Знаете ли вы, что система управления аккумулятором (BMS) защищает элементы от опасных условий, которые могут привести к тепловому разгону и возгоранию? Эта важнейшая технология защищает современные аккумуляторные батареи, особенно литий-ионные. Эти элементы обладают самой высокой плотностью энергии, но требуют тщательного контроля.Литий-ионный
Система управления аккумуляторными батареями (BMS) отслеживает напряжение, ток и температуру для обеспечения безопасной работы аккумуляторов. Эти интеллектуальные системы могут работать с аккумуляторными батареями напряжением от 100 до 800 В, а потребляемый ток имеет большое значение, достигая 300 А. BMS не просто контролирует заряд аккумулятора, но и защищает его от перезаряда и глубокого разряда, одновременно повышая его производительность.
Инженерам, работающим с системами управления литиевыми аккумуляторами, необходимо хорошо понимать принципы балансировки ячеек. Система BMS поддерживает баланс заряда между отдельными ячейками, используя активные и пассивные методы. Это значительно увеличивает срок службы и эффективность аккумулятора. Сбалансированная система предотвращает деградацию и обеспечивает максимальную ёмкость аккумулятора.
В этой статье мы рассмотрим, как технология BMS взаимодействует с такими системами автомобиля, как терморегулирование и зарядная инфраструктура. Кроме того, мы рассмотрим, как предиктивная аналитика и машинное обучение меняют подход к системам управления аккумуляторами. Эти достижения позволяют более эффективно контролировать состояние и производительность аккумуляторов.
Понимание того, что такое система управления батареями (BMS)
Image Source: ResearchGate
Система управления аккумуляторными батареями (BMS) действует как электронный мозг современных аккумуляторных батарей. Она контролирует и управляет жизненно важными функциями, оптимизируя производительность и безопасность. BMS предлагает больше, чем просто модули защиты (PCM). Она предоставляет полный набор функций управления, которые продлевают срок службы аккумуляторных батарей и предотвращают опасные сбои.
Определение BMS и основных функций
Система управления аккумулятором — это электронная система, которая заботится об аккумуляторах. Она отслеживает их работу, рассчитывает их состояние, собирает данные, контролирует условия окружающей среды и обеспечивает их безопасную эксплуатацию на протяжении всего срока службы. Генеральный директор Mercedes Дитер Цетше точно выразился: «Интеллект аккумулятора заключается не в ячейке, а в сложной аккумуляторной системе».
Основные функции BMS включают в себя:
- Мониторинг и защита – Система BMS отслеживает напряжение, ток и температуру как на уровне ячеек, так и на уровне аккумуляторных батарей. Этот постоянный мониторинг предотвращает выход аккумуляторов за пределы безопасных значений. Это первая защита от повреждений или сбоев.
- Оценка состояния – система рассчитывает важные показатели аккумулятора, такие как уровень заряда (SoC), состояние работоспособности (SoH) и остаточная ёмкость. SoC работает как индикатор уровня заряда, а SoH показывает, насколько хорошо аккумулятор работает по сравнению с новым состоянием.
- Балансировка ячеек – Ячейки аккумулятора со временем достигают разного уровня заряда. Система BMS обеспечивает равномерный заряд и разряд. Она либо рассеивает энергию из полностью заряженных ячеек, либо распределяет её между ними.
- Управление температурой – система BMS управляет системами отопления и охлаждения, поддерживая аккумуляторы в идеальном температурном режиме. Это важно, поскольку экстремальные температуры влияют на производительность аккумуляторов и срок их службы.
- Связь – Современные системы управления аккумуляторными батареями обмениваются важными эксплуатационными данными с другими устройствами. Это обеспечивает диагностику и системную интеграцию.
Система BMS защищает и оптимизирует работу аккумуляторной батареи. Без неё аккумуляторы, особенно литий-ионные, быстро выходят из строя и могут стать опасными.
Важность BMS в литий-ионных аккумуляторах
Литий-ионные аккумуляторы лидируют на рынке высокоэнергетических приложений благодаря своей исключительной плотности энергии. Эти преимущества сопряжены с рисками, требующими продуманного управления. Правильно спроектированная система управления аккумуляторными батареями (BMS) не просто полезна, она жизненно важна для работы литий-ионных аккумуляторов.
Безопасность обуславливает необходимость использования системы управления аккумулятором (BMS) в литий-ионных аккумуляторах. Эти аккумуляторы плохо переносят условия, выходящие за пределы безопасного диапазона. Они могут загореться или взорваться при перезаряде, глубоком разряде, воздействии высоких токов или использовании при экстремальных температурах. Это называется тепловым разгоном. BMS обеспечивает дополнительную защиту, отслеживая ключевые параметры и отключая аккумулятор при превышении допустимых значений.
