er direkte koblet til BMS, krever BMS mange porter for å koble til alle batteripakker. Det betyr at det er et stort antall ledninger, kabler, kontakter etc. i store batteripakker, noe som gjør feilsøking og vedlikehold komplisert.
Modulær BMS-topologi
I likhet med sentralisert implementering er BMS delt inn i flere repeterende moduler, hver med en dedikert bunt med ledninger og koblet til tilstøtende utpekte deler av batteripakken. Se figur 7. I noen tilfeller kan disse BMS-undermodulene være under tilsyn av hoved-BMS-modulen, hvis funksjon er å overvåke statusen til undermodulene og kommunisere med perifere enheter. På grunn av gjentatt modularisering er feilsøking og vedlikehold enklere, og det er også enkelt å utvide til større batteripakker. Ulempen er at den totale kostnaden er litt høyere, og det kan være dupliserte ubrukte funksjoner avhengig av applikasjonen.
Primær/sekundær BMS
Imidlertid, konseptuelt lik modulær topologi, i dette tilfellet, er slaveenhetene mer begrenset til kun å videresende måleinformasjon, mens masterenhetene er dedikert til beregning og kontroll så vel som ekstern kommunikasjon. Derfor, selv om de ligner på modulære typer, kan kostnadene være lavere fordi funksjonaliteten til enheten ofte er enklere, kostnadene kan være lavere, og det kan være færre ubrukte funksjoner.
Distribuert BMS-arkitektur
I motsetning til andre topologier, i andre topologier, er elektronisk maskinvare og programvare innkapslet i moduler, som er koblet til batteriet gjennom ledningsnett. Distribuert BMS integrerer all elektronisk maskinvare på et kontrollkort direkte plassert på det overvåkede batteriet eller modulen. Dette reduserer den omfattende kablingen av noen få sensorledninger og kommunikasjonsledninger mellom tilstøtende BMS-moduler. Derfor er hver BMS mer uavhengig og håndterer beregning og kommunikasjon etter behov. Til tross for denne åpenbare enkelheten, gjør imidlertid denne integrerte formen feilsøking og vedlikehold til et potensielt problem ettersom det er plassert dypt inne i de skjermede modulkomponentene. Kostnaden er ofte høyere fordi det er mer BMS i hele batteripakkestrukturen.
Viktigheten av batteristyringssystem
I BMS er funksjonell sikkerhet det viktigste. Det er avgjørende å forhindre at spenningen, strømmen og temperaturen til ethvert batteri eller modul under tilsyn og kontroll overskrider de spesifiserte SOA-grensene under lading og utlading. Hvis grensen overskrides i en periode, vil ikke bare potensielt dyre batteripakker bli påvirket, men det kan også oppstå farlige termiske løpssituasjoner. I tillegg, for å beskytte litium-ion-batterier og sikre funksjonell sikkerhet, kreves det også streng overvåking av nedre spenningsterskelgrenser. Hvis litium-ion-batterier holdes i denne lavspenningstilstanden, kan kobberdendritter til slutt vokse på anoden, noe som kan føre til en økning i selvutladningshastighet og potensielle sikkerhetsproblemer. Kostnaden for høy energitetthet i litium-ion kraftsystemer er at det nesten ikke er rom for batteristyringsfeil. Takket være forbedringer i BMS og litium-ion-batterier, er dette en av de mest vellykkede og sikre batterikjemikaliene som er tilgjengelige i dag.
Ytelsen til batteripakken er den nest viktigste funksjonen til BMS, som involverer elektrisk og termisk styring. For å optimere den totale batterikapasiteten elektrisk, må alle batteriene i batteripakken balanseres, noe som betyr at SOC-en til tilstøtende batterier i hele komponenten er omtrent lik. Dette er veldig viktig fordi det ikke bare oppnår optimal batterikapasitet, men bidrar også til å forhindre omfattende degradering og redusere potensielle hotspots for overlading av svake batterier. Litiumion-batterier bør unngå utlading under lavspenningsgrensen, da dette kan føre til minneeffekter og betydelig kapasitetstap. Elektrokjemiske prosesser er svært følsomme for temperatur, og batterier er intet unntak. Når omgivelsestemperaturen synker, vil kapasiteten og tilgjengelig batterienergi reduseres betydelig. Derfor kan BMS koble til eksterne online-varmere plassert på væskekjølesystemer som batteripakker for elektriske kjøretøy, eller slå på varmeplater som er installert under moduler av batteripakker i helikoptre eller andre fly. I tillegg, siden lading av lavtemperatur-litium-ion-batterier ikke bidrar til batteriets levetid, er det viktig først å øke batteritemperaturen helt. De fleste litium-ion-batterier kan ikke lades raskt under 5 grader C og bør ikke lades i det hele tatt under 0 grader C. For å oppnå optimal ytelse under typisk driftsbruk, sørger BMS termisk styring vanligvis for at batteriet fungerer innenfor et smalt Goldilocks operasjonsområde (f.eks. 30-35 grad C). Dette kan beskytte ytelsen, forlenge levetiden og dyrke sunne og pålitelige batteripakker.
