Чи знаєте ви, що система керування акумуляторами (BMS) захищає елементи від небезпечних умов, які можуть спричинити теплову перегріву та згоряння? Ця життєво важлива технологія захищає сучасні акумуляторні блоки, особливо якщо у вас літій-іонні елементи. Ці елементи мають найвищу щільність енергії, але потребують ретельного контролю.літій-іонний
Система управління будівництвом (BMS) відстежує напругу, струм і температуру, щоб забезпечити безпечну роботу акумуляторів. Ці розумні системи можуть обробляти акумуляторні блоки від 100 В до 800 В, а струм живлення має велике значення, оскільки це означає 300 А. BMS виконує більше, ніж просто моніторинг – вона захищає від перезаряджання та глибокого розряду, одночасно покращуючи продуктивність акумулятора.
Інженери, які працюють із системами керування літієвими акумуляторами, повинні добре розуміти балансування елементів. Система управління літієвими акумуляторами (BMS) підтримує баланс заряду між окремими елементами за допомогою активних та пасивних методів. Це суттєво покращує термін служби та ефективність акумулятора. Збалансована система запобігає деградації та максимізує ємність усього акумуляторного блоку.
У цій статті ми дізнаємося про те, як технологія BMS працює з такими системами транспортних засобів, як терморегуляція та зарядна інфраструктура. Крім того, ми розглянемо, як прогнозна аналітика та машинне навчання змінюють систему управління акумуляторами. Ці досягнення дозволяють більш проактивно контролювати стан та продуктивність акумулятора.
Розуміння того, що таке система керування акумуляторами (BMS)
Джерело зображення: ResearchGate
Система керування акумуляторами (BMS) діє як електронний мозок сучасних акумуляторних батарей. Вона контролює та контролює життєво важливі функції, що оптимізують продуктивність та безпеку. BMS пропонує більше, ніж прості модулі захисних схем (PCM). Вона забезпечує повний спектр можливостей керування, які допомагають акумуляторам служити довше та запобігають небезпечним збоям.
Визначення BMS та основних функцій
Система керування акумуляторами — це електронна система, яка піклується про акумуляторні батареї. Вона відстежує їхню роботу, розраховує їхній стан, повідомляє дані, контролює їхнє середовище та допомагає їм безпечно працювати протягом усього терміну служби. Генеральний директор Mercedes Дітер Цетше влучно сказав: «Інтелект акумулятора полягає не в елементі, а в складній системі акумуляторів».
Основні функції BMS включають:
- Моніторинг та захист – Система управління будівництвом (BMS) відстежує напругу, струм та температуру як на рівні елементів, так і на рівні акумуляторів. Цей постійний моніторинг запобігає роботі акумуляторів поза межами безпечних значень. Це перший захист від пошкодження або виходу з ладу.
- Оцінка стану – система розраховує важливі показники акумулятора, такі як стан заряду (SoC), стан справності (SoH) та залишок ємності. SoC працює як індикатор рівня палива, тоді як SoH показує, наскільки добре працює акумулятор порівняно з новим.
- Балансування елементів – елементи акумуляторного блоку з часом розвивають різні рівні заряду. Система BMS забезпечує рівномірний заряд та розряд. Вона або розсіює енергію з повністю заряджених елементів, або переміщує енергію між елементами.
- Термічний менеджмент – BMS контролює системи нагрівання або охолодження, щоб підтримувати ідеальну температуру акумуляторів. Це важливо, оскільки екстремальні температури впливають на ефективність роботи акумуляторів та термін їх служби.
- Зв'язок – Сучасні системи керування акумуляторами обмінюються важливими робочими даними з іншими пристроями. Це дозволяє проводити діагностику та інтеграцію системи.
Система управління будівництвом (BMS) захищає та оптимізує роботу акумуляторної батареї. Без неї акумуляторні батареї, особливо літій-іонні, передчасно вийдуть з ладу та можуть стати небезпечними.
Важливість BMS у літій-іонних акумуляторах
Літій-іонні акумулятори лідирують на ринку високоенергетичних застосувань завдяки своїй винятковій щільності енергії. Ці переваги пов'язані з ризиками, які потребують складного управління. Добре розроблена система управління будівлею (BMS) не просто корисна, вона життєво важлива для роботи літій-іонних акумуляторів.
