Система управления батареями

Электронная система, которая управляет перезаряжаемой батареей (элемент или батарейный блок)

A система управления батареей (BMS ) - это любая электронная система, которая управляет аккумулятор (элемент или батарейный блок ), например, путем защиты батареи от работы за пределами ее безопасной рабочей зоны, наблюдения за ее состояние, вычисление вторичных данных, отчет об этих данных, управление средой, аутентификация и / или балансировка его.

A аккумуляторная батарея, построенная вместе с системой управления батареями с внешней связью шина данных - это интеллектуальный аккумулятор. Интеллектуальный аккумуляторный блок должен заряжаться с помощью интеллектуального зарядного устройства.

• 1 Функции
  • 1.1 Монитор
  • 1.2 Системы электромобилей: рекуперация энергии
  • 1.3 Управление температурой
  • 1.4 Вычисления
  • 1.5 Связь
  • 1.6 Защита
  • 1.7 Подключение батареи к цепи нагрузки
  • 1.8 Оптимизация
• 2 Топологии
• 3 См. Также
• 4 Внешние ссылки
• 5 Ссылки

Схема безопасности для 4-элементных батарей LiFePO4 с балансиром

Монитор

BMS может контролировать состояние батареи, представленное различными элементами, такими как:

• Напряжение : общее напряжение, напряжения отдельных ячеек или напряжения периодических отводов
• Температура : средняя температура, температура охлаждающей жидкости на входе, температура охлаждающей жидкости на выходе или температуры отдельных элементов
• Поток охлаждающей жидкости: для батарей с воздушным или жидкостным охлаждением
• Ток : ток в аккумуляторе или выходе из него

Системы электромобилей: рекуперация энергии

• BMS также будет контролировать подзарядку батареи. В результате, рекуперированная энергия (т.е. от рекуперативного торможения ) перенаправляется обратно в аккумуляторную батарею (обычно состоящую из нескольких аккумуляторных модулей, каждый из которых состоит из нескольких ячеек).

Управление температурой

Системы терморегулирования аккумуляторных батарей могут быть пассивными или активными, а охлаждающая среда может быть воздухом, жидкостью или какой-либо формой фазового перехода. Воздушное охлаждение выгодно своей простотой. Такие системы могут быть пассивными, полагаясь только на конвекцию окружающего воздуха, или активными, использующими вентиляторы для воздушного потока. В коммерческих целях и Honda Insight, и Toyota Prius используют активное воздушное охлаждение своих аккумуляторных систем. Главный недостаток воздушного охлаждения - его неэффективность. Для работы охлаждающего механизма требуется большое количество энергии, намного больше, чем активное жидкостное охлаждение. Дополнительные компоненты охлаждающего механизма также увеличивают вес BMS, снижая эффективность аккумуляторов, используемых при транспортировке.

Жидкостное охлаждение имеет более высокий потенциал естественного охлаждения, чем воздушное охлаждение, поскольку жидкие охлаждающие жидкости, как правило, имеют более высокую теплопроводность, чем воздух. Батареи могут быть либо непосредственно погружены в охлаждающую жидкость, либо охлаждающая жидкость может протекать через BMS без прямого контакта с аккумулятором. Непрямое охлаждение может создавать большие температурные градиенты через BMS из-за увеличенной длины охлаждающих каналов. Это можно уменьшить, прокачивая охлаждающую жидкость через систему быстрее, создавая компромисс между скоростью откачки и термической консистенцией.

Вычисление

Кроме того, BMS может рассчитывать значения на основе вышеуказанных элементов, например как:

• Напряжение : минимальное и максимальное напряжение элемента
• Состояние заряда (SOC) или глубина разряда (DOD), чтобы указать уровень заряда батареи
• Состояние здоровья (SOH), измеряемое по-разному измеряемое значение оставшейся емкости аккумулятора в% от исходной емкости
• (SOP), количество энергии, доступное в течение определенного интервала времени с учетом текущего энергопотребления, температуры и других условий
• Состояние безопасности (SOS)
• Максимальный ток заряда как (CCL)
• Максимальный ток разряда как (DCL)
• Энергия [кВтч], доставленная с момента последней зарядки или цикла зарядки
• Внутреннее сопротивление элемента (для определения напряжения холостого хода)
• Заряд [Ач] доставлен или сохранен (иногда эта особенность называется кулоновской счетчик)
• Общая энергия, отданная с момента первого использования
• Общее время работы с момента первого использования
• Общее количество циклов

Связь

Центральный контроллер BMS внутренне обменивается данными со своим оборудованием, работающим на уровне ячейки, или извне с оборудованием высокого уровня, таким как ноутбуки или HMI.

Внешняя связь высокого уровня проста и использует несколько методов:

• Различные типы последовательная связь.
• шина CAN связь, обычно используемая в автомобильной среде.
• Различные типы беспроводной связи.

низковольтные централизованные BMS в большинстве случаев не имеют внутренней связи. Они измеряют напряжение ячейки путем деления сопротивления.

