Battery Management System (BMS) är en teknik speciellt utformad för att övervaka batteripaket, som är komponenter i battericeller som är elektriskt organiserade i en rad kolumnmatriskonfiguration för att tillhandahålla ett målområde för spänning och ström för förväntade belastningsförhållanden under en tidsperiod .
Tillsynen som tillhandahålls av BMS inkluderar vanligtvis:
- Övervakning av batteri
- Ge batteriskydd
- Uppskatta batteriets arbetsstatus
- Kontinuerlig optimering av batteriprestanda
- Rapportera driftstatus till externa enheter
Här, termen 'batteri" betyder hela batteripaketet; Övervaknings- och kontrollfunktioner tillämpas dock specifikt på enskilda batterier eller batteripaket som kallas moduler inom hela batteripaketet. Uppladdningsbara litiumjonbatterier har den högsta energitätheten och är standardvalet för många konsumentbatterier, från bärbara datorer till elfordon. Även om de presterar bra, kan de vara ganska hänsynslösa om de används utanför det typiskt täta säkra operationsområdet (SOA), med resultat som sträcker sig från skadlig batteriprestanda till helt farliga konsekvenser. Arbetsbeskrivningen för BMS är utan tvekan utmanande, eftersom dess övergripande komplexitet och omfattning av övervakning kan involvera flera discipliner såsom elektrisk, digital, kontroll, termisk och hydraulisk.
Hur fungerar batterihanteringssystemet?
Det finns ingen fast eller unik standard som måste antas för batterihanteringssystem. Omfattningen av teknisk design och egenskaperna för implementering är vanligtvis relaterade till följande:
- Kostnaden, komplexiteten och storleken på batteripaket
- Användningen av batterier och eventuella säkerhets-, livslängds- och garantifrågor
- Certifieringskraven i olika myndighetsföreskrifter, om funktionssäkerhetsåtgärder inte finns på plats är kostnader och påföljder avgörande
BMS har många designfunktioner, och batteripaketskyddshantering och kapacitetshantering är två grundläggande funktioner. Vi kommer här att diskutera hur dessa två funktioner fungerar. Det finns två nyckelområden för hantering av batteripaketskydd: elektriskt skydd, vilket innebär att batterier inte får skadas när de används utanför SOA; Termiskt skydd, som involverar passiv och/eller aktiv temperaturkontroll för att underhålla eller föra in batteripaketet i SOA.
Elledningsskydd: ström
Övervakning av batteripaketets ström och batteriets eller modulens spänning är ett sätt att uppnå elektriskt skydd. Den elektriska SOA för alla battericeller är begränsad av ström och spänning. Figur 1 visar ett typiskt litiumjonbatteri SOA, där ett väldesignat BMS kommer att skydda batteripaketet genom att förhindra att det fungerar utanför tillverkarens batteriklassificering. I många fall kan ytterligare nedstämpling tillämpas inom SOA-säkerhetszonen för att förlänga batteriets livslängd.
Litiumjonbatterier har olika laddningsströmgränser och urladdningsströmgränser, och båda lägena kan hantera högre toppströmmar, även om tiden är kort. Batteritillverkare anger vanligtvis maximala kontinuerliga laddnings- och urladdningsströmgränser, såväl som toppladdnings- och urladdningsspänningsgränser. BMS som ger strömskydd kommer definitivt att tillämpa maximal kontinuerlig ström. Plötsliga förändringar i belastningsförhållandena kan dock tas med i beräkningen innan detta; Till exempel plötslig acceleration av elfordon. BMS kan kombinera toppströmsövervakning genom att integrera strömmen och besluta att minska den tillgängliga strömmen eller helt avbryta gruppströmmen efter Δ-tid. Detta gör att BMS kan ha nästan omedelbar känslighet för extrema strömtoppar, såsom kortslutningssituationer som inte drar till sig någon inbyggd säkringsuppmärksamhet, men kan också tolerera höga toppkrav så länge de inte är överdrivna för länge.