Система BMS также продлевает срок службы аккумуляторов. Она балансирует заряд ячеек, чтобы более слабые не снижали производительность аккумулятора и не выходили из строя быстрее. Предотвращая глубокий разряд и перезаряд, система защищает от распространённых причин необратимой потери ёмкости.
Литий-ионные аккумуляторы требуют точного контроля. Большинство литиевых элементов работают при напряжении от 10.5 до 14.8 В. Они не могут заряжаться при температуре ниже 0°C или выше 55°C и работают только при температуре от -20°C до 60°C. Система управления аккумуляторными батареями (BMS) строго следит за соблюдением этих ограничений для обеспечения безопасности.
Измерение оставшегося заряда аккумуляторов не так просто, как проверка уровня топлива в баке. Система управления аккумуляторными батареями использует передовые алгоритмы для определения уровня заряда аккумулятора (SoC) и уровня заряда аккумулятора (SoH). Создание точных измерительных технологий остаётся сложной задачей в отрасли.
Системы управления аккумуляторами совершенствуются всё быстрее. По мере развития технологий аккумуляторов, появления новых материалов и химических составов, возможности систем управления аккумуляторами (BMS) должны расширяться. Они должны решать новые задачи, одновременно более точно управляя сложными аккумуляторными системами.
Ключевые компоненты системы управления аккумуляторными батареями
Image Source: Encyclopedia.pub
Эффективная система управления аккумуляторными батареями (BMS) требует аппаратных компонентов, которые совместно контролируют, защищают и оптимизируют работу аккумулятора. Эти компоненты действуют как глаза и уши системы. Они собирают важные данные, помогающие принимать обоснованные решения относительно безопасности и долговечности аккумуляторов.
Цепи контроля напряжения
Схемы контроля напряжения отслеживают разность потенциалов между отдельными ячейками аккумуляторной батареи. Эти схемы измеряют напряжение, чтобы система управления аккумуляторными батареями (BMS) могла поддерживать его на необходимом уровне для безопасности и эффективности. Мой опыт показывает, что точный контроль напряжения позволяет BMS выполнять необходимую балансировку ячеек, обеспечивая равномерное распределение заряда во всех ячейках.напряжение с высокой точностью
Эти устройства мониторинга рассчитывают состояние заряда (SOC) и защищают от опасного перезаряда или глубокого разряда. Большинство схем мониторинга напряжения используют специализированные аналого-цифровые преобразователи, которые могут измерять напряжение нескольких ячеек одновременно с высокой точностью.
Дифференциальные операционные усилители часто измеряют напряжение отдельных ячеек. Эти усилители сравнивают напряжение между двумя выводами — инвертирующим и неинвертирующим — и усиливают разницу. Система управления аккумуляторными батареями (BMS) использует эти точные показания напряжения для принятия решений по управлению.
Модули измерения тока
Модули измерения тока измеряют ток, входящий и исходящий из аккумуляторной батареи. Они работают совместно с основным предохранителем, защищая всю батарею от перегрузки по току. Мониторинг тока помогает:
- Рассчитать состояние заряда путем подсчета кулонов
- Обнаружение таких проблем, как перегрузка по току или короткое замыкание
- Проверьте состояние аккумулятора и оставшуюся емкость
- Соблюдайте безопасные пределы работы батареи
Современные системы управления аккумуляторными батареями в основном используют две технологии измерения тока:
Шунтирующие резисторы номиналом от 25 мкОм до 100 мкОм, используемые в электромобилях, обеспечивают превосходную линейность и точность. Эти низкоомные компоненты выдерживают высокие токи, минимизируя потери мощности. Датчики Холла предлагают другой подход. Они изолируют измерительную цепь от цепи тока и измеряют как переменный, так и постоянный ток без прямого электрического соединения.
Электромобилям требуются разные уровни тока для зарядки и разрядки. Зарядные токи обычно находятся в диапазоне от 0 до 100 А, а разрядные токи могут достигать 2,000 А. Модуль измерения тока точно обрабатывает этот широкий диапазон.
Датчики температуры и блоки терморегулирования
Датчики температуры дополняют основные компоненты комплексной системы управления аккумуляторными батареями (BMS), отслеживая температурный режим во всем аккумуляторном блоке. Аккумуляторы выделяют тепло во время работы, и температура существенно влияет на их эффективность. Поэтому мониторинг температуры критически важен для достижения наилучших результатов.
