Co je systém správy baterií?

Definice

Battery management system (BMS) je technologie určená k dohledu nad bateriovou sadou, což je sestava bateriových článků, elektricky organizovaná v konfiguraci matice řádek x sloupec, aby umožnila dodání cíleného rozsahu napětí a proudu po určitou dobu proti očekávané scénáře zatížení.Dohled, který BMS poskytuje, obvykle zahrnuje:

• Sledování baterie
• Poskytování ochrany baterie
• Odhad provozního stavu baterie
• Průběžná optimalizace výkonu baterie
• Hlášení provozního stavu na externí zařízení

Zde termín „baterie“ zahrnuje celou sadu;nicméně monitorovací a řídicí funkce jsou specificky aplikovány na jednotlivé články nebo skupiny článků nazývané moduly v celkové sestavě bateriové sady.Lithium-iontové dobíjecí články mají nejvyšší hustotu energie a jsou standardní volbou pro bateriové sady pro mnoho spotřebních produktů, od notebooků po elektrická vozidla.I když fungují skvěle, mohou být poněkud nemilosrdné, pokud jsou provozovány mimo obecně těsnou bezpečnou provozní oblast (SOA), s výsledky sahajícími od snížení výkonu baterie až po zcela nebezpečné následky.BMS má jistě náročný popis práce a jeho celková složitost a dosah dohledu se mohou týkat mnoha oborů, jako jsou elektrické, digitální, řídicí, tepelné a hydraulické.

Jak fungují systémy správy baterií?

Systémy řízení baterií nemají pevný nebo jedinečný soubor kritérií, která je třeba přijmout.Rozsah návrhu technologie a implementované funkce obecně korelují s:

• Náklady, složitost a velikost baterie
• Použití baterie a jakékoli obavy o bezpečnost, životnost a záruku
• Požadavky na certifikaci z různých vládních nařízení, kde jsou náklady a sankce prvořadé, pokud jsou zavedena neadekvátní opatření funkční bezpečnosti

Existuje mnoho konstrukčních funkcí BMS, přičemž dvěma základními funkcemi jsou správa ochrany baterie a správa kapacity.Zde probereme, jak tyto dvě funkce fungují.Správa ochrany bateriové sady má dvě klíčové oblasti: elektrickou ochranu, což znamená, že nedovolí, aby se baterie poškodila používáním mimo její SOA, a tepelnou ochranu, která zahrnuje pasivní a/nebo aktivní řízení teploty pro udržení nebo převedení baterie do SOA.

Ochrana elektrického řízení: Proud

Sledování proudu baterie a napětí článků nebo modulů je cestou k elektrické ochraně.Elektrická SOA jakéhokoli článku baterie je vázána proudem a napětím.Obrázek 1 ilustruje typickou SOA lithium-iontového článku a dobře navržený BMS ochrání sadu tím, že zabrání provozu mimo jmenovité hodnoty článků výrobce.V mnoha případech může být v zájmu prodloužení životnosti baterie použito další snížení výkonu, aby se nacházelo v bezpečné zóně SOA.

Lithium-iontové články mají jiné proudové limity pro nabíjení než pro vybíjení a oba režimy zvládnou vyšší špičkové proudy, i když po krátkou dobu.Výrobci bateriových článků obvykle specifikují maximální limity nepřetržitého nabíjecího a vybíjecího proudu spolu s limity špičkového nabíjecího a vybíjecího proudu.BMS poskytující proudovou ochranu jistě použije maximální trvalý proud.Tomu však může předcházet náhlá změna podmínek zatížení;například prudké zrychlení elektromobilu.BMS může zahrnovat monitorování špičkového proudu integrací proudu a po delta čase, přičemž se rozhodne buď snížit dostupný proud, nebo úplně přerušit proud baterie.To umožňuje BMS mít téměř okamžitou citlivost na extrémní proudové špičky, jako je stav zkratu, který nepřitáhl pozornost žádné rezidentní pojistky, ale také shovívavý k vysokým špičkovým požadavkům, pokud nejsou příliš nadměrné. dlouho.