Безпека зумовлює потребу в системах управління літій-іонними акумуляторами (BMS). Ці акумулятори погано справляються з умовами поза межами безпечного діапазону. Вони можуть спалахнути або вибухнути, якщо їх перезарядити, перерозрядити, піддати дії високих струмів або використовувати за екстремальних температур. Це називається тепловим перевантаженням (тепловим розгоном). BMS додає рівні захисту, відстежуючи ключові вимірювання та вимикаючи акумулятор, якщо перевищено ліміти.
Система BMS також допомагає акумуляторам служити довше. Вона балансує елементи, щоб слабші не обмежували продуктивність акумулятора та не пошкоджувалися швидше. Запобігаючи глибокому розряду та перезаряду, вона захищає від поширених причин постійної втрати ємності.
Літій-іонні акумулятори потребують точного контролю. Більшість літієвих елементів працюють при напрузі від 10.5 В до 14.8 В. Вони не можуть заряджатися при температурі нижче 0°C або вище 55°C і працюють правильно лише від -20°C до 60°C. Система управління будівництвом (BMS) суворо дотримується цих обмежень, щоб забезпечити безпеку всього.
Вимірювання залишку енергії в акумуляторах не таке просте, як перевірка паливного бака. Система управління будівництвом (BMS) використовує передові алгоритми для визначення SoC та SoH. Створення точних технологій вимірювання залишається проблемою в галузі.
Системи керування акумуляторами постійно вдосконалюються. З розвитком технології акумуляторів з появою нових матеріалів та хімічних речовин, можливості BMS повинні розширюватися. Вони повинні справлятися з новими викликами, одночасно точніше керуючи складними акумуляторними системами.
Ключові компоненти системи управління акумуляторами
Джерело зображення: Енциклопедія.паб
Гарна система керування акумуляторами (BMS) потребує апаратних компонентів, які працюють разом для моніторингу, захисту та оптимізації роботи акумулятора. Ці компоненти діють як очі та вуха системи. Вони збирають важливі дані, які допомагають приймати розумні рішення щодо безпеки та довговічності акумуляторів.
Схеми контролю напруги
Схеми контролю напруги відстежують різницю потенціалів між окремими елементами акумуляторної батареї. Ці схеми вимірюють напругу, щоб система управління будівлею (BMS) могла підтримувати належний рівень для безпеки та ефективності. Мій досвід показує, що точний контроль напруги дозволяє BMS виконувати необхідне балансування елементів, що забезпечує рівномірний розподіл заряду в усіх елементах.напруга з високою точністю
Ці пристрої моніторингу розраховують стан заряду (SOC) та захищають від шкідливих умов перезарядки або глибокого розряду. Більшість схем моніторингу напруги використовують спеціалізовані аналого-цифрові перетворювачі, які можуть вимірювати напругу кількох елементів одночасно з високою точністю.
Диференціальні операційні підсилювачі часто вимірюють напругу окремих елементів. Ці підсилювачі порівнюють напругу між двома клемами — інвертуючим та неінвертуючим — і підсилюють різницю. Система управління будівлею (BMS) використовує ці точні показники напруги для прийняття рішень щодо керування.
Модулі вимірювання струму
Модулі вимірювання струму вимірюють електрику, що надходить до акумуляторної батареї та виходить з неї. Вони працюють разом із первинним запобіжником, щоб захистити всю батарею від перевантаження по струму. Моніторинг струму допомагає:
- Обчисліть стан заряду за допомогою кулонівського підрахунку
- Виявлення проблем, таких як перевантаження по струму або коротке замикання
- Перевірте стан акумулятора та залишок ємності
- Підтримуйте роботу в межах безпечного діапазону заряду акумулятора
Сучасні системи керування акумуляторами в основному використовують дві технології для вимірювання струму:
Шунтуючі резистори в електромобілях мають номінал від 25 мкОм до 100 мкОм і забезпечують чудову лінійність і точність. Ці низькомоторні деталі витримують високі струми, мінімізуючи втрати потужності. Датчики Холла пропонують інший підхід. Вони ізолюють сенсорну схему від шляху струму та вимірюють як змінний, так і постійний струми без прямого електричного підключення.
Електромобілі потребують різних рівнів струму для заряджання та розряджання. Струми заряджання зазвичай коливаються від 0 А до 100 А, тоді як струми розряджання можуть досягати 2,000 А. Модуль вимірювання струму точно обробляє цей широкий діапазон.
Датчики температури та блоки терморегулювання
Датчики температури доповнюють основні компоненти повної системи управління будівлею (BMS), відстежуючи теплові умови в акумуляторному блоці. Акумулятори виділяють тепло під час роботи, а температура суттєво впливає на їхню ефективність. Це робить тепловий моніторинг критично важливим для найкращої продуктивності.