Перегрев может привести к тепловому пробою — опасной ситуации, которая может привести к выходу аккумулятора из строя или возгоранию. Для предотвращения этого в ключевых точках аккумулятора установлены термопары или термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).
В системах управления питанием (BMS) часто используются NTC-термисторы, поскольку они чувствительны, точны, экономичны и хорошо работают в различных физических конфигурациях. Эти компоненты демонстрируют нелинейную экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, которую BMS измеряет через делители напряжения.
Для больших аккумуляторных батарей требуется несколько датчиков температуры, поскольку тепло распределяется неравномерно. Данные датчиков помогают системе управления аккумуляторными батареями (BMS) принимать меры, например, включать системы охлаждения или регулировать скорость заряда и разряда, для поддержания безопасной температуры.
Литий-ионные аккумуляторы лучше всего работают при температуре от 15°C до 35°C. Система BMS старается поддерживать аккумулятор в этом диапазоне независимо от температуры наружного воздуха.
Объяснение архитектуры системы управления аккумуляторными батареями
Архитектура системы управления аккумуляторными батареями определяет, как её компоненты соединяются и взаимодействуют в аккумуляторной батарее. Выбор конструкции влияет на надёжность, масштабируемость и производительность системы. Аккумуляторные системы стали сложнее, поэтому выбор архитектуры имеет решающее значение для обеспечения безопасной и оптимальной работы.
Централизованное проектирование BMS
Централизованная система управления аккумуляторными батареями использует один контроллер для контроля всех ячеек аккумуляторной батареи. Главный блок управления подключается непосредственно к каждой ячейке или модулю аккумуляторной батареи посредством специальных жгутов проводов. Этот центральный блок выполняет функции контроля напряжения, измерения температуры, балансировки и защиты.
Централизованные системы отличаются простотой и экономичностью. Использование одного контроллера делает их компактными и более дешевыми по сравнению с другими конфигурациями. Многие небольшие аккумуляторные системы с небольшим количеством ячеек используют централизованную топологию BMS. Хорошими примерами служат электровелосипеды, скутеры и лёгкие электромобили.
Эти конструкции имеют ряд ограничений:
- Большие аккумуляторные батареи требуют сложной проводки к каждой ячейке
- Больше портов и соединений затрудняют обслуживание и устранение неполадок.
- Емкость аккумулятора нельзя легко увеличить
- Центральный контроллер становится единой точкой отказа — его неисправность влияет на всю систему.
Централизованные конструкции остаются популярными там, где простое и экономичное управление аккумулятором работает наиболее эффективно. Tesla Model S использует централизованную топологию BMS. Один контроллер обрабатывает данные о ячейках аккумулятора для эффективного управления циклами заряда и разряда.
Модульные и распределенные топологии BMS
Модульные и распределенные архитектуры разделяют функции мониторинга и управления между несколькими устройствами. Эти подходы различаются по реализации и возможностям.
Модульные системы BMS делятся на несколько одинаковых модулей. Каждый модуль контролирует свои аккумуляторные ячейки через выделенную проводку. Главный контроллер часто координирует работу этих модулей. Система упрощает диагностику и обслуживание. Аккумуляторные блоки можно увеличивать без особых усилий. Такая гибкость обходится дороже, чем централизованные решения.
Распределённые архитектуры BMS выводят децентрализацию на новый уровень. Платы управления устанавливаются непосредственно на контролируемых ячейках или модулях. Такая система требует минимального количества датчиков и коммуникационных проводов между модулями. Система продолжает работать даже при выходе из строя одного компонента, поскольку каждый компонент функционирует независимо. BMW i3 использует модульную архитектуру BMS. Его аккумуляторная батарея состоит из отдельных модулей с независимыми блоками BMS, которые технические специалисты могут обслуживать по отдельности.
Обе конструкции хорошо подходят для масштабируемых систем или обеспечения их надежности. Распределённые системы особенно эффективны в высоковольтных приложениях. Такая отказоустойчивость необходима для сетевых систем накопления энергии, аэрокосмической отрасли и электромобилей.
Основные/подчиненные системы BMS
Архитектура BMS «главный/подчинённый» (также называемая «главный/подчинённый») сочетает в себе элементы централизованного и модульного проектирования. Главный контроллер работает с несколькими подчинёнными модулями.
