Battery Management System (BMS) er en teknologi, der er specielt designet til at overvåge batteripakker, som er komponenter i battericeller, der er elektrisk organiseret i en række kolonne matrix konfiguration for at give et målområde for spænding og strøm for forventede belastningsforhold over en periode .
Supervisionen leveret af BMS omfatter normalt:
- Overvågning af batteri
- Giv batteribeskyttelse
- Estimer batteriets arbejdsstatus
- Kontinuerlig optimering af batteriets ydeevne
- Rapporter driftsstatus til eksterne enheder
Her er udtrykket 'batteri' betyder hele batteripakken; Overvågnings- og kontrolfunktioner anvendes dog specifikt til individuelle batterier eller batteripakker, der betegnes som moduler i hele batteripakken. Lithium-ion genopladelige batterier har den højeste energitæthed og er standardvalget for mange forbrugerbatteripakker, fra bærbare computere til elektriske køretøjer. Selvom de klarer sig godt, kan de være ret hensynsløse, hvis de betjenes uden for det typisk stramme sikre operationsområde (SOA), med resultater, der spænder fra ødelæggende batteriydelse til helt farlige konsekvenser. Jobbeskrivelsen af BMS er uden tvivl udfordrende, da dens overordnede kompleksitet og omfang af supervision kan involvere flere discipliner såsom elektrisk, digital, kontrol, termisk og hydraulisk.
Hvordan fungerer batteristyringssystemet?
Der er ingen fast eller unik standard, der skal vedtages for batteristyringssystemer. Omfanget af teknisk design og implementeringens karakteristika er normalt relateret til følgende:
- Prisen, kompleksiteten og størrelsen af batteripakker
- Anvendelsen af batterier og eventuelle problemer med sikkerhed, levetid og garanti
- Certificeringskravene i forskellige regeringsbestemmelser, hvis funktionelle sikkerhedsforanstaltninger ikke er på plads, er omkostninger og sanktioner afgørende
BMS har mange designfunktioner, og batteripakkebeskyttelsesstyring og kapacitetsstyring er to grundlæggende funktioner. Vi vil her diskutere, hvordan disse to funktioner fungerer. Der er to nøgleområder inden for styring af batteripakkebeskyttelse: elektrisk beskyttelse, hvilket betyder, at batterier ikke må blive beskadiget, når de bruges uden for SOA; Termisk beskyttelse, som involverer passiv og/eller aktiv temperaturkontrol for at vedligeholde eller bringe batteripakken ind i SOA.
Elektrisk styringsbeskyttelse: strøm
Overvågning af batteripakkens strøm og batteriets eller modulets spænding er en måde at opnå elektrisk beskyttelse på. Den elektriske SOA for enhver battericelle er begrænset af strøm og spænding. Figur 1 viser et typisk lithium-ion batteri SOA, hvor en veldesignet BMS vil beskytte batteripakken ved at forhindre den i at fungere uden for producentens batteriklassificering. I mange tilfælde kan yderligere derating anvendes inden for SOA-sikkerhedszonen for at forlænge batteriets levetid.
Lithium-ion-batterier har forskellige ladestrømgrænser og afladningsstrømgrænser, og begge tilstande kan håndtere højere spidsstrømme, selvom tiden er kort. Batteriproducenter specificerer typisk maksimale kontinuerlige opladnings- og afladningsstrømgrænser, såvel som maksimale opladnings- og afladningsspændingsgrænser. BMS, der giver strømbeskyttelse, vil helt sikkert anvende maksimal kontinuerlig strøm. Der kan dog tages højde for pludselige ændringer i belastningsforholdene før dette; For eksempel pludselig acceleration af elektriske køretøjer. BMS kan kombinere spidsstrømsovervågning ved at integrere strømmen og beslutte at reducere den tilgængelige strøm eller fuldstændig afbryde gruppestrømmen efter Δ tid. Dette gør det muligt for BMS at have næsten øjeblikkelig følsomhed over for ekstreme strømspidser, såsom kortslutningssituationer, der ikke tiltrækker opmærksomhed fra beboerens sikringer, men kan også tolerere høje spidskrav, så længe de ikke er overdrevne for længe.