Elledningsskydd: spänning
Figur 2 visar att litiumjonbatterier måste fungera inom ett visst spänningsområde. Dessa SOA-gränser kommer i slutändan att bestämmas av de inneboende kemiska egenskaperna hos det valda litiumjonbatteriet och batteriets temperatur vid varje given tidpunkt. Dessutom, på grund av den stora mängden strömcykler, urladdning på grund av belastningsbehov och laddning från olika energikällor som alla batteripaket genomgår, är dessa SOA-spänningsbegränsningar ofta ytterligare begränsade för att optimera batteriets livslängd. BMS måste veta vad dessa begränsningar är och fatta beslut baserat på närheten till dessa trösklar. Till exempel, när man närmar sig högspänningsgränsen kan BMS begära en gradvis minskning av laddningsströmmen, eller om gränsen nås kan den begära en fullständig avslutning av laddningsströmmen. Denna begränsning åtföljs emellertid ofta av ytterligare inneboende spänningshysteresöverväganden för att förhindra kontrolloscillationer avseende avstängningströskeln. Å andra sidan, när den närmar sig lågspänningsgränsen, kommer BMS att begära kritiska aktiva icke-kompatibla belastningar för att minska deras strömbehov. När det gäller elfordon kan detta uppnås genom att minska det tillåtna vridmomentet som är tillgängligt för dragmotorn. Självklart måste BMS prioritera förarens säkerhet och skydda batteripaketet från permanenta skador.
Värmehanteringsskydd: Temperatur
På ytan har litiumjonbatterier ett brett driftstemperaturområde, men på grund av betydligt långsammare kemiska reaktionshastigheter minskar batteriets totala kapacitet vid låga temperaturer. När det gäller förmåga vid låga temperaturer är deras prestanda verkligen mycket bättre än bly-syra- eller NiMh-batterier; Temperaturhantering är dock avgörande eftersom laddning under 0 grader C (32 grader F) är fysiskt problematisk. Under laddning under frysning kan galvaniseringsfenomenet med metalliskt litium inträffa på anoden. Detta är en permanent skada som inte bara leder till en minskning av kapaciteten, utan också ökar sannolikheten för batterifel om den utsätts för vibrationer eller andra påfrestningar. BMS kan kontrollera temperaturen på batteripaketet genom uppvärmning och kylning.
Implementeringen av termisk hantering beror helt på storleken och kostnaden för batteripaketet, prestandamål, BMS-designstandarder och produktenheter, som kan inkludera överväganden för det geografiska målet. Oavsett typ av värmare är det vanligtvis mer effektivt att utvinna energi från en extern växelströmskälla eller från alternativa batterier som används för att driva värmaren när det behövs. Men om elvärmaren har måttlig strömförbrukning kan energin från huvudbatteripaketet sugas upp för att värma sig själv. Om ett varmt hydraulsystem används, används en elektrisk värmare för att värma kylvätskan som pumpas och fördelas genom hela komponenten.
Utan tvekan har BMS designingenjörer vissa färdigheter inom designbranschen för att droppa termisk energi i batteripaket. Till exempel kan olika kraftelektroniska enheter dedikerade till kapacitetshantering inom BMS slås på. Även om den inte är lika effektiv som direktuppvärmning, kan den ändå användas oavsett vad. Kylning är särskilt viktig för att minimera prestandaförlusten hos litiumjonbatterier. Till exempel kanske ett givet batteri fungerar bäst vid 20 grader C; Om förpackningstemperaturen höjs till 30 grader C, kan dess prestandaeffektivitet minska med 20 %. Om batteripaketet kontinuerligt laddas och laddas vid en temperatur på 45 grader C (113 grader F), kan prestandaförlusten bli så hög som 50 %. Om det kontinuerligt utsätts för överhettade miljöer, särskilt under snabba laddnings- och urladdningscykler, kan batteriets livslängd också åldras och försämras i förtid. Kylning uppnås vanligtvis genom två metoder, passiv eller aktiv, och båda teknikerna kan användas. Passiv kylning är beroende av luftflödets rörelse för att kyla batteriet. När det gäller elfordon betyder det att de bara kör på vägen. Det kan dock vara mer komplext än det ser ut, eftersom lufthastighetssensorn kan integreras tillsammans för att strategiskt automatiskt justera avböjningsluftdammen för att maximera luftflödet. Implementeringen av aktiva temperaturkontrollerade fläktar kan vara till hjälp vid låga hastigheter eller när fordonet står stilla, men allt detta är bara för att hålla batteripaketet vid samma temperatur som den omgivande miljön. Om vädret är varmt kan detta öka den initiala temperaturen på förpackningen. Varmhydraulisk aktiv kylning kan utformas som ett tilläggssystem, typiskt med användning av etylenglykolkylvätska med ett specificerat blandningsförhållande, cirkulerande genom rör/slangar, fördelningsgrenrör, tvärflödesvärmeväxlare (radiatorer) och kylplattor mot batteripaketkomponenter med hjälp av en elektrisk pump. BMS övervakar temperaturen på hela batteripaketet och öppnar och stänger olika ventiler för att hålla temperaturen på hela batteriet inom ett smalt temperaturområde för att säkerställa optimal batteriprestanda.