Эта конструкция похожа на модульную топологию, но работает иначе. Подчинённые модули передают данные измерений главному модулю. Они не выполняют большого объёма вычислений или управления. Основной контроллер выполняет сложные вычисления, принимает решения и взаимодействует с внешними системами. Более простые подчинённые модули стоят дешевле и требуют меньших накладных расходов.
Архитектура сочетает в себе централизованную простоту и модульную гибкость. Она обходится дешевле полностью модульных систем, поскольку подчиненные модули выполняют меньше работы. Система при этом достаточно хорошо масштабируется, сохраняя при этом простоту отдельных компонентов.
Некоторые приложения работают лучше всего с таким сбалансированным подходом. Он обеспечивает лучшую производительность по сравнению с централизованными системами без полной стоимости распределенной архитектуры. Nissan Leaf демонстрирует, как работает распределенная топология BMS. Отдельные контроллеры управляют каждым модулем аккумуляторной батареи. Это повышает эффективность и безопасность системы благодаря точному управлению на уровне модулей.
Инженеры выбирают архитектуру BMS, исходя из потребностей приложения, размера аккумулятора, требований к резервированию и бюджета. Каждая конструкция предлагает уникальные преимущества и компромиссы, которые должны соответствовать системным требованиям.
Материалы и методы разработки БМС
Функциональная система управления аккумуляторными батареями требует тщательного подбора специализированных аппаратных и программных компонентов. Высокопроизводительные микроконтроллеры, надёжные протоколы связи и отказоустойчивые коммутационные элементы — основа эффективных решений BMS.
Микроконтроллеры (МК) и интегральные схемы (ИС)
Каждая система управления аккумуляторными батареями оснащена микроконтроллером, который выполняет функцию вычислительного мозга. Эти специализированные процессоры управляют важнейшими функциями BMS, такими как мониторинг ячеек, алгоритмы балансировки и механизмы безопасности. Выбор микроконтроллера зависит от конкретных потребностей приложения.
В автомобильных и промышленных приложениях, требующих повышенной производительности и соответствия требованиям безопасности, используются микроконтроллеры, такие как MPC5775B и MPC5775E от NXP. Они обеспечивают… Среди важнейших функций микроконтроллеров — аппаратные модули безопасности и диапазон рабочих температур от -40°C до 125°C, что делает их идеальными для использования в сложных условиях.Поддержка ASIL D с 4 МБ флэш-памяти и рабочей частотой 220–264 МГц
Требования к микроконтроллеру различаются в зависимости от сложности аккумуляторной системы:
- Системы низкой сложности: небольшие BMS используют оптимизированные по стоимости микроконтроллеры с низким энергопотреблением. Они объединяют несколько функций, что снижает общую стоимость системы.
- Системы средней сложности: системы с 1–6 ячейками лучше всего работают с микроконтроллерами, которые поддерживают полный набор интерфейсов связи, включая I2C, SPI и UART.
- Системы высокой сложности: приложения с 6–23 ячейками (электроинструменты, электромобильность) требуют микроконтроллеров с высокой производительностью и улучшенными периферийными устройствами.
Микросхемы управления аккумуляторными батареями работают совместно с микроконтроллерами, предоставляя специализированные функции. В качестве примера можно привести микросхемы управления аккумуляторными батареями Infineon, которые контролируют и балансируют до 12 ячеек в литий-ионных аккумуляторных батареях. Они измеряют напряжение и температуру ячеек, а также обеспечивают изолированную связь с главным контроллером. Эти микросхемы хорошо подходят для приложений, требующих повышенных требований безопасности, вплоть до уровня ASIL-D, и соответствуют стандартам ISO 26262.
Протоколы связи CAN-шины
CAN-шина — самый популярный протокол связи для систем управления аккумуляторными батареями, особенно в автомобильной промышленности. Этот протокол работает со скоростью передачи данных 250–500 кбит/с и использует расширенные идентификаторы кадров для обеспечения надежной передачи данных между компонентами BMS.
Протокол CAN Bus в приложениях BMS имеет следующие конкретные реализации:
- Использует 29-битные идентификаторы в расширенном формате кадра
- Имеет приоритетные структуры сообщений с указанием адресов источника и назначения.
- Поддерживает многомастерную связь, при которой разные узлы могут передавать данные по одной и той же шине.
- Включает обширные механизмы обнаружения и исправления ошибок
Многомастерная архитектура протокола устраняет необходимость в выделенном главном узле. Это создаёт более стабильную и отказоустойчивую систему, которая продолжает работать даже при выходе из строя отдельных узлов. Эта особенность делает CAN-шину идеальным решением для критически важных для безопасности приложений, где надёжность связи имеет первостепенное значение.