Надмірне нагрівання може спричинити тепловий вихлоп — небезпечну ситуацію, яка може призвести до виходу з ладу акумулятора або пожежі. Термопари або термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC) розташовані в ключових точках акумуляторного блоку, щоб запобігти цьому.
У конструкціях BMS часто використовуються термістори з NTC, оскільки вони чутливі, точні, економічно ефективні та добре працюють у різних фізичних системах. Ці деталі демонструють нелінійну експоненціальну закономірність зменшення опору/температури, яку BMS вимірює через мережі дільників напруги.
Для великих акумуляторних блоків потрібно кілька датчиків температури, оскільки тепло поширюється нерівномірно. Дані датчиків допомагають системі управління будівлею (BMS) вживати заходів, таких як вмикання систем охолодження або регулювання швидкості заряджання та розряджання, для підтримки безпечної температури.
Літій-іонні акумулятори найкраще працюють за температури від 15°C до 35°C. Система BMS наполегливо працює, щоб підтримувати заряд акумулятора в цьому діапазоні незалежно від температури зовнішнього повітря.
Пояснення архітектур систем керування батареями
Архітектура системи керування акумуляторами визначає, як її компоненти з'єднуються та працюють разом в акумуляторному блоці. Вибір конструкції впливає на надійність, масштабованість та продуктивність системи. Системи акумуляторів стали складнішими, що робить вибір архітектури вирішальним для забезпечення безпечної та оптимальної роботи.
Централізоване проектування BMS
Централізована система керування акумуляторами використовує один контролер для контролю всіх елементів в акумуляторному блоці. Головний блок керування підключається безпосередньо до кожного елемента або модуля акумулятора через спеціальні джгути проводів. Цей центральний блок виконує функції контролю напруги, вимірювання температури, балансування та захисту.
Централізовані конструкції вирізняються простотою та економією коштів. Підхід з одним контролером робить їх компактними та дешевшими, ніж інші конфігурації. Багато менших акумуляторних систем з невеликою кількістю елементів використовують централізовані топології BMS. Електричні велосипеди, скутери та легкі електромобілі є гарними прикладами.
Ці конструкції мають кілька обмежень:
- Великі акумуляторні блоки потребують складної проводки до кожного елемента
- Більша кількість портів та з'єднань ускладнює обслуговування та усунення несправностей
- Ємність акумулятора не можна легко збільшити
- Центральний контролер стає єдиною точкою відмови — його несправність впливає на всю систему
Централізовані конструкції залишаються популярними там, де найкраще працює просте та економічне управління акумуляторами. Tesla Model S використовує централізовану топологію BMS. Один контролер обробляє дані елементів акумулятора для ефективного керування циклами заряду та розряду.
Модульні та розподілені топології BMS
Модульні та розподілені архітектури розділяють функції моніторингу та керування між кількома блоками. Ці підходи працюють по-різному за своєю реалізацією та можливостями.
Модульні системи BMS поділяються на кілька подібних модулів. Кожен модуль контролює свої призначені акумуляторні елементи за допомогою спеціальної проводки. Головний контролер часто координує діяльність цих модулів. Систему стає легшою в усуненні несправностей та обслуговуванні. Акумуляторні блоки можна збільшувати без особливих труднощів. Така гнучкість коштує дорожче, ніж централізовані конструкції.
Розподілені архітектури BMS забезпечують ще більшу децентралізацію. Плати керування розміщуються безпосередньо на контрольованих елементах або модулях. Така схема потребує мінімальної кількості датчиків та комунікаційних проводів між модулями. Система продовжує працювати навіть у разі відмови одного компонента, оскільки кожна частина функціонує незалежно. BMW i3 використовує модульну архітектуру BMS. Його акумуляторний блок має окремі модулі з незалежними блоками BMS, які техніки можуть обслуговувати окремо.
Обидві конструкції добре працюють, коли системам потрібно масштабуватися або залишатися надійними. Розподілені системи чудово підходять для високовольтних застосувань. Системам накопичення енергії в мережі, аерокосмічній галузі та електромобілям потрібна така відмовостійкість.
Основні/підпорядковані системи BMS
Архітектура первинної/підпорядкованої системи управління будівлею (також відома як головний/підлеглий) поєднує в собі централізовані та модульні елементи проектування. Основний контролер працює з кількома підпорядкованими модулями.