Elektrisk styringsbeskyttelse: spænding
Figur 2 viser, at lithium-ion-batterier skal fungere inden for et bestemt spændingsområde. Disse SOA-grænser vil i sidste ende blive bestemt af det valgte lithium-ion-batteris iboende kemiske egenskaber og batteriets temperatur på et givet tidspunkt. På grund af den store mængde strømcykling, afladning på grund af belastningsbehov og opladning fra forskellige energikilder, som enhver batteripakke gennemgår, er disse SOA-spændingsbegrænsninger ofte yderligere begrænset for at optimere batteriets levetid. BMS skal vide, hvad disse begrænsninger er, og træffe beslutninger baseret på nærheden af disse tærskler. Når f.eks. højspændingsgrænsen nærmer sig, kan BMS anmode om et gradvist fald i ladestrømmen, eller hvis grænsen er nået, kan den anmode om en fuldstændig afbrydelse af ladestrømmen. Denne begrænsning er imidlertid ofte ledsaget af yderligere iboende spændingshystereseovervejelser for at forhindre kontroloscillationer vedrørende tærsklen for slukket. På den anden side, når den nærmer sig lavspændingsgrænsen, vil BMS anmode om kritiske aktive ikke-kompatible belastninger for at reducere deres nuværende efterspørgsel. I tilfælde af elektriske køretøjer kan dette opnås ved at reducere det tilladte drejningsmoment, der er tilgængeligt for trækmotoren. BMS skal naturligvis prioritere førersikkerhed og beskytte batteripakken mod permanent skade.
Termisk styringsbeskyttelse: Temperatur
På overfladen har lithium-ion-batterier et bredt driftstemperaturområde, men på grund af væsentligt langsommere kemiske reaktionshastigheder falder batteriets samlede kapacitet ved lave temperaturer. Med hensyn til evner ved lave temperaturer er deres ydeevne faktisk meget bedre end bly-syre- eller NiMh-batterier; Temperaturstyring er dog afgørende, da opladning under 0 grader C (32 grader F) er fysisk problematisk. Under opladning under frysepunktet kan galvaniseringsfænomenet metallisk lithium forekomme på anoden. Dette er en permanent skade, der ikke kun fører til et fald i kapaciteten, men også øger sandsynligheden for batterifejl, hvis det udsættes for vibrationer eller andre stressforhold. BMS kan styre temperaturen på batteripakken gennem opvarmning og afkøling.
Implementeringen af termisk styring afhænger helt af størrelsen og omkostningerne til batteripakken, ydeevnemål, BMS-designstandarder og produktenheder, som kan omfatte overvejelser for det geografiske målområde. Uanset typen af varmelegeme, er det normalt mere effektivt at udvinde energi fra en ekstern vekselstrømskilde eller fra alternative batterier, der bruges til at betjene varmeren, når det er nødvendigt. Men hvis elvarmeren har moderat strømforbrug, kan energien fra hovedbatteripakken suges til sig selv. Hvis der anvendes et varmt hydraulisk system, bruges en elektrisk varmelegeme til at opvarme kølevæsken, der pumpes og fordeles gennem hele komponenten.