Ochrana elektrického řízení: Napětí

Obrázek 2 ukazuje, že lithium-iontový článek musí pracovat v určitém rozsahu napětí.Tyto hranice SOA budou nakonec určeny vnitřní chemií vybraného lithium-iontového článku a teplotou článků v daném čase.Navíc, protože každá baterie prochází značným množstvím cyklů proudu, vybíjení kvůli požadavkům na zatížení a nabíjení z různých zdrojů energie, jsou tyto limity napětí SOA obvykle dále omezeny, aby se optimalizovala životnost baterie.BMS musí vědět, jaké jsou tyto limity, a bude nařizovat rozhodnutí na základě blízkosti k těmto prahovým hodnotám.Například, když se blíží limit vysokého napětí, může BMS požadovat postupné snižování nabíjecího proudu nebo může požadovat úplné ukončení nabíjecího proudu, pokud je limitu dosaženo.Tento limit je však obvykle doprovázen dalšími úvahami o vnitřní hysterezi napětí, aby se zabránilo chvění ovládání o prahu vypnutí.Na druhou stranu, když se blíží limit nízkého napětí, BMS požádá, aby klíčové aktivní problematické zátěže snížily své aktuální požadavky.V případě elektrického vozidla to může být provedeno snížením povoleného točivého momentu dostupného pro trakční motor.BMS samozřejmě musí brát ohledy na bezpečnost pro řidiče jako nejvyšší prioritu a zároveň chránit baterii, aby se zabránilo trvalému poškození.

Tepelná ochrana: Teplota

V nominální hodnotě se může zdát, že lithium-iontové články mají široký provozní rozsah teplot, ale celková kapacita baterie se při nízkých teplotách snižuje, protože rychlost chemických reakcí se výrazně zpomaluje.S ohledem na schopnost při nízkých teplotách fungují mnohem lépe než olověné nebo NiMh baterie;řízení teploty je však prozíravě nezbytné, protože nabíjení pod 0 °C (32 °F) je fyzicky problematické.Jev pokovování kovového lithia se může objevit na anodě během nabíjení pod bodem mrazu.Jedná se o trvalé poškození, které má za následek nejen snížení kapacity, ale články jsou náchylnější k selhání, pokud jsou vystaveny vibracím nebo jiným stresovým podmínkám.BMS může řídit teplotu baterie pomocí ohřevu a chlazení.

Realizovaný tepelný management je zcela závislý na velikosti a ceně baterie a výkonnostních cílech, kritériích návrhu BMS a produktové jednotce, která může zahrnovat zvážení cílové geografické oblasti (např. Aljaška versus Havaj).Bez ohledu na typ ohřívače je obecně účinnější čerpat energii z externího zdroje střídavého proudu nebo z alternativní rezidentní baterie určené k provozu ohřívače v případě potřeby.Pokud má však elektrický ohřívač mírný odběr proudu, může být energie z primárního akumulátoru odsávána, aby se zahřála.Pokud je implementován tepelný hydraulický systém, pak se k ohřevu chladicí kapaliny používá elektrický ohřívač, který je čerpán a distribuován v sestavě bloku.

