Система управления аккумулятором

Электронная система, управляющая аккумуляторной батареей

Система управления аккумуляторной батареей ( BMS ) — это любая электронная система, которая управляет перезаряжаемой батареей ( элементом или аккумуляторной батареей ), обеспечивая безопасное использование и длительный срок службы батареи в практических сценариях, одновременно контролируя и оценивая ее различные состояния (например, состояние работоспособности и уровень заряда ), ^[1] вычисляя вторичные данные, сообщая эти данные, контролируя ее среду, аутентифицируя или балансируя ее. ^[2] Модуль защитной цепи ( PCM ) — это более простая альтернатива BMS. ^[3] Аккумуляторная батарея, встроенная вместе с системой управления батареей с внешней шиной данных связи, является интеллектуальной аккумуляторной батареей . Интеллектуальная аккумуляторная батарея должна заряжаться с помощью интеллектуального зарядного устройства . ^{[1] [4]}

Функции

Схема безопасности для четырехэлементных аккумуляторов LiFePO4 с балансиром

Монитор

Система BMS может контролировать состояние батареи, отображаемое различными параметрами, такими как:

• Напряжение : общее напряжение, напряжение отдельных ячеек или напряжение периодических отводов ^{[ необходимо разъяснение ]}
• Температура : средняя температура, температура на входе охлаждающей жидкости, температура на выходе охлаждающей жидкости или температуры отдельных ячеек.
• Поток охлаждающей жидкости: для батарей с жидкостным охлаждением
• Ток : ток в батарее или из нее
• Здоровье отдельных клеток
• Состояние равновесия клеток

Системы электромобилей: рекуперация энергии

• Система BMS также будет контролировать зарядку аккумулятора, перенаправляя восстановленную энергию (например, от рекуперативного торможения ) обратно в аккумуляторную батарею (обычно состоящую из нескольких аккумуляторных модулей, каждый из которых состоит из нескольких ячеек).

Системы терморегулирования аккумуляторов могут быть как пассивными, так и активными, а охлаждающей средой может быть воздух, жидкость или некая форма фазового перехода. Воздушное охлаждение выгодно своей простотой. Такие системы могут быть пассивными, полагаясь только на конвекцию окружающего воздуха, или активными, используя вентиляторы для воздушного потока. В коммерческих целях Honda Insight и Toyota Prius используют активное воздушное охлаждение своих аккумуляторных систем. ^[5] Основным недостатком воздушного охлаждения является его неэффективность. Для работы механизма охлаждения необходимо использовать большое количество энергии, гораздо больше, чем при активном жидкостном охлаждении. ^[6] Дополнительные компоненты механизма охлаждения также увеличивают вес BMS, снижая эффективность аккумуляторов, используемых для транспортировки.

Жидкостное охлаждение имеет более высокий естественный охлаждающий потенциал, чем воздушное охлаждение, поскольку жидкие охладители, как правило, имеют более высокую теплопроводность, чем воздух. Аккумуляторы могут быть либо непосредственно погружены в охладитель, либо охладитель может протекать через BMS без прямого контакта с аккумулятором. Косвенное охлаждение может создавать большие температурные градиенты через BMS из-за увеличенной длины охлаждающих каналов. Это можно уменьшить, прокачивая охладитель через систему быстрее, создавая компромисс между скоростью прокачки и тепловой постоянством. ^[6]

Вычисление

Кроме того, BMS может рассчитывать значения на основе перечисленных ниже пунктов, таких как: ^{[1] [4]}

• Напряжение : минимальное и максимальное напряжение ячейки
• Состояние заряда (SoC) или глубина разряда (DoD) для указания уровня заряда аккумулятора
• Состояние работоспособности (SoH) — это по-разному определяемая мера остаточной емкости аккумулятора как доли от первоначальной емкости.
• Состояние мощности (SoP) — это количество мощности, доступное в течение определенного интервала времени с учетом текущего энергопотребления, температуры и других условий.
• Состояние безопасности (SOS)
• Максимальный ток заряда как предел тока заряда (CCL)
• Максимальный ток разряда как предел тока разряда (DCL)
• Энергия, выработанная с момента последней зарядки или цикла зарядки
• Внутреннее сопротивление ячейки (для определения напряжения разомкнутой цепи)
• Заряд, переданный или сохраненный (иногда эта функция называется подсчетом кулонов )
• Общее время работы с момента первого использования
• Общее количество циклов
• Мониторинг температуры
• Поток охлаждающей жидкости для батарей с воздушным или жидкостным охлаждением