Kapacitetshantering
Att maximera batteripaketets kapacitet kan betraktas som en av de viktigaste batteriprestandaegenskaperna från BMS. Om detta underhåll inte utförs kan batteripaketet så småningom bli oanvändbart. Roten till problemet ligger i det faktum att "staplingen" av batteripaket (battery series arrays) inte är helt lika och i huvudsak har något olika läckage- eller självurladdningshastigheter. Läckage är inte en defekt hos tillverkaren, utan snarare batteriets kemiska egenskaper, även om det statistiskt sett kan påverkas av mindre tillverkningsprocessförändringar. Till en början kan batteripaket ha väl matchade batterier, men med tiden minskar likheten mellan batterier ytterligare, inte bara på grund av självurladdning utan också påverkad av laddnings-/urladdningscykler, temperaturökning och allmän kalenderåldring. Med detta i åtanke, påminner om den tidigare diskussionen, fungerar litiumjonbatterier bra, men kan vara ganska hänsynslösa om de används utanför strikt SOA. Vi har tidigare lärt oss om det elektriska skyddet som krävs, eftersom litiumjonbatterier inte klarar överladdning bra. När de väl är fulladdade kan de inte ta emot mer ström, all extra energi kommer att omvandlas till värme och spänningen kan snabbt stiga och potentiellt nå farliga nivåer. Detta är inte ett hälsosamt tillstånd för celler, och om det kvarstår kan det orsaka permanent skada och osäkra driftsförhållanden.
Seriekopplingen av batterier bestämmer spänningen för hela batteripaketet, och oöverensstämmelse mellan intilliggande batterier kan orsaka svårigheter när du försöker ladda ett batteripaket. Figur 3 visar varför detta händer. Om en person har en helt balanserad uppsättning batterier är allt bra eftersom varje batteri kommer att laddas på samma sätt, och laddningsströmmen kan stängas av när den övre tröskeln för 4.0 spänning nås. Men i en obalanserad situation kommer toppbatteriet att nå sin laddningsgräns före schemat, och laddningsströmmen i grenen måste avslutas innan andra bottenbatterier laddas till full kapacitet.
För att demonstrera dess funktionsprincip måste en nyckeldefinition förklaras. Laddningsläget (SOC) för ett batteri eller en modul vid en given tidpunkt är direkt proportionell mot den tillgängliga effekten i förhållande till den totala effekten när den är fulladdad. Därför betyder ett batteri med 50 % SOC att det har laddats 50 %, liknande kvalitetsfaktorn för en effektmätare. BMS-kapacitetshantering är att balansera SOC-ändringarna för varje stack i batteripaketet. Eftersom SOC inte är en direkt mätbar storhet kan den uppskattas genom olika tekniker, och själva balanseringsschemat brukar delas in i två kategorier: passivt och aktivt. Det finns många varianter av teman, alla med sina egna fördelar och nackdelar. BMS-designingenjören bestämmer vilken som är mest lämplig för det givna batteripaketet och dess tillämpning. Passiv balans är lättast att uppnå och kan också förklara det allmänna begreppet balans. Passiva metoder gör att varje batteri i batteripaketet har samma laddningskapacitet som det svagaste batteriet. Den använder relativt låg ström för att överföra en liten mängd energi från batterier med hög SOC under laddningscykeln, så att alla batterier kan laddas till sin maximala SOC. Figur 4 illustrerar hur BMS uppnår detta. Den övervakar varje batteri och använder transistoromkopplare och urladdningsmotstånd av lämplig storlek parallellt med varje batteri. När BMS upptäcker att ett givet batteri närmar sig sin laddningsgräns, kommer det att leda överskottsströmmen runt det på ett uppifrån-och-ned-sätt till nästa batteri nedan.
Slutpunkterna för balanseringsprocessen före och efter visas i figur 5. Sammanfattningsvis tillåter BMS batterierna eller modulerna i batteripaketet att se laddningsströmmar som skiljer sig från batteripaketets ström för att balansera batteripaketet genom något av följande metoder:
Att ta bort laddningen från det mest laddade batteriet ger utrymme för ytterligare laddningsström för att förhindra överladdning och tillåter mindre laddade batterier att ta emot mer laddningsström
Omplacering av en del eller nästan all laddningsström runt det mest laddade batteriet, vilket gör att mindre laddade batterier kan ta emot laddningsström under en längre tid
Typer av batterihanteringssystem
Batterihanteringssystemet kan använda olika tekniker från enkla till komplexa för att uppnå sina huvudinstruktioner om att "ta hand om batteriet". Dessa system kan dock klassificeras utifrån deras topologi, vilket är relaterat till deras installation och drift på batterierna eller modulerna i hela batteripaketet.