Konstruktéři BMS nepochybně mají triky svého designérského řemesla, jak přivést tepelnou energii do obalu.Například lze zapnout různé výkonové elektroniky uvnitř BMS věnované řízení kapacity.I když není tak účinný jako přímé vytápění, lze jej bez ohledu na to využít.Chlazení je zvláště důležité pro minimalizaci ztráty výkonu lithium-iontové baterie.Například možná daná baterie funguje optimálně při 20 °C;pokud se teplota náplně zvýší na 30 °C, může se její výkonnost snížit až o 20 %.Pokud je baterie nepřetržitě nabíjena a dobíjena při 45 °C (113 °F), může ztráta výkonu vzrůst až na 50 %.Životnost baterie může také trpět předčasným stárnutím a degradací, pokud je neustále vystavena nadměrnému vývinu tepla, zejména během cyklů rychlého nabíjení a vybíjení.Chlazení se obvykle dosahuje dvěma způsoby, pasivním nebo aktivním, přičemž lze použít obě techniky.Pasivní chlazení se opírá o pohyb proudění vzduchu pro chlazení baterie.V případě elektrického vozidla to znamená, že se jednoduše pohybuje po silnici.Může to však být sofistikovanější, než se zdá, protože senzory rychlosti vzduchu by mohly být integrovány tak, aby strategicky automaticky upravovaly vychylovací přepážky pro maximalizaci proudění vzduchu.Implementace aktivního ventilátoru s řízenou teplotou může pomoci při nízkých rychlostech nebo při zastavení vozidla, ale vše, co může udělat, je pouze vyrovnat sadu s okolní teplotou.V případě horkého dne by to mohlo zvýšit počáteční teplotu balení.Tepelně hydraulické aktivní chlazení může být navrženo jako doplňkový systém a typicky využívá chladivo etylenglykol se specifikovaným poměrem směsi, cirkulující přes čerpadlo poháněné elektromotorem přes trubky/hadice, rozvodné potrubí, výměník tepla s křížovým prouděním (radiátor) a chladicí deska umístěná proti sestavě baterie.Systém BMS monitoruje teploty v bloku a otevírá a zavírá různé ventily, aby udržoval teplotu celé baterie v úzkém teplotním rozsahu, aby byl zajištěn optimální výkon baterie.

Řízení kapacity

Maximalizace kapacity baterie je pravděpodobně jednou z nejdůležitějších vlastností baterie, kterou BMS poskytuje.Pokud se tato údržba neprovede, baterie se nakonec může stát nepoužitelnou.Základem problému je, že „zásobník“ bateriových sad (řadové pole článků) není dokonale stejný a ve své podstatě má mírně odlišné rychlosti úniku nebo samovybíjení.Únik není vadou výrobce, ale chemickou charakteristikou baterie, i když může být statisticky ovlivněna drobnými odchylkami výrobního procesu.Zpočátku může mít bateriová sada dobře přizpůsobené články, ale postupem času se podobnost mezi buňkami dále zhoršuje, a to nejen kvůli samovybíjení, ale také vlivem cyklů nabíjení/vybíjení, zvýšené teploty a obecného stárnutí podle kalendáře.Když to pochopíte, vzpomeňte si dříve na diskusi o tom, že lithium-iontové články fungují skvěle, ale mohou být poněkud nemilosrdné, pokud jsou provozovány mimo těsnou SOA.Již dříve jsme se dozvěděli o požadované elektrické ochraně, protože lithium-iontové články se nevypořádávají dobře s přebíjením.Jakmile jsou plně nabité, nemohou přijmout žádný další proud a jakákoli další energie, která je do něj vtlačena, se promění v teplo, přičemž napětí potenciálně rychle stoupá, možná na nebezpečnou úroveň.Pro buňku to není zdravá situace a pokud bude pokračovat, může způsobit trvalé poškození a nebezpečné provozní podmínky.

Pole článků série baterií určuje celkové napětí baterie a nesoulad mezi sousedními články vytváří dilema při pokusu o nabití jakékoli sady.Obrázek 3 ukazuje, proč tomu tak je.Pokud má jeden dokonale vyváženou sadu článků, je vše v pořádku, protože každý se bude nabíjet stejným způsobem a nabíjecí proud může být přerušen, když je dosaženo horní mezní hodnoty 4,0 napětí.V nevyváženém scénáři však horní článek dosáhne svého limitu nabití brzy a nabíjecí proud musí být ukončen pro větev předtím, než budou ostatní spodní články nabity na plnou kapacitu.