Коммуникация

Центральный контроллер BMS взаимодействует внутри с аппаратным обеспечением, работающим на уровне ячейки, или внешне с высокоуровневым оборудованием, таким как ноутбуки или HMI . ^{[ необходимо разъяснение ]}

Внешняя коммуникация высокого уровня проста и использует несколько методов: ^{[ необходима ссылка ]}

• Различные типы последовательной связи .
• Коммуникации по шине CAN широко используются в автомобильной среде.
• Различные типы беспроводной связи . ^[7]

Низковольтные централизованные системы управления зданием в большинстве своем не имеют внутренних коммуникаций.

Распределенные или модульные BMS должны использовать некоторую низкоуровневую внутреннюю ячейку-контроллер (модульная архитектура) или контроллер-контроллер (распределенная архитектура). Эти типы связи сложны, особенно для высоковольтных систем. Проблема заключается в сдвиге напряжения между ячейками. Первый сигнал заземления ячейки может быть на сотни вольт выше, чем сигнал заземления другой ячейки. Помимо программных протоколов, существуют два известных способа аппаратной связи для систем смещения напряжения: оптическая развязка и беспроводная связь . Другим ограничением для внутренней связи является максимальное количество ячеек. Для модульной архитектуры большинство аппаратных средств ограничено максимум 255 узлами. Для высоковольтных систем время поиска всех ячеек является еще одним ограничением, ограничивающим минимальную скорость шины и теряющим некоторые аппаратные опции. Стоимость модульных систем важна, поскольку она может быть сопоставима со стоимостью ячейки. ^[8] Сочетание аппаратных и программных ограничений приводит к нескольким вариантам для внутренней связи:

• Изолированные последовательные коммуникации
• Беспроводная последовательная связь

Чтобы обойти ограничения мощности существующих USB-кабелей из-за тепла от электрического тока, были разработаны протоколы связи, реализованные в зарядных устройствах мобильных телефонов для согласования повышенного напряжения, наиболее широко используемые из которых - Qualcomm Quick Charge и MediaTek Pump Express . « VOOC » от ​​Oppo (также известный как «Dash Charge» с «OnePlus») увеличивает ток вместо напряжения с целью уменьшения тепла, выделяемого в устройстве от внутреннего преобразования повышенного напряжения до напряжения зарядки на клеммах аккумулятора, что, однако, делает его несовместимым с существующими USB-кабелями и полагается на специальные высокоточные USB-кабели с соответственно более толстыми медными проводами. Совсем недавно стандарт USB Power Delivery нацелен на универсальный протокол согласования для устройств мощностью до 240 Вт. ^[9]

Защита

Главный контроллер BMS

Система BMS может защитить свою батарею, не допуская ее работы за пределами безопасной рабочей зоны , например: ^{[1] [10]}

• Перезарядка
• Чрезмерная разрядка
• Перегрузка по току во время зарядки
• Перегрузка по току во время разряда
• Перенапряжение во время зарядки, особенно важно для свинцово-кислотных , литий-ионных и LiFePO4 элементов.
• Пониженное напряжение во время разряда, особенно важно для литий-ионных и LiFePO4 элементов.
• Перегрев
• Пониженная температура
• Избыточное давление ( аккумуляторы NiMH )
• Обнаружение замыкания на землю или утечки тока (система контролирует, что высоковольтная батарея электрически отключена от любого токопроводящего объекта, к которому можно прикоснуться, например, кузова транспортного средства)

Система BMS может предотвратить работу за пределами безопасной рабочей зоны батареи следующими способами:

• Включая внутренний переключатель (такой как реле или МОП-транзистор ), который размыкается, если аккумулятор эксплуатируется за пределами безопасной рабочей зоны.
• Попросите устройства сократить или даже прекратить использование или зарядку батареи.
• Активный контроль окружающей среды, например, с помощью обогревателей, вентиляторов, кондиционеров или жидкостного охлаждения
• Уменьшите скорость процессора, чтобы уменьшить нагрев.