Ця конструкція виглядає як модульна топологія, але працює по-іншому. Підпорядковані модулі надсилають дані вимірювань до головного модуля. Вони не виконують багато обчислень чи керування. Головний контролер обробляє складні обчислення, рішення щодо керування та зовнішній зв'язок. Простіші підпорядковані модулі коштують менше та потребують менших накладних витрат.
Архітектура поєднує централізовану простоту з модульною гнучкістю. Вона коштує менше, ніж повністю модульні системи, оскільки підпорядковані модулі виконують менше роботи. Система все ще може досить добре масштабуватися, зберігаючи при цьому прості окремі компоненти.
Деякі програми найкраще працюють із таким збалансованим підходом. Він працює краще, ніж централізовані системи без повної вартості розподіленої архітектури. Nissan Leaf демонструє, як працює розподілена топологія BMS. Окремі контролери керують кожним акумуляторним модулем. Це підвищує ефективність та безпеку системи завдяки точному управлінню на рівні модулів.
Інженери обирають архітектуру BMS на основі потреб свого застосування, розміру батареї, вимог до резервування та бюджету. Кожна конструкція пропонує унікальні переваги та компроміси, які повинні відповідати системним вимогам.
Матеріали та методи для розробки BMS
Функціональна система управління акумуляторами потребує ретельно підібраних спеціалізованих апаратних та програмних компонентів. Високопродуктивні мікроконтролери, надійні протоколи зв'язку та стійкі комутаційні елементи є основою ефективних рішень BMS.
Мікроконтролери (MCU) та інтегральні схеми (IC)
Кожна система керування акумуляторами має мікроконтролер, який працює як її обчислювальний мозок. Ці спеціалізовані процесори керують критично важливими функціями BMS, такими як моніторинг елементів, алгоритми балансування та механізми захисту безпеки. Вибір мікроконтролера залежить від конкретних потреб застосування.
Автомобільні та промислові застосування, які потребують підвищеної продуктивності та відповідності вимогам безпеки, використовують мікроконтролери, такі як MPC5775B та MPC5775E від NXP. Вони пропонують... Ключові функції мікроконтролерів включають модулі апаратної безпеки та діапазон температур від -40°C до 125°C, що робить їх ідеальними для складних умов експлуатації.Підтримка ASIL D з 4 МБ флеш-пам'яті та робочими швидкостями 220-264 МГц
Вимоги до мікроконтролера залежать від складності системи акумуляторів:
- Системи низької складності: Невеликі BMS використовують оптимізовані за витратами мікроконтролери з низьким енергоспоживанням. Вони поєднують кілька функцій для зниження загальної вартості системи.
- Системи середньої складності: Системи з 1-6 елементами найкраще працюють з мікроконтролерами, які підтримують повноцінні комунікаційні інтерфейси, включаючи I2C, SPI та UART.
- Системи високої складності: застосування з 6-23 елементами (електроінструменти, електромобільність) потребують мікроконтролерів з високою продуктивністю та кращою периферією.
Мікросхеми керування акумуляторами працюють разом з мікроконтролерами, забезпечуючи спеціалізовані функції. Для прикладу можна навести мікросхеми керування акумуляторами Infineon, які контролюють та балансують до 12 елементів у літій-іонних акумуляторних батареях. Вони вимірюють напругу елементів, температуру та забезпечують ізольований зв'язок з головним контролером. Ці мікросхеми добре працюють у системах, пов'язаних з безпекою, аж до ASIL-D, та відповідають стандартам ISO 26262.
Протоколи зв'язку шини CAN
Шина CAN є найпопулярнішим протоколом зв'язку для систем керування акумуляторами, особливо для автомобільних застосувань. Цей протокол працює зі швидкістю передачі даних 250-500 Кбіт/с та використовує розширені ідентифікатори кадрів для забезпечення надійного потоку даних між компонентами BMS.
Протокол шини CAN у системах BMS відповідає певним реалізаціям:
- Використовує 29-бітові ідентифікатори у форматі розширеного кадру
- Має пріоритетні структури повідомлень з призначеними адресами джерела та призначення
- Підтримує зв'язок між кількома головними вузлами, де різні вузли можуть передавати дані по одній шині
- Включає розширені механізми виявлення та виправлення помилок
Завдяки багатоголовній конструкції протоколу бракує спеціального головного вузла. Це створює більш стабільну та відмовостійку систему, яка продовжує працювати навіть у разі виходу з ладу окремих вузлів. Ця функція робить шину CAN ідеальною для критично важливих для безпеки застосувань, де надійність зв'язку має найбільше значення.