BMS je to, co zasáhne a zachrání den, nebo v tomto případě baterii.Abychom ukázali, jak to funguje, je třeba vysvětlit klíčovou definici.Stav nabití (SOC) článku nebo modulu v daném čase je úměrný dostupnému nabití vzhledem k celkovému nabití při plném nabití.Baterie, která je na 50 % SOC, tedy znamená, že je nabitá na 50 %, což je obdoba hodnoty palivoměru.Správa kapacity BMS je o vyvažování variací SOC napříč každým stohem v sestavě balení.Protože SOC není přímo měřitelná veličina, lze ji odhadnout různými technikami a samotné vyrovnávací schéma obecně spadá do dvou hlavních kategorií, pasivní a aktivní.Existuje mnoho variací témat a každý typ má své klady a zápory.Je na konstruktérovi BMS, aby rozhodl, která je pro danou baterii a její aplikaci optimální.Pasivní vyvažování je nejjednodušší implementovat, stejně jako vysvětlit obecný koncept vyvažování.Pasivní metoda umožňuje, aby každý článek v zásobníku měl stejnou nabitou kapacitu jako ten nejslabší článek.Pomocí relativně nízkého proudu přenáší během nabíjecího cyklu malé množství energie z článků s vysokým SOC, takže se všechny články nabijí na maximální SOC.Obrázek 4 ukazuje, jak toho BMS dosahuje.Monitoruje každý článek a paralelně s každým článkem využívá tranzistorový spínač a vhodně dimenzovaný vybíjecí odpor.Když BMS zjistí, že se daný článek blíží limitu nabití, nasměruje nadbytečný proud kolem něj do dalšího článku níže způsobem shora dolů.

Koncové body procesu vyvažování, před a po, jsou znázorněny na obrázku 5. Souhrnně řečeno, BMS vyrovnává sadu baterií tím, že umožňuje článku nebo modulu ve stohu vidět jiný nabíjecí proud než proud baterie jedním z následujících způsobů:

• Odstranění náboje z nejvíce nabitých článků, což poskytuje prostor pro dodatečný nabíjecí proud, aby se zabránilo přebíjení, a umožňuje méně nabitým článkům přijímat větší nabíjecí proud
• Přesměrování části nebo téměř celého nabíjecího proudu kolem nejvíce nabitých článků, což umožňuje méně nabitým článkům přijímat nabíjecí proud po delší dobu

Typy systémů správy baterií

Systémy správy baterií se pohybují od jednoduchých až po složité a mohou zahrnovat širokou škálu různých technologií, aby dosáhly své hlavní směrnice „starat se o baterii“.Tyto systémy však mohou být kategorizovány na základě jejich topologie, která souvisí s tím, jak jsou instalovány a fungují na článcích nebo modulech v bateriovém bloku.

Centralizovaná architektura BMS

Má jeden centrální BMS v sestavě baterie.Všechny bateriové sady jsou připojeny přímo k centrálnímu BMS.Struktura centralizovaného BMS je znázorněna na obrázku 6. Centralizovaný BMS má některé výhody.Je kompaktnější a má tendenci být nejekonomičtější, protože existuje pouze jeden BMS.Existují však nevýhody centralizovaného BMS.Protože jsou všechny baterie připojeny k BMS přímo, BMS potřebuje mnoho portů pro připojení ke všem bateriovým sadám.To znamená spoustu drátů, kabeláže, konektorů atd. ve velkých bateriových sadách, což komplikuje jak odstraňování problémů, tak údržbu.

Modulární topologie BMS

Podobně jako u centralizované implementace je BMS rozdělen do několika duplikovaných modulů, z nichž každý má vyhrazený svazek vodičů a připojení k přilehlé přiřazené části sady baterií.Viz obrázek 7. V některých případech mohou být tyto submoduly BMS umístěny pod dohledem primárního modulu BMS, jehož funkcí je monitorovat stav submodulů a komunikovat s periferním zařízením.Díky duplicitní modularitě je odstraňování problémů a údržba snazší a rozšíření na větší baterie je přímočaré.Nevýhodou je, že celkové náklady jsou o něco vyšší a v závislosti na aplikaci může dojít k duplikaci nevyužitých funkcí.

Primární/podřízený BMS

Koncepčně podobné modulární topologii, ale v tomto případě jsou podřízené jednotky více omezeny na pouhé předávání informací o měření a master se věnuje výpočtu a řízení, stejně jako externí komunikaci.Takže, stejně jako u modulárních typů, mohou být náklady nižší, protože funkčnost podřízených jednotek bývá jednodušší, s pravděpodobně menší režií a méně nevyužitými funkcemi.