Подключение аккумулятора к цепи нагрузки

BMS также может иметь систему предварительной зарядки, позволяющую безопасно подключать аккумулятор к различным нагрузкам и исключающую чрезмерные пусковые токи на нагрузочных конденсаторах.

Подключение к нагрузкам обычно контролируется через электромагнитные реле, называемые контакторами. Цепь предварительной зарядки может быть либо силовыми резисторами, подключенными последовательно с нагрузками, пока конденсаторы не зарядятся. В качестве альтернативы, импульсный источник питания , подключенный параллельно нагрузкам, может использоваться для зарядки напряжения цепи нагрузки до уровня, достаточно близкого к напряжению батареи, чтобы позволить замкнуть контакторы между батареей и цепью нагрузки. BMS может иметь схему, которая может проверять, замкнуто ли реле перед перезарядкой (например, из-за сварки), чтобы предотвратить возникновение пусковых токов.

Балансировка

Распределенная система управления аккумуляторными батареями

Чтобы максимизировать емкость батареи и предотвратить локальный недозаряд или перезаряд, BMS может активно гарантировать, что все ячейки, составляющие батарею, поддерживаются на одинаковом напряжении или состоянии заряда, посредством балансировки. BMS может балансировать ячейки следующим образом:

• Рассеивание энергии из наиболее заряженных ячеек путем подключения их к нагрузке (например, через пассивные регуляторы )
• Перераспределение энергии от наиболее заряженных ячеек к наименее заряженным ячейкам ( балансирам )
• Уменьшение зарядного тока до достаточно низкого уровня, который не повредит полностью заряженные элементы, в то время как менее заряженные элементы могут продолжать заряжаться (не относится к элементам литиевой химии)

Некоторые зарядные устройства выполняют балансировку, заряжая каждую ячейку независимо. Это часто выполняется BMS, а не зарядным устройством (которое обычно обеспечивает только основной зарядный ток и не взаимодействует с батареей на уровне группы ячеек), например, зарядные устройства для электровелосипедов и ховербордов . При этом методе BMS запросит более низкий зарядный ток (например, аккумуляторы электромобилей) или отключит зарядный вход (типично для портативной электроники) с помощью транзисторной схемы, пока действует балансировка (для предотвращения перезарядки ячеек).

Топологии

Модуль передачи данных по кабелю

Беспроводная связь BMS

Технологии BMS различаются по сложности и производительности:

• Простые пассивные регуляторы обеспечивают балансировку между батареями или ячейками, обходя зарядный ток, когда напряжение ячейки достигает определенного уровня. Напряжение ячейки является плохим индикатором SoC ячейки (и для некоторых литиевых химий, таких как LiFePO
  ₄, это вообще не показатель), поэтому выравнивание напряжений ячеек с помощью пассивных регуляторов не уравновешивает SoC, что является целью BMS. Поэтому такие устройства, хотя и безусловно полезны, имеют серьезные ограничения в своей эффективности.
• Активные регуляторы интеллектуально включают и выключают нагрузку, когда это необходимо, опять же для достижения балансировки. Если в качестве параметра для включения активных регуляторов используется только напряжение ячейки, то применяются те же ограничения, что и для пассивных регуляторов, указанные выше.
• Полная система BMS также выводит на дисплей информацию о состоянии батареи и защищает ее.

Топологии BMS делятся на три категории:

• Централизованный: один контроллер подключен к ячейкам батареи через множество проводов.
• Распределенная: плата BMS установлена ​​на каждой ячейке, между батареей и контроллером имеется только один кабель связи
• Модульная: несколько контроллеров, каждый из которых обрабатывает определенное количество ячеек, со связью между контроллерами

Централизованные BMS являются наиболее экономичными, наименее расширяемыми и страдают от множества проводов. Распределенные BMS являются наиболее дорогими, наиболее простыми в установке и предлагают самую чистую сборку. Модульные BMS предлагают компромисс между функциями и проблемами двух других топологий.

