System zarządzania baterią

System zarządzania baterią ( BMS ) to dowolny system elektroniczny, który zarządza akumulatorem ( ogniwem lub akumulatorem ), na przykład chroniąc akumulator przed działaniem poza jego bezpiecznym obszarem działania ^{[ wymagane wyjaśnienie ]} , monitorując jego stan, obliczając dane wtórne, raportując tych danych, kontrolując ich środowisko, uwierzytelniając je i/lub równoważąc je.

Pakiet akumulatorów zbudowany wraz z systemem zarządzania akumulatorami z zewnętrzną magistralą komunikacyjną to inteligentny zestaw akumulatorów . Inteligentny zestaw baterii musi być ładowany przez inteligentną ładowarkę . ^{[ potrzebne źródło ]}

Funkcje

Obwód bezpieczeństwa dla czteroogniwowych akumulatorów LiFePO4 z balanserem

Monitor

BMS może monitorować stan baterii reprezentowany przez różne elementy, takie jak:

Napięcie : całkowite napięcie, napięcia poszczególnych ogniw lub napięcie okresowych zaczepów
Temperatura : średnia temperatura, temperatura płynu chłodzącego na wlocie, temperatura płynu chłodzącego na wyjściu lub temperatury poszczególnych ogniw
Przepływ chłodziwa: dla akumulatorów chłodzonych cieczą
Prąd : prąd płynący lub wychodzący z akumulatora
Zdrowie poszczególnych komórek
Stan równowagi komórek

Systemy pojazdów elektrycznych: odzyskiwanie energii

BMS będzie również sterował ładowaniem akumulatora poprzez przekierowanie odzyskanej energii (tj. z hamowania odzyskowego ) z powrotem do zestawu akumulatorów (zwykle złożonego z pewnej liczby modułów akumulatorowych, z których każdy składa się z pewnej liczby ogniw).

Systemy zarządzania temperaturą baterii mogą być pasywne lub aktywne, a czynnikiem chłodzącym może być powietrze, ciecz lub jakaś forma przemiany fazowej. Chłodzenie powietrzem jest korzystne w swojej prostocie. Takie systemy mogą być pasywne, polegające wyłącznie na konwekcji otaczającego powietrza lub aktywne, wykorzystujące wentylatory do przepływu powietrza. Komercyjnie Honda Insight i Toyota Prius wykorzystują aktywne chłodzenie powietrzem swoich systemów akumulatorów. Główną wadą chłodzenia powietrzem jest jego nieefektywność. Do obsługi mechanizmu chłodzącego należy użyć dużej mocy, znacznie większej niż aktywne chłodzenie cieczą. Dodatkowe elementy mechanizmu chłodzącego również zwiększają wagę BMS, zmniejszając wydajność akumulatorów używanych do transportu.

Chłodzenie cieczą ma wyższy naturalny potencjał chłodzenia niż chłodzenie powietrzem, ponieważ płynne chłodziwa mają zwykle wyższą przewodność cieplną niż powietrze. Akumulatory mogą być bezpośrednio zanurzone w płynie chłodzącym lub płyn chłodzący może przepływać przez BMS bez bezpośredniego kontaktu z akumulatorem. Chłodzenie pośrednie może potencjalnie powodować duże gradienty temperatury w BMS ze względu na zwiększoną długość kanałów chłodzących. Można to zmniejszyć, pompując chłodziwo szybciej przez system, tworząc kompromis między prędkością pompowania a konsystencją termiczną.

Obliczenie

Dodatkowo BMS może obliczać wartości na podstawie poniższych elementów, takich jak: ^{[ potrzebne źródło ]}

Napięcie : minimalne i maksymalne napięcie ogniwa
Stan naładowania (SoC) lub głębokość rozładowania (DoD), aby wskazać poziom naładowania akumulatora
Stan zdrowia (SoH), różnie definiowana miara pozostałej pojemności baterii jako % pierwotnej pojemności
Stan zasilania (SoP), ilość energii dostępnej w określonym przedziale czasu przy aktualnym zużyciu energii, temperaturze i innych warunkach
Stan bezpieczeństwa (SOS)
Maksymalny prąd ładowania jako limit prądu ładowania (CCL)
Maksymalny prąd rozładowania jako ograniczenie prądu rozładowania (DCL)
Energia [kWh] dostarczona od ostatniego ładowania lub cyklu ładowania
Impedancja wewnętrzna ogniwa (do określenia napięcia obwodu otwartego)
Ładunek [Ah] dostarczony lub zmagazynowany (czasami ta funkcja nazywana jest licznikiem kulombowskim )
Całkowita energia dostarczona od pierwszego użycia
Całkowity czas pracy od pierwszego użycia
Całkowita liczba cykli
Monitorowanie temperatury
Przepływ chłodziwa dla akumulatorów chłodzonych powietrzem lub cieczą

Komunikacja

Centralny kontroler BMS komunikuje się wewnętrznie ze swoim sprzętem działającym na poziomie komórki lub zewnętrznie ze sprzętem wysokiego poziomu, takim jak laptopy lub HMI . ^{[ wymagane wyjaśnienie ]}

Komunikacja zewnętrzna na wysokim poziomie jest prosta i wykorzystuje kilka metod: ^{[ potrzebne źródło ]}

Różne rodzaje komunikacji szeregowej .
po magistrali CAN , powszechnie stosowana w środowiskach motoryzacyjnych.
Różne rodzaje komunikacji bezprzewodowej .