Команди розробників BMS повинні враховувати вимоги до швидкості, фізичну відстань між компонентами, підтримку багатоточкового з'єднання, вартість та енергоспоживання під час вибору протоколу зв'язку. Шина CAN зазвичай стає найкращим вибором для проектів, яким потрібна висока надійність в електромагнітно-шумному середовищі.
Силові MOSFET для комутації та захисту
Силові MOSFET-транзистори контролюють шляхи заряду та розряду в системах керування акумуляторами, одночасно захищаючи від несправностей. Ці напівпровідникові прилади підключаються послідовно між акумуляторною батареєю та вихідним навантаженням, а їх роботою керують спеціальні мікросхеми.
У системах BMS використовуються два основних типи MOSFET:
- N-канальні MOSFET: ці пристрої працюють ефективніше завдяки нижчому опору увімкненого стану (RDS(on)), але потребують складніших схем керування.
- P-канальні MOSFET: вони мають простіші вимоги до керування, але меншу ефективність, ніж N-канальні альтернативи, через вищий опір увімкненому стані.
Впровадження BMS вимагає ретельного вибору MOSFET-транзисторів на основі ключових параметрів. Номінальна напруга повинна витримувати максимальні умови напруги, тоді як номінальний струм повинен перевищувати найвищий очікуваний струм для безпечної роботи. Низькі значення опору увімкненому стані допомагають зменшити втрати потужності та підвищити ефективність під час роботи.
Вибір MOSFET значною мірою залежить від терморегуляції. MOSFET у системах BMS повинні працювати на температурі нижче 65°C у нормальних умовах. Конструкція друкованої плати може допомогти, максимізуючи площу міді та додаючи розсіювальні отвори поблизу точок монтажу MOSFET для покращення розсіювання тепла.
Механізми захисту акумуляторів у системах акумуляторів BMS
Джерело зображення: Circuit Digest
Безпека є головним пріоритетом у застосуванні літій-іонних акумуляторів. Механізми захисту виступають життєво важливими запобіжними заходами від потенційних ризиків. Добре продумана система управління акумуляторами використовує кілька шарів захисту для забезпечення безпечної роботи акумуляторів за будь-яких умов.
Захист від підвищеної та зниженої напруги
Схеми захисту напруги системи керування акумулятором постійно контролюють напругу акумулятора та напругу окремих елементів. Мій досвід показує, що точні пороги напруги важливі для підтримки справності та безпеки акумулятора.
Система управління будівлею (BMS) контролює напругу щомісяця для захисту від перенапруги. Система негайно відключає зарядний ланцюг або зменшує струм зарядки, коли виявляє надмірну напругу. Цей захист важливий, оскільки занадто багато напруги потрапляє на негативний електрод. Така міграція може деформувати структуру позитивного електрода та призвести до небезпечного зростання дендритів.перезарядка може призвести до міграції іонів літію
Захист від низької напруги працює як резервний запобіжний механізм, який запобігає розряду акумуляторів нижче ключових порогових значень — зазвичай 2.5 В або 3.2 В залежно від хімічного складу елементів. Цей захист запобігає глибокому розряду, який призводить до незворотних пошкоджень та втрати ємності. Система управління будівництвом (BMS) відключає навантаження, щоб зупинити подальший розряд, коли напруга падає нижче заданого порогового значення.
Захист від перевантаження по струму та короткого замикання
Система BMS пропонує два пов'язані типи струмового захисту: захист від перевантаження по струму та захист від короткого замикання. Негайний моніторинг струму допомагає системі виявляти проблеми до того, як вони перетворяться на небезпечні ситуації.
Захист системи від перевантаження по струму відстежує протікання струму та запускає захисні заходи, коли воно перевищує порогові значення. Більшість систем відключають розрядні польові транзистори апаратно, а не програмно, коли виявляють надмірний струм. Реакції програмного забезпечення недостатньо швидкі, щоб запобігти пошкодженню.
Захист від короткого замикання потребує надшвидкого часу реагування від 250 до 500 мікросекунд. Короткі замикання створюють прямий шлях з мінімальним опором, що викликає раптові стрибки струму. Система управління будівництвом (BMS) повинна миттєво відключати акумулятор, щоб запобігти катастрофічним збоям. Кількість MOSFET-транзисторів потребує правильного підбору розміру на основі потенційного струму короткого замикання. Одна пара польових транзисторів може вийти з ладу, але чотири пари можуть ефективно зупинити небезпечний потік струму.