Uden tvivl har BMS designingeniører nogle færdigheder i designindustrien til at dryppe termisk energi ind i batteripakker. For eksempel kan forskellige strømelektroniske enheder dedikeret til kapacitetsstyring inden for BMS tændes. Selvom det ikke er så effektivt som direkte opvarmning, kan det stadig bruges uanset hvad. Køling er særlig vigtig for at minimere ydeevnetabet af lithium-ion batteripakker. For eksempel fungerer et givet batteri måske bedst ved 20 grader C; Hvis emballagetemperaturen øges til 30 grader C, kan dens ydeevne falde med 20 %. Hvis batteripakken kontinuerligt oplades og genoplades ved en temperatur på 45 grader C (113 grader F), kan ydeevnetabet være så højt som 50 %. Hvis det konstant udsættes for overophedede miljøer, især under hurtige opladnings- og afladningscyklusser, kan batteriets levetid også ældes og nedbrydes for tidligt. Køling opnås normalt gennem to metoder, passiv eller aktiv, og begge teknikker kan bruges. Passiv køling er afhængig af luftstrømmens bevægelse for at afkøle batteriet. Hvad angår elbiler, betyder det, at de kun kører på vejen. Det kan dog være mere komplekst, end det ser ud, da lufthastighedssensoren kan integreres sammen for strategisk automatisk at justere afbøjningsluftdæmningen for at maksimere luftstrømmen. Implementeringen af aktive temperaturkontrollerede blæsere kan være nyttig ved lave hastigheder, eller når køretøjet er standset, men alt dette er blot for at holde batteripakken på samme temperatur som det omgivende miljø. Hvis vejret er varmt, kan dette øge emballagens begyndelsestemperatur. Varm hydraulisk aktiv køling kan designes som et supplerende system, typisk ved hjælp af ethylenglycol kølevæske med et specificeret blandingsforhold, cirkulerende gennem rør/slanger, fordelingsmanifolder, krydsstrømsvarmevekslere (radiatorer) og køleplader mod batteripakkekomponenter ved hjælp af en elektrisk pumpe. BMS overvåger temperaturen på hele batteripakken og åbner og lukker forskellige ventiler for at holde temperaturen på hele batteriet inden for et snævert temperaturområde for at sikre optimal batteriydelse.
Kapacitetsstyring
Maksimering af batteripakkens kapacitet kan betragtes som en af de vigtigste batteriydelsesegenskaber leveret af BMS. Hvis denne vedligeholdelse ikke udføres, kan batteripakken i sidste ende blive ubrugelig. Roden til problemet ligger i, at "stablingen" af batteripakker (batteriserie-arrays) ikke er fuldstændig ens og i det væsentlige har lidt forskellige lækage- eller selvafladningshastigheder. Lækage er ikke en defekt fra producenten, men snarere batteriets kemiske egenskaber, selvom det statistisk kan være påvirket af mindre ændringer i fremstillingsprocessen. Til at begynde med kan batteripakker have godt matchede batterier, men over tid falder ligheden mellem batterier yderligere, ikke kun på grund af selvafladning, men også påvirket af opladnings-/afladningscyklusser, temperaturstigning og generel ældning i kalenderen. Med dette i tankerne, mindes den tidligere diskussion, fungerer lithium-ion-batterier godt, men kan være ret hensynsløse, hvis de betjenes uden for streng SOA. Vi har tidligere lært om den nødvendige elektriske beskyttelse, da lithium-ion-batterier ikke kan klare overopladning godt. Når de er fuldt opladet, kan de ikke acceptere mere strøm, eventuel yderligere energi vil blive omdannet til varme, og spændingen kan hurtigt stige og potentielt nå farlige niveauer. Dette er ikke en sund tilstand for celler, og hvis det fortsætter, kan det forårsage permanent skade og usikre driftsforhold.
Serieforbindelsen af batterisystemer bestemmer spændingen af hele batteripakken, og uoverensstemmelsen mellem tilstødende batterier kan forårsage vanskeligheder, når du forsøger at oplade en hvilken som helst batteripakke. Figur 3 viser, hvorfor dette sker. Hvis en person har et fuldstændigt afbalanceret sæt batterier, så er alt i orden, fordi hvert batteri oplades på ensartet måde, og ladestrømmen kan afbrydes, når den øvre tærskel for spændingen på 4.0 er nået. Men i en ubalanceret situation vil topbatteriet nå sin opladningsgrænse før tidsplanen, og grenens ladestrøm skal afsluttes, før andre bundbatterier oplades til fuld kapacitet.
