Το Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών (BMS) είναι μια τεχνολογία ειδικά σχεδιασμένη για να επιβλέπει τα πακέτα μπαταριών, τα οποία είναι στοιχεία κυψελών μπαταριών που είναι ηλεκτρικά οργανωμένα σε διάταξη πίνακα στηλών σε σειρά για να παρέχουν ένα εύρος στόχου τάσης και ρεύματος για συνθήκες αναμενόμενου φορτίου για μια χρονική περίοδο .
Η επίβλεψη που παρέχεται από το BMS συνήθως περιλαμβάνει:
- Παρακολούθηση μπαταρίας
- Παρέχετε προστασία μπαταρίας
- Υπολογίστε την κατάσταση λειτουργίας της μπαταρίας
- Συνεχής βελτιστοποίηση της απόδοσης της μπαταρίας
- Αναφορά κατάστασης λειτουργίας σε εξωτερικές συσκευές
Εδώ, ο όρος «μπαταρία«σημαίνει ολόκληρο το πακέτο μπαταριών· Ωστόσο, οι λειτουργίες παρακολούθησης και ελέγχου εφαρμόζονται ειδικά σε μεμονωμένες μπαταρίες ή πακέτα μπαταριών που αναφέρονται ως μονάδες σε ολόκληρο το συγκρότημα μπαταριών. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και αποτελούν την τυπική επιλογή για πολλά πακέτα μπαταριών καταναλωτών, από φορητούς υπολογιστές έως ηλεκτρικά οχήματα. Αν και αποδίδουν καλά, μπορεί να είναι αρκετά αδίστακτα εάν λειτουργούν εκτός της τυπικά σφιχτής ασφαλούς περιοχής λειτουργίας (SOA), με αποτελέσματα που κυμαίνονται από καταστροφή της απόδοσης της μπαταρίας έως εντελώς επικίνδυνες συνέπειες. Η περιγραφή εργασίας του BMS είναι αναμφισβήτητα προκλητική, καθώς η συνολική πολυπλοκότητα και το εύρος εποπτείας του μπορεί να περιλαμβάνει πολλούς κλάδους όπως η ηλεκτρική, η ψηφιακή, ο έλεγχος, η θερμική και η υδραυλική.
Πώς λειτουργεί το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας;
Δεν υπάρχει σταθερό ή μοναδικό πρότυπο που πρέπει να υιοθετηθεί για συστήματα διαχείρισης μπαταριών. Το εύρος του τεχνικού σχεδιασμού και τα χαρακτηριστικά υλοποίησης σχετίζονται συνήθως με τα ακόλουθα:
- Το κόστος, η πολυπλοκότητα και το μέγεθος των πακέτων μπαταριών
- Η εφαρμογή μπαταριών και τυχόν θέματα ασφάλειας, διάρκειας ζωής και εγγύησης
- Οι απαιτήσεις πιστοποίησης των διαφόρων κυβερνητικών κανονισμών, εάν δεν υπάρχουν λειτουργικά μέτρα ασφάλειας, το κόστος και οι κυρώσεις είναι ζωτικής σημασίας
Το BMS έχει πολλές λειτουργίες σχεδιασμού και η διαχείριση της προστασίας της μπαταρίας και η διαχείριση χωρητικότητας είναι δύο βασικές λειτουργίες. Θα συζητήσουμε εδώ πώς λειτουργούν αυτές οι δύο λειτουργίες. Υπάρχουν δύο βασικοί τομείς διαχείρισης της προστασίας της μπαταρίας: η ηλεκτρική προστασία, που σημαίνει ότι οι μπαταρίες δεν επιτρέπεται να καταστραφούν όταν χρησιμοποιούνται εκτός SOA. Θερμική προστασία, η οποία περιλαμβάνει παθητικό ή/και ενεργό έλεγχο θερμοκρασίας για τη διατήρηση ή τη μεταφορά της μπαταρίας στο SOA.