При выборе протокола связи командам разработчиков BMS необходимо учитывать требования к скорости, физическое расстояние между компонентами, поддержку многоточечной связи, стоимость и энергопотребление. CAN-шина обычно становится лучшим выбором для проектов, требующих высокой надежности в условиях электромагнитных помех.
Силовые МОП-транзисторы для коммутации и защиты
Силовые МОП-транзисторы управляют путями заряда и разряда в системах управления аккумуляторными батареями, защищая их от неисправностей. Эти полупроводниковые приборы подключаются последовательно между аккумуляторной батареей и выходной нагрузкой, а их работой управляют специальные микросхемы.
В приложениях BMS используются два основных типа МОП-транзисторов:
- N-канальные МОП-транзисторы: эти устройства работают более эффективно благодаря меньшему сопротивлению открытого канала (RDS(on)), но требуют более сложных схем управления.
- МОП-транзисторы с P-каналом: у них более простые требования к управлению, но они менее эффективны, чем альтернативы с N-каналом из-за более высокого сопротивления в открытом состоянии.
Реализация системы управления питанием (BMS) требует тщательного выбора МОП-транзистора с учётом ключевых параметров. Номинальное напряжение должно соответствовать максимальному напряжению, а номинальный ток должен превышать максимально допустимый ток для безопасной работы. Низкие значения сопротивления открытого канала помогают снизить потери мощности и повысить эффективность работы.
Выбор МОП-транзистора во многом зависит от управления температурой. МОП-транзисторы в системах BMS должны работать при температуре ниже 65°C в нормальных условиях. В этом случае можно оптимизировать конструкцию печатной платы, максимально увеличив площадь медного покрытия и добавив рассеивающие переходные отверстия рядом с местами установки МОП-транзистора для улучшения теплоотвода.
Механизмы защиты аккумуляторных батарей в аккумуляторных системах BMS
Image Source: Circuit Digest
Безопасность — главный приоритет при использовании литий-ионных аккумуляторов. Защитные механизмы играют важную роль в защите от потенциальных рисков. Грамотно продуманная система управления аккумуляторами использует несколько уровней защиты для обеспечения безопасной работы аккумуляторов в любых условиях.
Защита от перенапряжения и пониженного напряжения
Схемы защиты напряжения системы управления аккумулятором непрерывно контролируют напряжение аккумуляторной батареи и отдельных элементов. Мой опыт показывает, что точные пороговые значения напряжения важны для поддержания работоспособности и безопасности аккумулятора.
Система BMS контролирует напряжение каждую миллисекунду для защиты от перенапряжения. Система отключает зарядную цепь или немедленно снижает зарядный ток при обнаружении чрезмерного напряжения. Эта защита важна, поскольку слишком большое количество заряда попадает на отрицательный электрод. Такая миграция может деформировать структуру положительного электрода и привести к опасному росту дендритов.Перезарядка может привести к миграции ионов лития
Защита от пониженного напряжения служит резервной защитой, предотвращая разряд аккумуляторов ниже ключевых пороговых значений — обычно 2.5 В или 3.2 В в зависимости от химического состава аккумулятора. Эта защита предотвращает глубокий разряд, который приводит к необратимому повреждению и потере ёмкости. Система BMS отключает нагрузку, чтобы предотвратить дальнейший разряд, когда напряжение падает ниже заданного порогового значения.
Защита от перегрузки по току и короткого замыкания
Система BMS предлагает два типа защиты от перегрузки по току: защиту от перегрузки по току и защиту от короткого замыкания. Мгновенный мониторинг тока помогает системе обнаруживать проблемы до того, как они перерастут в опасную ситуацию.
Система защиты от перегрузки по току отслеживает протекание тока и активирует защитные меры при превышении пороговых значений. Большинство систем отключают разрядные полевые транзисторы аппаратно, а не программно, при обнаружении превышения допустимого тока. Программное обеспечение реагирует недостаточно быстро, чтобы предотвратить повреждение.
Защита от короткого замыкания должна обладать сверхбыстрым временем срабатывания – от 250 до 500 микросекунд. Короткие замыкания создают прямой путь с минимальным сопротивлением, что приводит к внезапным скачкам тока. Система BMS должна мгновенно отключать аккумулятор, чтобы предотвратить катастрофические отказы. Количество МОП-транзисторов необходимо подбирать с учётом потенциального тока короткого замыкания. Одна пара полевых транзисторов может выйти из строя, но четыре пары могут эффективно предотвратить опасный ток.