Стратегії запобігання тепловому вибуху
Тепловий втеча – один із найнебезпечніших способів виходу з ладу літій-іонних систем. Ця ланцюгова реакція подій, що генерують тепло, потребує детального моніторингу за допомогою ретельно розміщених датчиків температури.
Моя стратегія запобігання тепловому вибуху використовує кілька шарів захисту:
- Активний моніторинг: BMS відстежує дані про температуру на рівні комірок за допомогою термісторів NTC між комірок, на компонентах живлення та на платі BMS.
- Раннє виявлення: моніторинг відхідних газів попереджає завчасно, виявляючи викид газу до того, як відбудуться теплові події
- Захисне відключення: Система управління будівництвом (BMS) вмикає вбудований автоматичний вимикач для відключення акумулятора, коли виявляє небезпечне підвищення температури.
Детальний підхід, що поєднує точні технології моніторингу, системи попередження та автоматизовані схеми захисту, забезпечує безпечну роботу систем літієвих акумуляторів за будь-яких умов.
Методи управління потужностями та балансування комірок
Джерело зображення: Хакатронік
Акумуляторні блоки часто стикаються з проблемами дисбалансу елементів, оскільки окремі елементи з часом демонструють різний рівень заряду. Ці коливання спричиняють відмінності у виробництві, швидкість саморозряду та умови експлуатації. Різниця між елементами може залежати від використання та віку. Балансування елементів допомагає керувати ємністю та максимізує продуктивність і термін служби акумулятора.3% до 6%
Пасивне балансування з використанням шунтуючих резисторів
Пасивне балансування вирівнює напругу елементів, перетворюючи надлишкову енергію з елементів з вищим зарядом на тепло через резистори. Інженери використовують два основні підходи: фіксовані шунтуючі резистори та комутовані шунтуючі резистори. У комутованих шунтуючих системах використовуються транзистори, які контролюють, коли працюють резистори. Потім BMS може розряджати певні елементи вищою напругою, доки всі елементи не збалансуються.
Пасивне балансування залишається популярним, оскільки воно просте та доступне. Базова схема коштує менше, ніж складні альтернативи. Незважаючи на це, цей метод має очевидні недоліки. Елементи з вищим зарядом витрачають всю свою додаткову енергію у вигляді тепла, що знижує ефективність. Система також потребує додаткових функцій охолодження, особливо для використання з високою потужністю.
Активне балансування з перерозподілом енергії
Активне балансування працює інакше, ніж пасивні методи, переміщуючи енергію між елементами, а не витрачаючи її даремно. Цей підхід передає заряд від елементів з вищим зарядом до елементів з нижчим. Час роботи системи покращується, оскільки використовується повна ємність акумуляторної батареї.
Активне балансування буває кількох форм:
- Ємнісне балансування: конденсатори зберігають та переміщують енергію між елементами.
- Індуктивне балансування: індуктори переміщують енергію, а керовані перемикачі керують потоком
- На основі трансформатора: трансформатори передають енергію між елементами швидше, використовуючи меншу кількість перемикачів.
Активне балансування економить близько 4.15% енергії в кожному циклі заряджання/розряджання акумуляторної батареї. Система допомагає слабшим елементам під час розряджання, що збільшує час роботи та корисну ємність акумуляторної батареї.
Оцінка стану заряду (SOC) та стану здоров'я (SOH)
Правильне управління ємністю потребує точних вимірювань SOC та SOH. SOC показує залишкову ємність у відсотках від 0 до 100%. SOH вказує на те, наскільки добре працює акумулятор порівняно з його початковим станом.
Базовий алгоритм кулонівського підрахунку (CC) знаходить стан заряду (SOC) шляхом додавання поточних вимірювань з плином часу. Його точність залежить від точності датчиків. Сучасні методи, такі як фільтрація Калмана та штучний інтелект, можуть оцінювати із середньою абсолютною процентною похибкою менше ніж 2.05%.
Оцінка SOH поєднує кілька методів вимірювання, оскільки жоден метод не дає ідеальних результатів. З віком акумулятори втрачають ємність і збільшують внутрішній опір. Акумулятор може втратити 20% ємності, тоді як його внутрішній опір зростає до 160% від початкового значення. Хороші оцінки SOH попереджають про знос акумулятора та повідомляють, коли його потрібно замінити.