Fordelene med batteristyringssystem
Et komplett batterienergilagringssystem, vanligvis kjent som BESS, kan settes sammen strategisk fra dusinvis, hundrevis eller til og med tusenvis av litium-ion-batterier, avhengig av applikasjonen. Den nominelle spenningen til disse systemene kan være mindre enn 100V, men kan nå opptil 800V, med en batteripakkes strømforsyningsstrømområde på opptil 300A eller mer. Enhver dårlig håndtering av høyspentbatteripakker kan føre til katastrofale katastrofer som setter liv i fare. Derfor er BMS avgjørende for å sikre sikker drift. Fordelene med BMS kan oppsummeres som følger.
Funksjonell sikkerhet.Det sier seg selv at for store litium-ion-batteripakker er dette spesielt forsiktig og nødvendig. Men som kjent kan selv mindre formater som brukes i bærbare datamaskiner ta fyr og forårsake betydelig skade. Den personlige sikkerheten til brukere av produkter som inneholder litium-ion-kraftsystemer gir lite rom for batteriadministrasjonsfeil.
Levetid og pålitelighet.Beskyttelse av batteripakke, elektrisk og termisk, som sikrer at alle batterier brukes innenfor de deklarerte SOA-kravene. Denne subtile kontrollen sikrer sikker bruk og raske lade- og utladingssykluser av batteriet, og genererer uunngåelig et stabilt system som kan gi mange år med pålitelig service.
Ytelse og omfang.BMS batteripakkekapasitetsstyring, som bruker balansering mellom batterier for å balansere SOC for tilstøtende batterier på batteripakkekomponentene, noe som gir optimal batterikapasitet. Uten denne BMS-funksjonen for å vurdere endringer i selvutlading, lade-/utladingssykluser, temperatureffekter og generell aldring, kan batteripakken til slutt bli ubrukelig.
Diagnose, datainnsamling og ekstern kommunikasjon.Overvåkingsoppgaven inkluderer kontinuerlig overvåking av alle battericeller, der selve dataregistreringen kan brukes til diagnose, men brukes vanligvis til beregningsoppgaver for å forutsi SOC for alle batterier i komponenten. Denne informasjonen brukes til å balansere algoritmer, men kan deles med eksterne enheter og skjermer for å indikere tilgjengelig energi fra beboeren, estimere forventet rekkevidde eller rekkevidde/levetid basert på gjeldende bruk, og gi helsestatusen til batteripakken.
Reduser kostnader og garanti.Innføringen av BMS i BESS øker kostnadene, og batteripakken er dyr og potensielt farlig. Jo mer komplekst systemet er, desto høyere sikkerhetskrav, og krever derfor mer BMS-overvåking. Imidlertid sikrer BMS sin beskyttelse og forebyggende vedlikehold når det gjelder funksjonell sikkerhet, levetid og pålitelighet, ytelse og omfang, diagnose osv. at det vil redusere de totale kostnadene, inkludert garantirelaterte kostnader.
Konklusjon
Simulering er en verdifull alliert innen BMS-design, spesielt når den brukes for å utforske og løse designutfordringer innen maskinvareutvikling, prototyping og testing. Med en nøyaktig litium-ion batterimodell er simuleringsmodellen for BMS-arkitektur anerkjent som en kjørbar spesifikasjon for virtuelle prototyper. I tillegg tillater simulering smertefri undersøkelse av varianter av BMS-overvåkingsfunksjoner for ulike batteri- og miljøscenarier. Implementeringsproblemer kan identifiseres og undersøkes tidlig, noe som muliggjør validering av ytelse og funksjonelle sikkerhetsforbedringer før implementering på faktiske maskinvareprototyper. Dette reduserer utviklingstiden og bidrar til å sikre at den første maskinvareprototypen er robust. I tillegg, når de utføres i innebygde systemapplikasjoner, kan mange autentiseringstester utføres på BMS og batteripakker, inkludert worst-case scenarier.