Стратегии предотвращения теплового убегания
Тепловой разгон — один из самых опасных способов выхода из строя литий-ионных систем. Эта цепная реакция процессов, сопровождающихся выделением тепла, требует тщательного мониторинга с помощью тщательно размещённых датчиков температуры.
Моя стратегия предотвращения теплового разгона использует несколько слоев защиты:
- Активный мониторинг: BMS отслеживает данные о температуре на уровне ячеек, используя NTC-термисторы между ячейками, на компонентах питания и плате BMS.
- Раннее обнаружение: мониторинг отходящих газов предупреждает заблаговременно, обнаруживая выбросы газа до того, как произойдут термические явления.
- Защитное отключение: BMS активирует встроенный автоматический выключатель, чтобы отключить батарею, если обнаруживает опасное повышение температуры.
Детальный подход, объединяющий точные технологии мониторинга, системы оповещения и автоматизированные схемы защиты, обеспечивает безопасную работу литиевых аккумуляторных систем в любых условиях.
Методы управления емкостью и балансировки ячеек
Image Source: Хакатроник
Аккумуляторные батареи часто сталкиваются с проблемой дисбаланса ячеек, поскольку отдельные ячейки со временем демонстрируют разный уровень заряда. Эти различия обусловлены различиями в производстве, скоростью саморазряда и условиями эксплуатации. Разница между ячейками может варьироваться в зависимости от интенсивности использования и возраста. Балансировка ячеек помогает контролировать ёмкость и максимально увеличивает производительность и срок службы аккумулятора.3% до 6%
Пассивная балансировка с использованием шунтирующих резисторов
Пассивная балансировка выравнивает заряд ячеек, преобразуя избыточную энергию ячеек с более высоким зарядом в тепло через резисторы. Инженеры используют два основных подхода: фиксированные шунтирующие резисторы и переключаемые шунтирующие резисторы. В переключаемых шунтирующих системах используются транзисторы, которые управляют работой резисторов. Система BMS может затем разряжать отдельные ячейки более высоким напряжением до тех пор, пока все ячейки не будут сбалансированы.
Пассивная балансировка остаётся популярной благодаря простоте и доступности. Базовая схема обходится дешевле сложных альтернатив. Тем не менее, у этого метода есть очевидные недостатки. Высокозарядные элементы тратят всю свою энергию на тепло, что снижает эффективность. Система также нуждается в дополнительном охлаждении, особенно при использовании с высокой мощностью.
Активная балансировка с перераспределением энергии
Активная балансировка отличается от пассивных методов тем, что перераспределяет энергию между ячейками, а не тратит её впустую. Такой подход позволяет перенести заряд с более заряженных ячеек на менее заряженные. Продолжительность работы системы увеличивается, поскольку она использует всю ёмкость аккумулятора.
Активная балансировка бывает нескольких видов:
- Емкостная балансировка: конденсаторы хранят и передают энергию между ячейками.
- Индуктивная балансировка: индукторы перемещают энергию, а управляемые переключатели управляют потоком
- На основе трансформатора: трансформаторы передают энергию между ячейками быстрее, используя меньше переключателей.
Активная балансировка экономит около 4.15% энергии в каждом цикле зарядки/разрядки аккумулятора. Система помогает слабым ячейкам во время разрядки, что увеличивает время работы аккумулятора и его полезную ёмкость.
Оценка состояния заряда (SOC) и состояния здоровья (SOH)
Для правильного управления ёмкостью необходимы точные измерения SOC и SOH. SOC показывает остаточную ёмкость в процентах от 0 до 100%. SOH показывает, насколько хорошо работает аккумулятор по сравнению с исходным состоянием.
Базовый алгоритм кулоновского счёта (CC) определяет уровень заряда батареи путём суммирования текущих измерений с течением времени. Его точность зависит от точности датчиков. Современные методы, такие как фильтрация Калмана и искусственный интеллект, позволяют оценить уровень заряда батареи со средней абсолютной погрешностью менее 2.05%.
Оценка состояния заряда (SOH) сочетает в себе несколько методов измерения, поскольку ни один из них не даёт идеальных результатов. С возрастом аккумуляторы теряют ёмкость и увеличивают внутреннее сопротивление. Аккумулятор может потерять 20% ёмкости, а его внутреннее сопротивление увеличится до 160% от первоначального значения. Качественные оценки состояния заряда (SOH) предупреждают об износе аккумулятора и указывают, когда его необходимо заменить.