Требования к BMS в мобильных приложениях (например, электромобили) и стационарных приложениях (например, резервные ИБП в серверной комнате ) существенно различаются, особенно в отношении ограничений по пространству и весу, поэтому аппаратные и программные реализации должны быть адаптированы к конкретному использованию. В случае электромобилей или гибридных автомобилей BMS является только подсистемой и не может работать как автономное устройство. Она должна взаимодействовать как минимум с зарядным устройством (или зарядной инфраструктурой), нагрузкой, подсистемами управления температурным режимом и аварийного отключения. Поэтому в хорошей конструкции транспортного средства BMS тесно интегрирована с этими подсистемами. Некоторые небольшие мобильные приложения (например, тележки для медицинского оборудования, моторизованные инвалидные коляски, скутеры и вилочные погрузчики) часто имеют внешнее зарядное оборудование, однако бортовая BMS все равно должна иметь тесную интеграцию конструкции с внешним зарядным устройством.

Используются различные методы балансировки аккумуляторных батарей , некоторые из которых основаны на теории состояния заряда .

Смотрите также

• Балансировка батареи
• Умная батарея
• Зарядное устройство для аккумулятора
• Контроллер заряда

Ссылки

1. Прадхан, SK; Чакраборти, Б. (2022-07-01). «Стратегии управления батареями: важный обзор методов мониторинга состояния батареи». Журнал хранения энергии . 51 : 104427. Bibcode : 2022JEnSt..5104427P. doi : 10.1016/j.est.2022.104427. ISSN  2352-152X.
2. Барсуков, Евгений; Цянь, Цзиньжун (май 2013). Управление питанием от аккумулятора для портативных устройств. Artech House. ISBN 9781608074914.
3. "PCM против BMS, дилемма для разработчиков продуктов". BMS PowerSafe® . 2016-06-01 . Получено 2024-03-21 .
4. Kim, Minjoon; So, Jaehyuk (2023-12-01). «Проектирование СБИС и реализация ПЛИС для оценки состояния заряда и работоспособности систем управления аккумуляторными батареями электромобилей». Журнал хранения энергии . 73 : 108876. Bibcode : 2023JEnSt..7308876K. doi : 10.1016/j.est.2023.108876. ISSN  2352-152X.
5. Лю, Хуацян; Вэй, Чжунбао; Хэ, Вэйдун; Чжао, Цзиюнь (октябрь 2017 г.). «Термические проблемы литий-ионных аккумуляторов и недавний прогресс в системах терморегулирования аккумуляторов: обзор». Преобразование энергии и управление . 150 : 304–330. Bibcode : 2017ECM...150..304L. doi : 10.1016/j.enconman.2017.08.016. ISSN  0196-8904.
6. Chen, Dafen; Jiang, Jiuchun; Kim, Gi-Heon; Yang, Chuanbo; Pesaran, Ahmad (февраль 2016 г.). «Сравнение различных методов охлаждения для литий-ионных аккумуляторных ячеек». Applied Thermal Engineering . 94 : 846–854. Bibcode : 2016AppTE..94..846C. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015 . ISSN  1359-4311.
7. Мариус Валле (19 ноября 2016 г.). «Послушайте, чтобы дать вам больше рекомендаций по телефону». Teknisk Ukeblad (на норвежском языке) . Проверено 20 ноября 2016 г.
8. "Different Battery Management System Topology". Архивировано из оригинала 2020-10-22 . Получено 2021-12-06 .{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
9. Сумукх Рао (2020-04-09). «Qualcomm Quick Charge против OnePlus Warp Charge против Oppo VOOC против USB-PD – Битва технологий быстрой зарядки». TechPP . Получено 2021-12-06 .
10. Ли, Ю-Лин; Линь, Чан-Хуа; Пай, Кай-Джун; Линь, Ю-Лян (2022-09-01). «Модульная конструкция и валидация систем управления батареями на основе архитектур с двойной концентрацией». Журнал хранения энергии . 53 : 105068. Bibcode : 2022JEnSt..5305068L. doi : 10.1016/j.est.2022.105068. ISSN  2352-152X.

Внешние ссылки

• Модульный подход к непрерывной балансировке на уровне ячеек для повышения производительности больших аккумуляторных батарей, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии , сентябрь 2014 г.