Centraliserad BMS-arkitektur
Det finns ett centralt BMS i batteripaketet. Alla batteripaket är direkt anslutna till centrala BMS. Strukturen för centraliserad BMS visas i figur 6. Centraliserad BMS har vissa fördelar. Den är mer kompakt och ofta den mest ekonomiska eftersom det bara finns en BMS. Men centraliserat BMS har också nackdelar. På grund av att alla batterier är direkt anslutna till BMS, kräver BMS många portar för att ansluta alla batteripaket. Det gör att det finns ett stort antal ledningar, kablar, kontakter etc. i stora batteripaket, vilket gör felsökning och underhåll komplicerat.
Modulär BMS-topologi
I likhet med centraliserad implementering är BMS uppdelat i flera repetitiva moduler, var och en med en dedikerad bunt av ledningar och ansluten till angränsande avsedda delar av batteripaketet. Se figur 7. I vissa fall kan dessa BMS-undermoduler stå under övervakning av BMS-huvudmodulen, vars funktion är att övervaka undermodulernas status och kommunicera med kringutrustning. På grund av upprepad modularisering är felsökning och underhåll enklare, och det är också lätt att bygga ut till större batteripaket. Nackdelen är att den totala kostnaden är något högre, och det kan finnas dubbletter av oanvända funktioner beroende på applikation.
Primär/Sekundär BMS
Men, begreppsmässigt liknar modulär topologi, är slavenheterna i detta fall mer begränsade till att endast vidarebefordra mätinformation, medan masterenheterna är dedikerade till beräkning och kontroll såväl som extern kommunikation. Därför, även om de liknar modulära typer, kan kostnaden vara lägre eftersom funktionaliteten hos enheten ofta är enklare, omkostnader kan vara lägre och det kan finnas färre oanvända funktioner.
Distribuerad BMS-arkitektur
Till skillnad från andra topologier, i andra topologier, är elektronisk hårdvara och mjukvara inkapslade i moduler, som är anslutna till batteriet genom ledningsnät. Distribuerat BMS integrerar all elektronisk hårdvara på ett styrkort direkt placerat på det övervakade batteriet eller modulen. Detta minskar den omfattande ledningsdragningen av ett fåtal sensorledningar och kommunikationsledningar mellan intilliggande BMS-moduler. Därför är varje BMS mer oberoende och hanterar beräkning och kommunikation efter behov. Men trots denna uppenbara enkelhet, gör denna integrerade form felsökning och underhåll till ett potentiellt problem eftersom det är placerat djupt inuti de skärmade modulkomponenterna. Kostnaden är ofta högre eftersom det finns fler BMS i hela batteripaketets struktur.
Vikten av batterihanteringssystem
I BMS är funktionssäkerheten viktigast. Det är avgörande att förhindra att spänningen, strömmen och temperaturen för ett batteri eller modul under övervakning och kontroll överskrider de specificerade SOA-gränserna under laddning och urladdning. Om gränsen överskrids under en tid kommer inte bara potentiellt dyra batteripaket att påverkas, utan det kan också uppstå farliga termiska rusningssituationer. För att skydda litiumjonbatterier och säkerställa funktionssäkerhet krävs dessutom strikt övervakning av lägre spänningströskelgränser. Om litiumjonbatterier hålls i detta lågspänningstillstånd, kan koppardendriter så småningom växa på anoden, vilket kan leda till en ökning av självurladdningshastigheten och potentiella säkerhetsproblem. Kostnaden för hög energitäthet i litiumjonkraftsystem är att det nästan inte finns utrymme för batterihanteringsfel. Tack vare förbättringar av BMS och litiumjonbatterier är detta en av de mest framgångsrika och säkra batterikemikalierna som finns idag.
Batteripaketets prestanda är den näst viktigaste funktionen hos BMS, som involverar elektrisk och termisk hantering. För att optimera den totala batterikapaciteten elektriskt måste alla batterier i batteripaketet vara balanserade, vilket innebär att SOC för intilliggande batterier i hela komponenten är ungefär lika. Detta är mycket viktigt eftersom det inte bara uppnår optimal batterikapacitet, utan också hjälper till att förhindra omfattande försämring och minska potentiella hotspots för överladdning av svaga batterier. Litiumjonbatterier bör undvika urladdning under lågspänningsgränsen, eftersom detta kan leda till minneseffekter och betydande kapacitetsförluster. Elektrokemiska processer är mycket känsliga för temperatur, och batterier är inget undantag. När omgivningstemperaturen sjunker kommer kapaciteten och tillgänglig batterienergi att minska avsevärt. Därför kan BMS ansluta externa onlinevärmare placerade på vätskekylningssystem som batteripaket för elfordon, eller slå på inbyggda värmeplattor installerade under moduler av batteripaket i helikoptrar eller andra flygplan. Dessutom, eftersom laddning av lågtemperaturlitiumjonbatterier inte bidrar till batteriets livslängd, är det viktigt att först höja batteritemperaturen helt. De flesta litiumjonbatterier kan inte laddas snabbt under 5 grader C och bör inte laddas alls under 0 grader C. För att uppnå optimal prestanda under normal drift säkerställer BMS termisk hantering vanligtvis att batteriet fungerar inom ett smalt operationsområde för Goldilocks (t.ex. 30-35 grad C). Detta kan skydda prestanda, förlänga livslängden och odla hälsosamma och pålitliga batteripaket.
