Система управления батареями - Battery management system

А система управления аккумулятором (BMS) - это любая электронная система, которая управляет аккумуляторная батарея (клетка или же Аккумуляторная батарея ), например, путем защиты батареи от работы вне ее безопасная рабочая зона^{[требуется разъяснение ]}, мониторинг его состояния, вычисление вторичных данных, отчет об этих данных, управление его средой, ее аутентификация и / или балансировка Это.^[1]

А Аккумуляторная батарея построен вместе с системой управления батареями с внешней связью шина данных это умный аккумулятор. Умный аккумулятор должен заряжаться умное зарядное устройство.^{[нужна цитата ]}

Функции

Схема безопасности для 4-элементных батарей LiFePO4 с балансиром

Монитор

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

Напряжение: полное напряжение, напряжения отдельных ячеек или напряжение периодических отводов
Температура: средняя температура, температура охлаждающей жидкости на входе, температура охлаждающей жидкости на выходе или температуры отдельных ячеек
Расход охлаждающей жидкости: для батарей с воздушным или жидкостным охлаждением
Текущий: ток в батарее или вне батареи

Системы электромобилей: рекуперация энергии

BMS также будет контролировать перезарядку батареи, перенаправляя рекуперированную энергию (т.е. рекуперативное торможение ) обратно в аккумуляторную батарею (обычно состоящую из нескольких аккумуляторных модулей, каждый из которых состоит из нескольких ячеек).

Управление температурным режимом

Системы терморегулирования аккумуляторных батарей могут быть пассивными или активными, а охлаждающая среда может быть воздухом, жидкостью или какой-либо формой с фазовым переходом. 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.^[2] Главный недостаток воздушного охлаждения - его неэффективность. Для работы охлаждающего механизма требуется большое количество энергии, намного больше, чем активное жидкостное охлаждение.^[3] 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 быстрее через систему, создавая компромисс между скоростью откачки и термической консистенцией.^[3]

Вычисление

Кроме того, BMS может рассчитывать значения на основе вышеуказанных элементов, например:^{[нужна цитата ]}

Напряжение: минимальное и максимальное напряжение ячейки
Состояние заряда (SOC) или глубина разряда (DOD), чтобы указать уровень заряда аккумулятора
Состояние здоровья (SOH), определяемое по-разному измерение остаточной емкости аккумулятора в% от первоначальной емкости.
Состояние власти (SOP), количество энергии, доступное в течение определенного интервала времени, с учетом текущего потребления энергии, температуры и других условий.
Состояние безопасности (SOS)
Максимальный ток заряда как ограничение тока заряда (CCL)
Максимальный ток разряда как ограничение тока разряда (DCL)
Энергия [кВтч], полученная с момента последней зарядки или цикла зарядки
Внутренний импеданс ячейки (для определения напряжения холостого хода)
Заряд [Ач] доставлен или сохранен (иногда эту функцию называют кулоновским счетчиком)
Общая энергия, полученная с момента первого использования
Общее время работы с момента первого использования
Общее количество циклов

Коммуникация

Центральный контроллер BMS обменивается данными внутри со своим оборудованием, работающим на уровне ячейки, или извне с оборудованием высокого уровня, таким как ноутбуки или HMI.^{[требуется разъяснение ]}

Внешняя коммуникация высокого уровня проста и использует несколько методов:^{[нужна цитата ]}

Различные типы последовательная связь.
CAN-шина коммуникации, обычно используемые в автомобильной среде.
Различные типы Беспроводная связь.^[4]

Централизованные BMS низкого напряжения в большинстве случаев не имеют внутренних коммуникаций. 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, есть 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.^[5] Комбинация аппаратных и программных ограничений приводит к появлению нескольких вариантов внутренней коммуникации:

Изолированная последовательная связь
беспроводная последовательная связь

Защита

BMS может защитить свою батарею, не позволяя ей работать за пределами безопасная рабочая зона, Такие как:^{[нужна цитата ]}

Перегрузка по току (может отличаться в режимах зарядки и разрядки)
Перенапряжение (во время зарядки), особенно важно для свинцово-кислотные и Литий-ионный клетки
Пониженное напряжение (во время разряда)
Перегретый
Пониженная температура
Избыточное давление (NiMH батареи)
Обнаружение замыкания на землю или тока утечки (система контроля того, что высоковольтная батарея электрически отключена от любого проводящего объекта, который можно использовать, например, кузова автомобиля)

BMS может помешать работе вне зоны безопасной эксплуатации батареи:

Включая внутренний выключатель (например, реле или же твердотельное устройство ), который открывается, если аккумулятор эксплуатируется вне зоны безопасной эксплуатации.
Запрос устройств, к которым подключен аккумулятор, для уменьшения или даже прекращения использования аккумулятора.
Активный контроль окружающей среды, например, с помощью обогревателей, вентиляторов, кондиционирования воздуха или жидкостного охлаждения

Главный контроллер BMS

Подключение аккумулятора к цепи нагрузки

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

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 максимизировать емкость батареи и предотвратить локальную недостаточную или избыточную зарядку, BMS может активно гарантировать, что все элементы, составляющие батарею, поддерживаются при одном и том же напряжении или состоянии заряда, посредством балансировки. BMS может сбалансировать ячейки следующим образом:

Тратить энергия от наиболее заряженных ячеек, подключив их к нагрузка (например, через пассивный регуляторы )
Перетасовка энергии от наиболее заряженных ячеек к наименее заряженным (балансиры )
Снижение зарядного тока до достаточно низкого уровня, чтобы не повредить полностью заряженные элементы, в то время как менее заряженные элементы могут продолжать заряжаться (не относится к химическим литиевым элементам)
Модульная зарядка ^[6]

Топологии

Модуль передачи данных по кабелю

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 (и для некоторых химических компонентов лития, таких как LiFePO4 это вообще не индикатор), поэтому выравнивание напряжений ячеек с помощью пассивных регуляторов не уравновешивает SOC, что является целью BMS. Следовательно, такие устройства, безусловно, полезны, но имеют серьезные ограничения в их эффективности.
Активные регуляторы разумно включают и выключают нагрузку, когда это необходимо, снова для достижения балансировки. Если в качестве параметра для включения активных регуляторов используется только напряжение ячейки, применяются те же ограничения, которые указаны выше для пассивных регуляторов.
Полная BMS также сообщает о состоянии батареи на дисплее и защищает батарею.

Топологии BMS делятся на 3 категории:

Централизованно: один контроллер подключается к элементам батареи через множество проводов.
Распределенный: плата BMS установлена в каждой ячейке, всего один кабель связи между батареей и контроллером.
Модульный: несколько контроллеров, каждый из которых обрабатывает определенное количество ячеек, с обменом данными между контроллерами.

Централизованные BMS наиболее экономичны, наименее расширяемы и перегружены множеством проводов. Распределенные BMS являются наиболее дорогими, 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 серверная комната ) сильно отличаются, особенно из-за требований к пространству и весу, поэтому аппаратные и программные реализации должны быть адаптированы для конкретного использования. В случае электромобилей или гибридных автомобилей BMS является только подсистемой и не может работать как отдельное устройство. Он должен связываться как минимум с зарядным устройством (или зарядной инфраструктурой), нагрузкой, подсистемами управления температурой и аварийного отключения. Следовательно, в 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.

Разные Балансировка батареи методы используются, некоторые из них основаны на состояние заряда теория.