Distribuovaná architektura BMS

Značně se liší od ostatních topologií, kde jsou elektronický hardware a software zapouzdřeny v modulech, které jsou propojeny s buňkami prostřednictvím svazků připojených kabelů.Distribuovaný BMS zahrnuje veškerý elektronický hardware na řídicí desce umístěné přímo na buňce nebo modulu, který je monitorován.To odlehčí většinu kabeláže k několika senzorovým vodičům a komunikačním vodičům mezi sousedními moduly BMS.V důsledku toho je každý BMS více soběstačný a podle potřeby zpracovává výpočty a komunikaci.Navzdory této zdánlivé jednoduchosti však tato integrovaná forma činí odstraňování problémů a údržbu potenciálně problematickou, protože je umístěna hluboko uvnitř sestavy modulu štítu.Náklady také bývají vyšší, protože v celkové struktuře akumulátoru je více BMS.

Význam systémů správy baterií

Funkční bezpečnost je u BMS nejdůležitější.Během nabíjení a vybíjení je důležité zabránit tomu, aby napětí, proud a teplota jakéhokoli článku nebo modulu pod dohledem překročily definované limity SOA.Pokud jsou limity překračovány po delší dobu, nejenže je ohrožena potenciálně drahá baterie, ale může dojít k nebezpečným teplotním únikům.Navíc jsou důsledně sledovány i meze spodních prahových hodnot napětí pro ochranu lithium-iontových článků a funkční bezpečnost.Pokud Li-ion baterie zůstane v tomto nízkonapěťovém stavu, mohly by na anodě nakonec narůst měděné dendrity, což může mít za následek zvýšené samovybíjení a zvýšit možné bezpečnostní obavy.Vysoká energetická hustota lithium-iontových systémů přichází za cenu, která ponechává malý prostor pro chyby při správě baterie.Díky BMS a lithium-iontovým vylepšením se jedná o jednu z nejúspěšnějších a nejbezpečnějších baterií, které jsou dnes k dispozici.

Výkon baterie je další nejvyšší důležitou vlastností BMS, a to zahrnuje elektrické a tepelné řízení.Pro elektrickou optimalizaci celkové kapacity baterie je nutné, aby byly všechny články v sadě vyváženy, což znamená, že SOC sousedních článků v celé sestavě jsou přibližně ekvivalentní.To je výjimečně důležité, protože nejenže lze dosáhnout optimální kapacity baterie, ale pomáhá to předcházet obecné degradaci a omezuje potenciální horké body z přebíjení slabých článků.Lithium-iontové baterie by se měly vyvarovat vybíjení pod limity nízkého napětí, protože to může mít za následek paměťové efekty a významnou ztrátu kapacity.Elektrochemické procesy jsou vysoce citlivé na teplotu a baterie nejsou výjimkou.Když teplota prostředí klesne, kapacita a dostupná energie baterie se výrazně sníží.V důsledku toho může BMS zapojit externí řadový ohřívač, který je umístěn řekněme na kapalinovém chladicím systému sady baterií elektrického vozidla, nebo zapínané desky rezidentního ohřívače, které jsou instalovány pod moduly sady začleněné do vrtulníku nebo jiného letadlo.Navíc, protože nabíjení chladných lithium-iontových článků je škodlivé pro životnost baterie, je důležité nejprve dostatečně zvýšit teplotu baterie.Většinu lithium-iontových článků nelze rychle nabít, když jsou nižší než 5 °C, a neměly by se nabíjet vůbec, když jsou pod 0 °C.Pro optimální výkon při typickém provozním použití tepelný management BMS často zajišťuje, že baterie pracuje v úzké oblasti provozu Goldilocks (např. 30 – 35 °C).To zajišťuje výkon, podporuje delší životnost a podporuje zdravou a spolehlivou baterii.

Výhody systémů správy baterií

Celý systém ukládání energie z baterií, často označovaný jako BESS, by se mohl skládat z desítek, stovek nebo dokonce tisíců lithium-iontových článků strategicky zabalených dohromady, v závislosti na aplikaci.Tyto systémy mohou mít jmenovité napětí nižší než 100 V, ale mohou dosahovat až 800 V, s napájecími proudy sady až 300 A nebo více.Jakékoli špatné zacházení s vysokonapěťovou baterií by mohlo vyvolat život ohrožující katastrofickou katastrofu.V důsledku toho jsou BMS naprosto zásadní pro zajištění bezpečného provozu.Výhody BMS lze shrnout následovně.