Распределенные или модульные BMS должны использовать некоторую внутреннюю связь контроллера ячейки (модульная архитектура) или контроллер-контроллер (распределенная архитектура) на низком уровне. Эти виды связи сложны, особенно для систем высокого напряжения. Проблема в сдвиге напряжения между ячейками. Сигнал заземления первой ячейки может быть на сотни вольт выше, чем сигнал заземления другой ячейки. Помимо программных протоколов, существует два известных способа аппаратной связи для систем переключения напряжения: оптический изолятор и беспроводная связь. Еще одно ограничение для внутренних коммуникаций - максимальное количество ячеек. Для модульной архитектуры большая часть оборудования ограничена максимум 255 узлами. Для высоковольтных систем время поиска всех ячеек является еще одним ограничением, ограничивающим минимальную скорость шины и теряющим некоторые параметры оборудования. Стоимость модульных систем важна, потому что она может быть сопоставима с ценой ячейки. Комбинация аппаратных и программных ограничений приводит к появлению нескольких вариантов внутренней связи:

• Изолированная последовательная связь
• беспроводная последовательная связь

Защита

BMS может защитить свою батарею, предотвращая ее от работы за пределами своей безопасной рабочей зоны, например:

• Перегрузка по току (может отличаться в режимах зарядки и разрядки)
• Повышенное напряжение (во время зарядки), особенно важно для свинцово-кислотные и литий-ионные элементы
• Пониженное напряжение (во время разряда)
• Перегрев
• Пониженное температура
• Повышенное давление (NiMH батареи)
• Обнаружение замыкания на землю или тока утечки (система контролирует, что высоковольтная батарея электрически отключена от любого проводящего объекта, которого можно коснуться например, кузов автомобиля)

BMS может препятствовать работе вне зоны безопасной эксплуатации аккумулятора посредством:

• включения внутреннего переключателя (например, реле или твердотельного устройство ) который я s открывается, если батарея эксплуатируется за пределами безопасной рабочей зоны
• Запрос устройств, к которым подключен аккумулятор, для уменьшения или даже прекращения использования батареи.
• Активный контроль окружающей среды, например, посредством нагреватели, вентиляторы, кондиционер или жидкостное охлаждение Главный контроллер BMS

Подключение батареи к цепи нагрузки

BMS также может иметь систему предварительной зарядки, позволяющую безопасно подключать батарею к разным нагрузкам и исключая чрезмерные пусковые токи нагрузочных конденсаторов.

Подключение к нагрузке обычно контролируется с помощью электромагнитных реле, называемых контакторами. Цепь предварительной зарядки может состоять либо из силовых резисторов, включенных последовательно с нагрузкой, пока не будут заряжены конденсаторы. 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 замыкание контакторов между батареей и цепью нагрузки. BMS может иметь схему, которая может проверять, замкнуто ли уже реле перед предварительной зарядкой (например, из-за сварки), чтобы предотвратить возникновение пусковых токов.

Оптимизация

Распределенная система управления батареями

Чтобы максимально увеличить емкость батареи и предотвратить локальную недостаточную или избыточную зарядку, BMS может активно гарантировать, что все элементы, составляющие батарею сохраняются при одном и том же напряжении или состоянии зарядки посредством балансировки. BMS может уравновесить ячейки:

• расходуя энергию у наиболее заряженных ячеек, подключая их к нагрузке (например, через пассивные регуляторы )
• перетасовку энергии от наиболее заряженных к наименее заряженным (балансировщики )
• Снижение 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 химии лития) ячеек)
• Модульная зарядка

Кабельный модуль передачи данных Беспроводная связь BMS

Технология BMS различается по сложности и производительности:

• Простые пассивные регуляторы обеспечивают балансировку между батареями или элементами путем обхода зарядного тока, когда напряжение элемента достигает определенного уровня. Напряжение элемента является плохим индикатором SOC элемента (а для некоторых химических компонентов лития, таких как LiFePO4, это вообще не индикатор), таким образом, равные напряжения ячеек с использованием пассивных регуляторов не уравновешивают SOC, что является цель БМС. Следовательно, такие устройства, безусловно, полезны, но имеют серьезные ограничения в их 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 элемента, применяются те же ограничения, что и для пассивных регуляторов.
• Полная BMS также сообщает о состоянии батареи на дисплей и защищает батарею.

Топологии BMS подразделяются на 3 категории:

• Централизованные: один контроллер подключен к элементам батареи через множество проводов
• Распределенный: плата BMS устанавливается в каждой ячейке, всего лишь единый кабель связи между батареей и контроллером
• Модульный: несколько контроллеров, каждый из которых обслуживает определенное количество ячеек, со связью между контроллерами

Централизованные BMS наиболее экономичны, наименее расширяемы и страдают от множество проводов. Распределенные BMS - самые дорогие, простые в установке и максимально чистые сборки. Модульные BMS предлагают компромисс между функциями и проблемами двух других топологий.

Требования к BMS в мобильных приложениях (например, электромобилях) и стационарных приложениях (например, резервные ИБП в серверной ) сильно различаются, особенно в отношении размера и веса. требования к ограничениям, поэтому реализация аппаратного и программного обеспечения должна быть адаптирована к конкретному использованию. В случае электромобилей или гибридных автомобилей BMS является только подсистемой и не может работать как отдельное устройство. Он должен взаимодействовать как минимум с зарядным устройством (или зарядной инфраструктурой), нагрузкой, подсистемами управления температурным режимом и аварийного отключения. Следовательно, при хорошей конструкции автомобиля 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 оборудование для зарядки, однако бортовая BMS по-прежнему должна иметь тесную интеграцию конструкции с внешним зарядным устройством.

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

• Балансир батареи
• Мониторинг батареи
• Зарядное устройство

• Электропедия по системам управления батареями
• Оценка систем хранения энергии NREL
• Модульный подход к Непрерывная балансировка на уровне ячеек для повышения производительности больших аккумуляторных блоков, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, сентябрь 2014 г.
• Модульная система управления аккумуляторными батареями для HEV, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, 2002