Виды отказов и ограничения систем управления батареями
Современные системы управления аккумуляторными батареями имеют сложную конструкцию, однако эти критически важные компоненты все равно могут выйти из строя и поставить под угрозу безопасность и производительность, чем другие системные сбои, и техническим специалистам сложно их диагностировать и устранять.Сбои в работе BMS случаются чаще
Распространенные сценарии отказов в BMS
Системы BMS чаще всего выходят из строя из-за проблем с определением напряжения, которые могут привести к опасному перезаряду. Исследования показывают, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы дымят при перезаряде свыше 5 В. Тройные аккумуляторы могут взрываться в аналогичных условиях. Самая большая проблема возникает, когда датчики Холла перестают работать должным образом. Это препятствует точному измерению тока и расчёту уровня заряда (SOC). Сбои в определении температуры создают не менее опасные ситуации: срок службы аккумулятора при 45 °C сокращается вдвое по сравнению с 25 °C.
Проблемы с электромагнитной совместимостью могут привести к нарушению соединения между компонентами системы управления электропитанием (BMS) и сбоям в работе системы. В аккумуляторных системах, подверженных деформации или утечкам, возникают сбои в работе системы контроля изоляции. Эти сбои могут создавать опасность поражения электрическим током.
Влияние отказов датчиков на безопасность аккумулятора
Сигналы напряжения, тока и температуры лежат в основе функций BMS, таких как оценка состояния и диагностика неисправностей. Неисправные датчики приводят к тому, что система работает с неверными или неполными данными. Системы могут обнаруживать неисправности датчиков напряжения и определять их масштаб, но не могут точно определить их природу.
Каждый метод диагностики неисправностей работает по-своему. Фильтры Калмана без запаха могут обнаруживать и изолировать неисправности, но не могут определить их размер и форму. Методы, основанные на использовании дескриптора частичных разрядов, обрабатывают больше неисправностей датчиков, включая высокочастотные и низкочастотные неисправности.
Ограничения в высоковольтных применениях
Высоковольтным системам BMS необходимы дополнительные механизмы защиты для решения проблем безопасности. Они включают в себя защиту от перенапряжения, пониженного напряжения, перегрузки по току и пробоев изоляции. Высоковольтные батареи могут стать причиной поражения электрическим током, возгорания и теплового разгона при неправильном обращении.
Измерения тока в системе BMS могут недостаточно быстро предупреждать о предстоящих неисправностях. Индикаторы температуры и напряжения запаздывают, отражая реальные проблемы безопасности. Предупреждающие сигналы иногда появляются только тогда, когда аккумуляторы вот-вот загорятся или уже горят.
Новые тенденции в системах управления литиевыми батареями
Image Source: MDPI
Системы управления аккумуляторными батареями меняются быстрее, чем когда-либо, и вот-вот наступят три крупных технологических изменения, которые изменят работу этих жизненно важных систем и их взаимодействие с окружающей средой.
Искусственный интеллект и машинное обучение для прогнозного обслуживания
ИИ и машинное обучение открывают новые возможности для систем управления аккумуляторными батареями (BMS) благодаря передовой предиктивной аналитике. Эти технологии анализируют данные с аккумуляторов в режиме реального времени и позволяют оценивать важные параметры, такие как состояние заряда (SOC) и состояние работоспособности (SOH). Алгоритмы ИИ не просто отслеживают состояние аккумуляторов, но и прогнозируют их работу в различных условиях, анализируя особенности использования и факторы окружающей среды.уровень ошибок ниже 2.05%
Системы на базе искусственного интеллекта непрерывно анализируют данные, чтобы определить оптимальные протоколы зарядки. Они учитывают возраст аккумулятора, его температуру и режим эксплуатации, чтобы снизить нагрузку на элементы и продлить срок службы аккумуляторов. Это знаменует собой переход от устранения проблем после их возникновения к их предотвращению до их возникновения.
Архитектуры беспроводных BMS
Системы беспроводного управления аккумуляторными батареями (wBMS) избавляют от сложной проводки между аккумуляторными модулями. Этот новый подход обеспечивает ряд преимуществ: меньший вес, меньшие габариты, простоту обслуживания и лучшую синхронизацию показаний датчиков.
Технология SmartMesh в wBMS создаёт сети, способные к самонастройке с использованием различных маршрутов и частот. Сообщения обходят препятствия и эффективно справляются с помехами. Система синхронизирует время каждого узла с точностью до микросекунд, что позволяет точно сравнивать измерения из разных точек. Такая точность синхронизации имеет большое значение, поскольку позволяет значительно улучшить расчёты SOC и SOH.