For at demonstrere dets funktionsprincip skal en nøgledefinition forklares. Ladningstilstanden (SOC) for et batteri eller et modul på et givet tidspunkt er direkte proportional med den tilgængelige strøm i forhold til den samlede effekt, når den er fuldt opladet. Derfor betyder et batteri på 50 % SOC, at det er blevet opladet 50 %, svarende til kvalitetsfaktoren for en strømmåler. BMS-kapacitetsstyring er at balancere SOC-ændringerne for hver stak i batteripakken. Da SOC ikke er en direkte målbar størrelse, kan den estimeres gennem forskellige teknikker, og selve balanceringsordningen er normalt opdelt i to kategorier: passiv og aktiv. Der er mange variationer af temaer, hver med sine egne fordele og ulemper. BMS-designeren beslutter, hvilken der er bedst egnet til den givne batteripakke og dens anvendelse. Passiv balance er den letteste at opnå og kan også forklare det generelle balancebegreb. Passive metoder gør det muligt for hvert batteri i batteripakken at have samme ladekapacitet som det svageste batteri. Den bruger relativt lav strøm til at overføre en lille mængde energi fra høje SOC-batterier under opladningscyklussen, så alle batterier kan oplades til deres maksimale SOC. Figur 4 illustrerer, hvordan BMS opnår dette. Den overvåger hvert batteri og bruger transistorkontakter og passende størrelse afladningsmodstande parallelt med hvert batteri. Når BMS'en registrerer, at et givent batteri nærmer sig sin opladningsgrænse, vil det lede den overskydende strøm omkring det på en top-down måde til det næste batteri nedenfor.
Slutpunkterne for balanceringsprocessen før og efter er vist i figur 5. Sammenfattende tillader BMS batterierne eller modulerne i batteripakken at se ladestrømme, der er forskellige fra batteripakkens strøm for at balancere batteripakken gennem en af følgende metoder:
Fjernelse af ladningen fra det mest opladede batteri giver frihøjde til yderligere ladestrøm for at forhindre overopladning og tillader mindre opladede batterier at modtage mere ladestrøm
Repositionering af noget eller næsten hele ladestrømmen omkring det mest opladede batteri, så mindre opladede batterier kan modtage ladestrøm i længere tid
Typer af batteristyringssystemer
Batteristyringssystemet kan anvende forskellige teknologier fra simple til komplekse for at opnå dets vigtigste instruktioner om at "tage sig af batteriet". Disse systemer kan dog klassificeres baseret på deres topologi, som er relateret til deres installation og drift på batterierne eller modulerne i hele batteripakken.
Centraliseret BMS-arkitektur
Der er en central BMS i batteripakken. Alle batteripakker er direkte forbundet til det centrale BMS. Strukturen af centraliseret BMS er vist i figur 6. Centraliseret BMS har nogle fordele. Den er mere kompakt og ofte den mest økonomiske, fordi der kun er én BMS. Centraliseret BMS har dog også ulemper. Da alle batterier er direkte forbundet til BMS'en, kræver BMS'en mange porte for at forbinde alle batteripakker. Det betyder, at der er et stort antal ledninger, kabler, stik osv. i store batteripakker, hvilket gør fejlfinding og vedligeholdelse kompleks.
Modulær BMS topologi
I lighed med centraliseret implementering er BMS opdelt i flere gentagne moduler, hver med et dedikeret bundt af ledninger og forbundet til tilstødende udpegede dele af batteripakken. Se figur 7. I nogle tilfælde kan disse BMS-undermoduler være under overvågning af BMS-hovedmodulet, hvis funktion er at overvåge undermodulernes status og kommunikere med perifere enheder. Grundet gentagen modularisering er fejlfinding og vedligeholdelse nemmere, og det er også nemt at udvide til større batteripakker. Ulempen er, at de samlede omkostninger er lidt højere, og der kan være dublerede ubrugte funktioner afhængigt af applikationen.