Scentralizowane systemy BMS niskiego napięcia w większości nie mają żadnej komunikacji wewnętrznej.

Rozproszone lub modułowe systemy BMS muszą wykorzystywać wewnętrzną komunikację między komórkami a kontrolerem niskiego poziomu (architektura modułowa) lub kontroler-kontroler (architektura rozproszona). Tego typu komunikacja jest trudna, zwłaszcza w przypadku systemów wysokiego napięcia. Problemem jest przesunięcie napięcia między ogniwami. Sygnał masy pierwszego ogniwa może być o setki woltów wyższy niż sygnał masy drugiego ogniwa. Oprócz protokołów programowych znane są dwa sposoby komunikacji sprzętowej dla układów przesuwnych napięcia, izolator optyczny i komunikacja bezprzewodowa . Kolejnym ograniczeniem komunikacji wewnętrznej jest maksymalna liczba komórek. W przypadku architektury modułowej większość sprzętu jest ograniczona do maksymalnie 255 węzłów. W przypadku systemów wysokonapięciowych kolejnym ograniczeniem jest czas wyszukiwania wszystkich ogniw, ograniczający minimalne prędkości magistrali i tracący część opcji sprzętowych. Koszt systemów modułowych jest istotny, ponieważ może być porównywalny z ceną ogniwa. Kombinacja ograniczeń sprzętowych i programowych daje kilka możliwości komunikacji wewnętrznej:

Izolowana komunikacja szeregowa
bezprzewodowa komunikacja szeregowa

Aby ominąć ograniczenia mocy istniejących kabli USB spowodowane ciepłem z prądu elektrycznego, opracowano protokoły komunikacyjne zaimplementowane w ładowarkach do telefonów komórkowych do negocjowania podwyższonego napięcia, z których najszerzej stosowane to Qualcomm Quick Charge i MediaTek Pump Express . „ VOOC ” firmy Oppo (oznaczony również jako „Dash Charge” z „OnePlus”) zwiększa prąd zamiast napięcia w celu zmniejszenia ciepła wytwarzanego w urządzeniu podczas wewnętrznego przekształcania podwyższonego napięcia w napięcie ładowania na zaciskach akumulatora, co jednak czyni go niekompatybilnym z istniejącymi kablami USB i opiera się na specjalnych wysokoprądowych kablach USB z odpowiednio grubszymi przewodami miedzianymi. Niedawno USB Power Delivery ma na celu stworzenie uniwersalnego protokołu negocjacyjnego między urządzeniami o mocy do 240 watów.

Ochrona

BMS może chronić swoją baterię, uniemożliwiając jej działanie poza bezpiecznym obszarem operacyjnym , na przykład: ^{[ potrzebne źródło ]}

Przeładowanie
Nadmierne rozładowanie
Przetężenie podczas ładowania
Przetężenie podczas rozładowania
Przepięcia podczas ładowania, szczególnie ważne dla ogniw ołowiowo-kwasowych , Li-ion i LiFePO4
Zbyt niskie napięcie podczas rozładowywania, szczególnie ważne dla ogniw Li-ion i LiFePO4
Powyżej temperatury
Ładowanie w niskiej temperaturze
Nadciśnienie ( akumulatory NiMH )
Wykrywanie zwarcia doziemnego lub prądu upływowego (system monitoruje, czy akumulator wysokiego napięcia jest elektrycznie odłączony od jakiegokolwiek obiektu przewodzącego, którego można dotknąć, takiego jak karoseria pojazdu)

BMS może uniemożliwić pracę poza bezpiecznym obszarem pracy akumulatora poprzez:

W tym wewnętrzny przełącznik (taki jak przekaźnik lub mosfet ), który jest otwierany, jeśli akumulator jest używany poza jego bezpiecznym obszarem roboczym
Żądanie od urządzeń, do których podłączony jest akumulator, ograniczenia lub nawet zaprzestania używania lub ładowania akumulatora.
Aktywne kontrolowanie otoczenia, na przykład poprzez grzejniki, wentylatory, klimatyzację lub chłodzenie cieczą

Główny sterownik BMS

Podłączenie akumulatora do obwodu obciążenia

BMS może być również wyposażony w system wstępnego ładowania, który umożliwia bezpieczne podłączenie akumulatora do różnych obciążeń i eliminację nadmiernych prądów rozruchowych obciążających kondensatory.