Режими відмов та обмеження систем керування акумуляторами
Сучасні системи керування акумуляторами мають складні конструкції, проте ці критично важливі компоненти все ще можуть вийти з ладу та поставити під загрозу безпеку та продуктивність, ніж інші системні збої, і технікам важче їх діагностувати та виправити.Збої BMS трапляються частіше
Типові сценарії збоїв у BMS
Системи BMS найчастіше виходять з ладу через проблеми з визначенням напруги, які можуть створювати небезпечні умови перезаряджання. Дослідження показують, що літій-залізо-фосфатні акумулятори виділяють дим при перезаряджання понад 5 В. Потрійні акумулятори можуть вибухнути за подібних умов. Найбільша проблема виникає, коли датчики Холла перестають працювати належним чином. Це перешкоджає точному вимірюванню струму та розрахунку стану заряду (SOC). Збої у визначенні температури створюють не менш небезпечні ситуації – термін служби акумулятора при 45°C падає вдвічі менше, ніж при 25°C.
Проблеми з електромагнітною сумісністю можуть порушити зв'язок між компонентами BMS та спричинити несправності системи. Акумуляторні системи, які деформуються або мають витік, стикаються з несправностями моніторингу ізоляції. Ці несправності можуть створювати небезпеку ураження електричним струмом.
Вплив несправностей датчиків на безпеку акумулятора
Сигнали напруги, струму та температури є основою функцій BMS, таких як оцінка стану та діагностика несправностей. Несправні датчики призводять до роботи системи з неправильними або неповними даними. Системи можуть виявляти несправності датчиків напруги та визначати їх розмір, але їм важко точно визначити їхню природу.
Кожен метод діагностики несправностей працює по-різному. Фільтри Калмана без запаху можуть виявляти та ізолювати несправності, але не можуть визначити їх розмір та форму. Методи на основі спостерігачів дескрипторів частинок розриву обробляють більше несправностей датчиків, включаючи проблеми високої та низької частоти.
Обмеження у високовольтних застосуваннях
Високовольтні системи BMS потребують додаткових механізмів захисту для вирішення проблем безпеки. До них належать захист від перенапруги, зниженої напруги, перевантаження по струму та пошкодження ізоляції. Високовольтні акумулятори можуть спричинити ураження електричним струмом, пожежу та перегрів, якщо з ними не поводитися належним чином.
Поточні вимірювання в BMS можуть не попереджати про майбутні збої достатньо швидко. Індикатори температури та напруги відстають від фактичних показників безпеки. Попереджувальні знаки іноді з'являються лише тоді, коли батареї ось-ось спалахнуть або вже горять.
Новітні тенденції в системах управління літієвими батареями
Джерело зображення: MDPI
Системи управління акумуляторами змінюються швидше, ніж будь-коли, і три основні технологічні зміни незабаром змінять те, як ці життєво важливі системи працюють і взаємодіють з навколишнім середовищем.
ШІ та машинне навчання для прогнозованого технічного обслуговування
Штучний інтелект та машинне навчання надають нові можливості системам управління будівництвом (BMS) завдяки передовій прогнозній аналітиці. Ці технології аналізують дані з акумуляторів у реальному часі та можуть оцінювати важливі параметри, такі як стан заряду (SOC) та стан справності (SOH), за допомогою . Алгоритми штучного інтелекту не просто контролюють, вони можуть прогнозувати продуктивність акумулятора в різних умовах, вивчаючи моделі використання та фактори навколишнього середовища.рівень помилок нижче 2.05%
Системи на базі штучного інтелекту постійно аналізують дані, щоб визначити найкращі протоколи заряджання. Вони враховують вік акумулятора, температуру та те, як він використовується, щоб зменшити навантаження на елементи та подовжити термін служби акумуляторів. Це знаменує собою зміну від виправлення проблем після їх виникнення до їх зупинки до їх початку.
Архітектури бездротових BMS
Бездротові системи керування акумуляторами (wBMS) позбавляються складної проводки між акумуляторними модулями. Цей новий підхід має кілька переваг: меншу вагу, менший розмір, простіше обслуговування та краще синхронізовані вимірювання датчиків.
Технологія SmartMesh у wBMS створює мережі, які можуть самостійно фіксуватися за допомогою різних шляхів і частот. Повідомлення обходять перешкоди та добре справляються з перешкодами. Система синхронізує час кожного вузла протягом мікросекунд, що означає, що вимірювання з різних точок можна точно порівнювати. Такий точний час має велике значення, оскільки це означає, що розрахунки SOC та SOH набагато кращі.