Primær/sekundær BMS
I dette tilfælde er slave-enhederne imidlertid mere begrænset til kun at videresende måleinformation, mens master-enhederne er dedikeret til beregning og kontrol samt ekstern kommunikation. Derfor, selvom de ligner modulære typer, kan omkostningerne være lavere, fordi enhedens funktionalitet ofte er enklere, overhead kan være lavere, og der kan være færre ubrugte funktioner.
Distribueret BMS-arkitektur
I modsætning til andre topologier er elektronisk hardware og software i andre topologier indkapslet i moduler, som er forbundet til batteriet gennem ledningsnet. Distribueret BMS integrerer al elektronisk hardware på et styrekort, der er placeret direkte på det overvågede batteri eller modul. Dette reducerer den omfattende ledningsføring af nogle få sensorledninger og kommunikationsledninger mellem tilstødende BMS-moduler. Derfor er hver BMS mere uafhængig og håndterer beregning og kommunikation efter behov. På trods af denne åbenlyse enkelhed gør denne integrerede form dog fejlfinding og vedligeholdelse til et potentielt problem, da det er placeret dybt inde i de afskærmede modulkomponenter. Omkostningerne er ofte højere, fordi der er flere BMS i hele batteripakkens struktur.
Vigtigheden af batteristyringssystem
I BMS er funktionel sikkerhed det vigtigste. Det er afgørende at forhindre, at spændingen, strømmen og temperaturen af ethvert batteri eller modul under overvågning og kontrol overskrider de specificerede SOA-grænser under opladning og afladning. Hvis grænsen overskrides i en periode, vil ikke kun potentielt dyre batteripakker blive påvirket, men der kan også være farlige termiske løbsk situationer. For at beskytte lithium-ion-batterier og sikre funktionel sikkerhed kræves der desuden streng overvågning af nedre spændingsgrænser. Hvis lithium-ion-batterier holdes i denne lavspændingstilstand, kan kobberdendritter i sidste ende vokse på anoden, hvilket kan føre til en stigning i selvafladningshastigheden og potentielle sikkerhedsproblemer. Omkostningerne ved høj energitæthed i lithium-ion-strømsystemer er, at der næsten ikke er plads til batteristyringsfejl. Takket være forbedringer i BMS og lithium-ion-batterier er dette et af de mest succesrige og sikre batterikemikalier, der findes i dag.
Batteripakkens ydeevne er den næstvigtigste funktion af BMS, som involverer elektrisk og termisk styring. For at optimere den samlede batterikapacitet elektrisk, skal alle batterier i batteripakken være afbalancerede, hvilket betyder, at SOC for tilstødende batterier i hele komponenten er nogenlunde ens. Dette er meget vigtigt, fordi det ikke kun opnår optimal batterikapacitet, men også hjælper med at forhindre udbredt nedbrydning og reducere potentielle hotspots for overopladning af svage batterier. Lithium-ion-batterier bør undgå afladning under lavspændingsgrænsen, da dette kan føre til hukommelseseffekter og betydeligt kapacitetstab. Elektrokemiske processer er meget følsomme over for temperatur, og batterier er ingen undtagelse. Når den omgivende temperatur falder, vil kapaciteten og den tilgængelige batterienergi falde betydeligt. Derfor kan BMS tilslutte eksterne onlinevarmere placeret på væskekølesystemer såsom batteripakker til elektriske køretøjer, eller tænde for beboede varmeplader installeret under moduler af batteripakker i helikoptere eller andre fly. Da opladning af lithium-ion-batterier med lav temperatur ikke er befordrende for batteriets levetid, er det desuden vigtigt først at øge batteritemperaturen helt. De fleste lithium-ion-batterier kan ikke oplades hurtigt under 5 grader C og bør slet ikke oplades under 0 grader C. For at opnå optimal ydeevne under typisk driftsbrug sikrer BMS termisk styring typisk, at batteriet fungerer inden for et smalt Guldlok operationsområde (f.eks. 30-35 grad C). Dette kan beskytte ydeevnen, forlænge levetiden og dyrke sunde og pålidelige batteripakker.