• Funkční bezpečnost.Ruce dolů, u velkoformátových lithium-iontových bateriových sad je to obzvláště rozumné a nezbytné.Je však známo, že i menší formáty používané například v noteboocích se vznítí a způsobí obrovské škody.Osobní bezpečnost uživatelů produktů, které obsahují lithium-iontové systémy, ponechává jen malý prostor pro chyby při správě baterií.
• Životnost a spolehlivost.Řízení ochrany baterie, elektrické a tepelné, zajišťuje, že všechny články jsou používány v rámci deklarovaných požadavků SOA.Tento jemný dohled zajišťuje, že je o články postaráno proti agresivnímu používání a cyklům rychlého nabíjení a vybíjení a nevyhnutelně vede ke stabilnímu systému, který bude potenciálně poskytovat mnoho let spolehlivé služby.
• Výkon a rozsah.Řízení kapacity bateriové sady BMS, kde se vyrovnávání mezi články využívá k vyrovnání SOC sousedních článků v sestavě sady, umožňuje dosažení optimální kapacity baterie.Bez této funkce BMS, která zohledňuje změny v samovybíjení, cyklech nabíjení/vybíjení, teplotních vlivech a obecném stárnutí, by se baterie mohla nakonec stát nepoužitelnou.
• Diagnostika, sběr dat a externí komunikace.Úkoly dohledu zahrnují nepřetržité monitorování všech bateriových článků, kde záznam dat může být sám o sobě použit pro diagnostiku, ale často je určen pro výpočetní úkol pro odhad SOC všech článků v sestavě.Tyto informace se využívají pro vyvažovací algoritmy, ale lze je společně přenášet na externí zařízení a displeje, aby indikovaly dostupnou rezidentní energii, odhadovaly očekávaný dosah nebo dosah/životnost na základě aktuálního využití a poskytovaly informace o stavu baterie.
• Snížení nákladů a záruky.Zavedení BMS do BESS zvyšuje náklady a baterie jsou drahé a potenciálně nebezpečné.Čím složitější systém, tím vyšší požadavky na bezpečnost, což vede k potřebě větší přítomnosti dohledu BMS.Ale ochrana a preventivní údržba BMS týkající se funkční bezpečnosti, životnosti a spolehlivosti, výkonu a dosahu, diagnostiky atd. zaručuje, že sníží celkové náklady, včetně těch souvisejících se zárukou.

Battery Management Systems a Synopsys

Simulace je cenným spojencem pro návrh BMS, zejména pokud je aplikována na zkoumání a řešení návrhových výzev v rámci vývoje hardwaru, prototypování a testování.S přesným modelem lithium-iontových článků ve hře je simulační model architektury BMS spustitelnou specifikací uznávanou jako virtuální prototyp.Simulace navíc umožňuje bezbolestné zkoumání variant funkcí dohledu BMS proti různým scénářům provozu baterií a prostředí.Problémy s implementací mohou být objeveny a prozkoumány velmi brzy, což umožňuje ověření výkonu a funkční bezpečnosti před implementací na skutečném prototypu hardwaru.To zkracuje dobu vývoje a pomáhá zajistit, že první prototyp hardwaru bude robustní.Kromě toho lze u BMS a bateriové sady provést mnoho ověřovacích testů, včetně nejhorších scénářů, pokud jsou prováděny ve fyzicky realistických aplikacích vestavěného systému.

Synopsys SaberRDnabízí rozsáhlé knihovny elektrických, digitálních, řídicích a tepelných hydraulických modelů, které umožňují inženýrům se zájmem o návrh a vývoj BMS a bateriových sad.K dispozici jsou nástroje pro rychlé generování modelů ze základních technických údajů a křivek měření pro mnoho elektronických zařízení a různé chemické typy baterií.Statistické, zátěžové a chybové analýzy umožňují ověření napříč spektry provozní oblasti, včetně hraničních oblastí, aby byla zajištěna celková spolehlivost BMS.Kromě toho je nabízeno mnoho příkladů návrhů, které uživatelům umožňují rychle zahájit projekt a rychle získat odpovědi potřebné ze simulace.