Інтеграція з інтелектуальними мережами та пристроями Інтернету речей
Можливості Інтернету речей поєднуються з системами керування акумуляторами для створення постійних потоків даних від акумуляторів усюди. Це дає нам чітке уявлення про те, як вони працюють і зношуються. З'єднання дозволяє спостерігати за важливими вимірюваннями та прогнозувати, що може статися далі.
Застосування інтелектуальних мереж із BMS може скоротити споживання енергії на 10–30 % у комерційних будівлях. Ці комбіновані системи забезпечують двосторонній зв'язок між накопичувачами енергії та операторами мережі завдяки стандартним протоколам, таким як IEC 61850 та DNP3. Будівлі перейшли від простого використання електроенергії до активного управління мережею.
Висновок
Системи керування акумуляторами є критично важливим інтелектом сучасних технологій акумуляторів, особливо коли у вас літій-іонні акумулятори, які потребують постійного моніторингу для безпеки. У цій статті ми розглянули, як технологія BMS захищає акумулятори від небезпечних умов, оптимізуючи їхню продуктивність та подовжуючи термін служби.
Архітектури BMS розвинулися від централізованих до розподілених систем, демонструючи, як ця технологія адаптується до складних потреб накопичення енергії. Функції безпеки, такі як захист від перенапруги, зниження напруги та перегріву, створюють кілька захисних шарів для запобігання виходу з ладу акумулятора. Як пасивні, так і активні методи балансування елементів суттєво подовжують термін служби акумулятора, підтримуючи рівномірний розподіл заряду.
Майбутнє розвитку систем управління будівництвом (BMS) вказує на новаторські досягнення у сфері штучного інтелекту, бездротових архітектур та інтеграції з інтелектуальними мережами. Ці технології змінять управління акумуляторами від базових схем захисту до систем прогнозування, які виявляють збої до того, як вони трапляться. Зростаюча роль акумуляторних накопичувачів енергії в системах відновлюваної енергії, електромобілях та побутовій електроніці робить ці досягнення життєво важливими.
Вибрана вами система управління будівництвом (BMS) повинна відповідати вимогам вашої системи до напруги, потужності обробки струму та потребам у регулюванні температури. Наша команда в Large Power може допомогти вам знайти індивідуальні рішення для акумуляторів, які відповідають вашим вимогам. Основи, що викладені тут, є основою для прийняття розумних рішень щодо проектування вашої акумуляторної системи.
Система керування акумуляторами працює як охоронець, так і оптимізатор. Вона захищає цінні акумуляторні активи, максимізуючи їхню продуктивність. Оскільки акумулятори розвиваються з вищою щільністю енергії та можливостями швидшої зарядки, системи керування повинні йти в ногу з часом, щоб забезпечити безпеку, надійність та пікову продуктивність, які залишаються головними пріоритетами.
Поширені запитання
Q1. Які основні функції системи керування акумуляторами (BMS)? Система керування акумуляторами контролює напругу, струм і температуру елементів акумулятора, розраховує стан заряду та справність, виконує балансування елементів, керує тепловими умовами та забезпечує захист від небезпечних умов експлуатації.
Q2. Як BMS захищає акумулятори від перезаряджання та глибокого розряду? Система управління будівництвом (BMS) постійно контролює напругу на елементах живлення та відключає ланцюг заряджання або зменшує струм заряджання, якщо напруга перевищує безпечні межі. Для захисту від глибокого розряду вона відключає навантаження, коли напруга падає нижче заданого порогу, щоб запобігти незворотному пошкодженню.
Q3. Які переваги розподіленої архітектури BMS? Розподілені архітектури BMS пропонують покращене резервування, спрощене підключення, легше усунення несправностей та кращу масштабованість для великих акумуляторних блоків. Вони дозволяють незалежно функціонувати модулям навіть у разі відмови одного компонента.
Q4. Як балансування елементів покращує продуктивність акумулятора? Балансування елементів вирівнює рівні заряду між окремими елементами, запобігаючи обмеженню загальної продуктивності акумулятора слабкішими елементами. Це подовжує термін служби акумулятора, максимізує корисну ємність та підвищує загальну ефективність акумуляторної системи.
Q5. Які новітні технології трансформують системи управління акумуляторами? Штучний інтелект та машинне навчання забезпечують точніше прогнозне обслуговування. Бездротові архітектури BMS зменшують складність та вагу. Інтеграція з інтелектуальними мережами та пристроями Інтернету речей дозволяє здійснювати більш динамічне управління енергією та участь у мережі.