Fördelarna med batterihanteringssystem
Ett komplett batterienergilagringssystem, allmänt känt som BESS, kan sammanställas strategiskt av dussintals, hundratals eller till och med tusentals litiumjonbatterier, beroende på applikation. Märkspänningen för dessa system kan vara mindre än 100V, men kan nå upp till 800V, med ett strömområde för batteripaketet på upp till 300A eller mer. All dålig hantering av högspänningsbatterier kan leda till katastrofala katastrofer som äventyrar liv. Därför är BMS avgörande för att säkerställa säker drift. Fördelarna med BMS kan sammanfattas enligt följande.
Funktionell säkerhet.Det säger sig självt att för stora litiumjonbatterier är detta särskilt försiktigt och nödvändigt. Men som bekant kan även mindre format som används i bärbara datorer fatta eld och orsaka betydande skada. Den personliga säkerheten för användare av produkter som innehåller litiumjonkraftsystem lämnar lite utrymme för batterihanteringsfel.
Livslängd och tillförlitlighet.Batteripaketskyddshantering, elektriskt och termiskt, vilket säkerställer att alla batterier används inom de deklarerade SOA-kraven. Denna subtila övervakning säkerställer säker användning och snabba laddnings- och urladdningscykler för batteriet, och genererar oundvikligen ett stabilt system som kan ge många år av tillförlitlig service.
Prestanda och omfattning.BMS batteripaketkapacitetshantering, som använder mellanbatteribalansering för att balansera SOC för intilliggande batterier på batteripaketets komponenter, vilket möjliggör optimal batterikapacitet. Utan denna BMS-funktion för att beakta förändringar i självurladdning, laddnings-/urladdningscykler, temperatureffekter och allmänt åldrande kan batteripaketet i slutändan bli oanvändbart.
Diagnostik, datainsamling och extern kommunikation.Övervakningsuppgiften inkluderar kontinuerlig övervakning av alla battericeller, där själva dataregistreringen kan användas för diagnos, men används vanligtvis för beräkningsuppgifter för att förutsäga SOC för alla batterier i komponenten. Denna information används för att balansera algoritmer, men kan delas med externa enheter och skärmar för att indikera tillgänglig energi från boende, uppskatta förväntad räckvidd eller räckvidd/livslängd baserat på aktuell användning och ge batteripaketets hälsostatus.
Minska kostnader och garanti.Införandet av BMS i BESS ökar kostnaderna, och batteripaketet är dyrt och potentiellt farligt. Ju mer komplext systemet är, desto högre säkerhetskrav, vilket kräver mer BMS-övervakning. BMS:s skydd och förebyggande underhåll vad gäller funktionell säkerhet, livslängd och tillförlitlighet, prestanda och omfattning, diagnos etc. säkerställer dock att det kommer att minska de totala kostnaderna, inklusive garantirelaterade kostnader.
Slutsats
Simulering är en värdefull allierad inom BMS-design, särskilt när den används för att utforska och lösa designutmaningar inom hårdvaruutveckling, prototypframställning och testning. Med en exakt litiumjonbatterimodell erkänns simuleringsmodellen för BMS-arkitektur som en körbar specifikation för virtuella prototyper. Dessutom möjliggör simulering smärtfri undersökning av varianter av BMS-övervakningsfunktioner för olika batteri- och miljöscenarier. Implementeringsproblem kan identifieras och undersökas tidigt, vilket möjliggör validering av prestanda och funktionssäkerhetsförbättringar innan implementering på faktiska hårdvaruprototyper. Detta minskar utvecklingstiden och hjälper till att säkerställa att den första hårdvaruprototypen är robust. Dessutom, när de utförs i inbäddade systemapplikationer, kan många autentiseringstester utföras på BMS och batteripaket, inklusive värsta tänkbara scenarier.