Fordelene ved batteristyringssystem
Et komplet batterienergilagringssystem, almindeligvis kendt som BESS, kan samles strategisk af snesevis, hundredvis eller endda tusindvis af lithium-ion-batterier, afhængigt af applikationen. Den nominelle spænding af disse systemer kan være mindre end 100V, men kan nå op til 800V, med en batteripakkes strømforsyningsstrømområde på op til 300A eller mere. Enhver dårlig håndtering af højspændingsbatteripakker kan føre til katastrofale katastrofer, der bringer liv i fare. Derfor er BMS afgørende for at sikre sikker drift. Fordelene ved BMS kan opsummeres som følger.
Funktionel sikkerhed.Det siger sig selv, at for store lithium-ion-batteripakker er dette særligt forsigtigt og nødvendigt. Men som bekendt kan selv mindre formater brugt i bærbare computere gå i brand og forårsage betydelig skade. Den personlige sikkerhed for brugere af produkter, der indeholder lithium-ion-strømsystemer, giver ikke meget plads til batteristyringsfejl.
Levetid og pålidelighed.Styring af batteripakkebeskyttelse, elektrisk og termisk, der sikrer, at alle batterier bruges inden for de erklærede SOA-krav. Denne subtile overvågning sikrer sikker brug og hurtige op- og afladningscyklusser af batteriet og genererer uundgåeligt et stabilt system, der kan give mange års pålidelig service.
Ydeevne og omfang.BMS batteripakkekapacitetsstyring, som bruger balance mellem batterier til at afbalancere SOC for tilstødende batterier på batteripakkens komponenter, hvilket giver mulighed for optimal batterikapacitet. Uden denne BMS-funktion til at overveje ændringer i selvafladning, opladnings-/afladningscyklusser, temperatureffekter og generel ældning, kan batteripakken i sidste ende blive ubrugelig.
Diagnose, dataindsamling og ekstern kommunikation.Supervisionsopgaven omfatter løbende overvågning af alle battericeller, hvor selve dataregistreringen kan bruges til diagnose, men bruges typisk til beregningsopgaver for at forudsige SOC'en for alle batterier i komponenten. Disse oplysninger bruges til at afbalancere algoritmer, men kan deles med eksterne enheder og skærme for at angive tilgængelig energi fra beboeren, estimere forventet rækkevidde eller rækkevidde/levetid baseret på aktuelt forbrug og give batteripakkens sundhedsstatus.
Reducer omkostninger og garanti.Indførelsen af BMS i BESS øger omkostningerne, og batteripakken er dyr og potentielt farlig. Jo mere komplekst systemet er, desto højere sikkerhedskrav er der derfor behov for mere BMS-overvågning. BMS's beskyttelse og forebyggende vedligeholdelse med hensyn til funktionel sikkerhed, levetid og pålidelighed, ydeevne og omfang, diagnose osv. sikrer dog, at det vil reducere de samlede omkostninger, herunder garantirelaterede omkostninger.
Konklusion
Simulering er en værdifuld allieret inden for BMS-design, især når det anvendes til at udforske og løse designudfordringer inden for hardwareudvikling, prototyping og test. Med en nøjagtig lithium-ion batterimodel anerkendes simuleringsmodellen af BMS-arkitektur som en eksekverbar specifikation for virtuelle prototyper. Derudover giver simulering mulighed for smertefri undersøgelse af varianter af BMS-overvågningsfunktioner for forskellige batteri- og miljøscenarier. Implementeringsproblemer kan identificeres og undersøges tidligt, hvilket giver mulighed for validering af ydeevne og funktionelle sikkerhedsforbedringer før implementering på faktiske hardwareprototyper. Dette reducerer udviklingstiden og er med til at sikre, at den første hardwareprototype er robust. Derudover, når de udføres i indlejrede systemapplikationer, kan mange autentificeringstest udføres på BMS og batteripakker, inklusive worst-case scenarier.