Интеграция с интеллектуальными сетями и устройствами Интернета вещей
Возможности Интернета вещей в сочетании с системами управления аккумуляторами создают непрерывные потоки данных от аккумуляторов по всему миру. Это даёт нам чёткое представление об их работе и износе. Это соединение позволяет отслеживать важные показатели и прогнозировать дальнейшие события.
Интеллектуальные сети с BMS могут сократить потребление энергии в коммерческих зданиях на 10–30%. Эти комбинированные системы обеспечивают двустороннюю связь между накопителями энергии и операторами сетей посредством стандартных протоколов, таких как IEC 61850 и DNP3. Здания перешли от простого потребления энергии к активному управлению сетью.
Заключение
Системы управления аккумуляторами — это важнейший интеллектуальный инструмент современных аккумуляторных технологий, особенно для литий-ионных аккумуляторов, требующих постоянного контроля безопасности. В этой статье мы рассказали о том, как технология BMS защищает аккумуляторы от опасных условий, оптимизируя их производительность и продлевая срок службы.
Архитектуры BMS прошли путь от централизованных до распределённых систем, демонстрируя, как эта технология адаптируется к сложным требованиям к хранению энергии. Функции безопасности, такие как защита от перенапряжения, пониженного напряжения и теплового разгона, создают несколько уровней защиты для предотвращения отказов аккумуляторов. Как пассивные, так и активные методы балансировки ячеек значительно продлевают срок службы аккумуляторов, поддерживая равномерное распределение заряда.
Будущее развития систем управления аккумуляторными батареями (BMS) связано с революционными достижениями в области искусственного интеллекта, беспроводных архитектур и интеграции с интеллектуальными сетями. Эти технологии изменят подход к управлению аккумуляторными батареями, превратив его из простых схем защиты в системы прогнозирования, выявляющие неисправности до их возникновения. Растущая роль аккумуляторных батарей в системах возобновляемой энергетики, электромобилях и потребительской электронике делает эти достижения жизненно важными.
Выбор системы управления зданием (BMS) должен соответствовать требованиям к напряжению, допустимой нагрузке по току и потребностям в терморегулировании. Наша команда Large Power Мы поможем вам подобрать индивидуальные решения для аккумуляторов, соответствующие вашим требованиям. Изложенные здесь основные принципы — это основа для принятия разумных решений при проектировании вашей аккумуляторной системы.
Система управления аккумулятором выполняет функции одновременно защитника и оптимизатора. Она защищает ценные ресурсы аккумулятора, одновременно максимизируя его производительность. По мере развития аккумуляторов с более высокой плотностью энергии и возможностями более быстрой зарядки системы управления должны идти в ногу со временем, чтобы гарантировать, что безопасность, надежность и максимальная производительность остаются главными приоритетами.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1. Каковы основные функции системы управления батареями (BMS)? Система управления батареями контролирует напряжение, ток и температуру ячеек батареи, рассчитывает состояние заряда и работоспособность, выполняет балансировку ячеек, управляет тепловым режимом и обеспечивает защиту от небезопасных условий эксплуатации.
В2. Как BMS защищает аккумуляторы от перезаряда и глубокого разряда? Система управления аккумуляторными батареями (BMS) непрерывно контролирует напряжение ячеек и отключает зарядную цепь или снижает зарядный ток, если напряжение превышает безопасные пределы. Для защиты от глубокого разряда система отключает нагрузку, когда напряжение падает ниже заданного порога, чтобы предотвратить необратимое повреждение.
В3. Каковы преимущества распределенной архитектуры BMS? Распределенные архитектуры BMS обеспечивают повышенную избыточность, упрощенную проводку, более удобный поиск и устранение неисправностей, а также лучшую масштабируемость для больших аккумуляторных батарей. Они обеспечивают независимое функционирование модулей даже в случае выхода из строя одного компонента.
В4. Как балансировка ячеек улучшает производительность аккумулятора? Балансировка ячеек выравнивает уровень заряда отдельных ячеек, предотвращая снижение общей производительности аккумуляторной батареи из-за более слабых ячеек. Это продлевает срок службы аккумулятора, увеличивает полезную ёмкость и повышает общую эффективность аккумуляторной системы.
В5. Какие новые технологии трансформируют системы управления аккумуляторными батареями? Искусственный интеллект и машинное обучение обеспечивают более точное предиктивное обслуживание. Беспроводные архитектуры BMS снижают сложность и вес. Интеграция с интеллектуальными сетями и устройствами Интернета вещей обеспечивает более динамичное управление энергопотреблением и участие в работе сети.