Połączenie z obciążeniami jest zwykle kontrolowane przez przekaźniki elektromagnetyczne zwane stycznikami. Obwód wstępnego ładowania może być albo rezystorami mocy połączonymi szeregowo z obciążeniami, aż do naładowania kondensatorów. Alternatywnie zasilacz impulsowy podłączony równolegle do obciążeń może służyć do ładowania napięcia obwodu obciążenia do poziomu wystarczająco zbliżonego do napięcia akumulatora, aby umożliwić zamknięcie styczników między akumulatorem a obwodem obciążenia. BMS może mieć obwód, który może sprawdzić, czy przekaźnik jest już zamknięty przed wstępnym ładowaniem (na przykład z powodu spawania), aby zapobiec wystąpieniu prądów rozruchowych.

Balansowy

Rozproszony system zarządzania baterią

Aby zmaksymalizować pojemność akumulatora i zapobiec miejscowemu niedoładowaniu lub przeładowaniu, BMS może aktywnie zapewniać, że wszystkie ogniwa tworzące akumulator są utrzymywane w tym samym napięciu lub stanie naładowania, poprzez równoważenie. BMS może zrównoważyć komórki poprzez:

Marnowanie energii z najbardziej naładowanych ogniw poprzez podłączenie ich do obciążenia (np. poprzez pasywne regulatory )
Tasowanie energii z najbardziej naładowanych ogniw do najmniej naładowanych ogniw ( balansery )
Zmniejszenie prądu ładowania do wystarczająco niskiego poziomu, który nie uszkodzi w pełni naładowanych ogniw, podczas gdy mniej naładowane ogniwa mogą nadal ładować (nie dotyczy ogniw litowo-chemicznych)

Topologie

Kabel Moduł transmisji danych

Komunikacja bezprzewodowa BMS

Technologia BMS różni się złożonością i wydajnością:

Proste regulatory pasywne osiągają równowagę między akumulatorami lub ogniwami, omijając prąd ładowania, gdy napięcie ogniwa osiąga określony poziom. Napięcie ogniwa jest słabym wskaźnikiem SoC ogniwa (a dla niektórych związków chemicznych litu, takich jak LiFePO4 , nie jest to w ogóle wskaźnik), dlatego
_wyrównanie napięć ogniw za pomocą pasywnych regulatorów nie równoważy SoC, co jest celem BMS. Dlatego takie urządzenia, choć z pewnością korzystne, mają poważne ograniczenia w ich skuteczności.
Aktywne regulatory inteligentnie włączają i wyłączają obciążenie w razie potrzeby, ponownie w celu osiągnięcia równowagi. Jeśli tylko napięcie ogniwa jest używane jako parametr włączający aktywne regulatory, obowiązują te same ograniczenia, które podano powyżej dla regulatorów pasywnych.
Kompletny BMS informuje również o stanie baterii na wyświetlaczu i chroni baterię.

Topologie BMS można podzielić na trzy kategorie:

Scentralizowany: pojedynczy kontroler jest podłączony do ogniw akumulatora za pomocą wielu przewodów
Rozproszony: w każdym ogniwie zainstalowana jest płyta BMS, a między baterią a kontrolerem jest tylko jeden kabel komunikacyjny
Modułowość: kilka kontrolerów, z których każdy obsługuje określoną liczbę komórek, z komunikacją między kontrolerami

Scentralizowane BMS są najbardziej ekonomiczne, najmniej rozszerzalne i nękane przez mnogość przewodów. Rozproszone systemy BMS są najdroższe, najprostsze w instalacji i oferują najczystszy montaż. Modułowe systemy BMS oferują kompromis cech i problemów pozostałych dwóch topologii.

Wymagania dotyczące BMS w zastosowaniach mobilnych (takich jak pojazdy elektryczne) i stacjonarnych (takich jak rezerwowe zasilacze UPS w serwerowni ) są zupełnie inne, zwłaszcza w odniesieniu do wymagań związanych z przestrzenią i wagą, dlatego implementacje sprzętowe i programowe muszą być dostosowane do konkretnego zastosowania. W przypadku pojazdów elektrycznych lub hybrydowych BMS jest tylko podsystemem i nie może pracować jako samodzielne urządzenie. Musi komunikować się co najmniej z ładowarką (lub infrastrukturą ładującą), obciążeniem, zarządzaniem temperaturą i podsystemami awaryjnego wyłączania. Dlatego w dobrym projekcie pojazdu BMS jest ściśle zintegrowany z tymi podsystemami. Niektóre małe aplikacje mobilne (takie jak wózki ze sprzętem medycznym, zmotoryzowane wózki inwalidzkie, skutery i wózki widłowe) często mają zewnętrzne urządzenia do ładowania, jednak pokładowy BMS musi nadal być ściśle zintegrowany z zewnętrzną ładowarką.

Stosowane są różne metody równoważenia baterii , niektóre z nich oparte na teorii stanu naładowania .

Zobacz też

Linki zewnętrzne