Προστασία ηλεκτρικής διαχείρισης: ρεύμα
Η παρακολούθηση του ρεύματος της μπαταρίας και της τάσης της μπαταρίας ή της μονάδας είναι ένας τρόπος για να επιτευχθεί ηλεκτρική προστασία. Το ηλεκτρικό SOA οποιασδήποτε κυψέλης μπαταρίας περιορίζεται από το ρεύμα και την τάση. Το Σχήμα 1 δείχνει ένα τυπικό SOA μπαταρίας ιόντων λιθίου, όπου ένα καλά σχεδιασμένο BMS θα προστατεύει το πακέτο μπαταριών εμποδίζοντάς το να λειτουργεί εκτός της κατηγορίας μπαταρίας του κατασκευαστή. Σε πολλές περιπτώσεις, μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω μείωση εντός της ζώνης ασφαλείας SOA για να παραταθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν διαφορετικά όρια ρεύματος φόρτισης και όρια ρεύματος εκφόρτισης, και και οι δύο λειτουργίες μπορούν να χειριστούν υψηλότερα ρεύματα αιχμής, παρόλο που ο χρόνος είναι σύντομος. Οι κατασκευαστές μπαταριών καθορίζουν συνήθως τα μέγιστα όρια συνεχούς ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης, καθώς και τα όρια τάσης αιχμής φόρτισης και εκφόρτισης. Το BMS που παρέχει προστασία ρεύματος θα εφαρμόσει σίγουρα μέγιστο συνεχές ρεύμα. Ωστόσο, οι ξαφνικές αλλαγές στις συνθήκες φορτίου μπορούν να ληφθούν υπόψη πριν από αυτό. Για παράδειγμα, ξαφνική επιτάχυνση ηλεκτρικών οχημάτων. Το BMS μπορεί να συνδυάσει την παρακολούθηση ρεύματος αιχμής ενσωματώνοντας το ρεύμα και αποφασίζοντας να μειώσει το διαθέσιμο ρεύμα ή να διακόψει εντελώς το ρεύμα ομάδας μετά το χρόνο Δ. Αυτό επιτρέπει στο BMS να έχει σχεδόν στιγμιαία ευαισθησία σε ακραίες κορυφές ρεύματος, όπως καταστάσεις βραχυκυκλώματος που δεν προσελκύουν την προσοχή των ασφαλειών, αλλά μπορεί επίσης να ανεχθεί υψηλές απαιτήσεις αιχμής, εφόσον δεν είναι υπερβολικές για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα.
Προστασία ηλεκτρικής διαχείρισης: τάση
Το σχήμα 2 δείχνει ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου πρέπει να λειτουργούν μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος τάσης. Αυτά τα όρια SOA θα καθοριστούν τελικά από τις εγγενείς χημικές ιδιότητες της επιλεγμένης μπαταρίας ιόντων λιθίου και τη θερμοκρασία της μπαταρίας ανά πάσα στιγμή. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου όγκου του κύκλου ρεύματος, της εκφόρτισης λόγω ζήτησης φορτίου και της φόρτισης από διάφορες πηγές ενέργειας που υφίσταται οποιαδήποτε μπαταρία, αυτοί οι περιορισμοί τάσης SOA συχνά περιορίζονται περαιτέρω για τη βελτιστοποίηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας. Το BMS πρέπει να γνωρίζει ποιοι είναι αυτοί οι περιορισμοί και να λαμβάνει αποφάσεις με βάση την εγγύτητα αυτών των ορίων. Για παράδειγμα, όταν πλησιάζει το όριο υψηλής τάσης, το BMS μπορεί να ζητήσει σταδιακή μείωση του ρεύματος φόρτισης ή εάν επιτευχθεί το όριο, μπορεί να ζητήσει πλήρη τερματισμό του ρεύματος φόρτισης. Ωστόσο, αυτός ο περιορισμός συχνά συνοδεύεται από πρόσθετες εγγενείς εκτιμήσεις υστέρησης τάσης για την αποφυγή ταλαντώσεων ελέγχου σχετικά με το όριο απενεργοποίησης. Από την άλλη πλευρά, όταν πλησιάζει το όριο χαμηλής τάσης, το BMS θα ζητήσει κρίσιμα ενεργά μη συμμορφούμενα φορτία για να μειώσει την τρέχουσα ζήτηση. Στην περίπτωση των ηλεκτρικών οχημάτων, αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση της επιτρεπόμενης ροπής που είναι διαθέσιμη στον κινητήρα έλξης. Φυσικά, το BMS πρέπει να δίνει προτεραιότητα στην ασφάλεια του οδηγού και να προστατεύει την μπαταρία από μόνιμη ζημιά.
Προστασία θερμικής διαχείρισης: Θερμοκρασία
Επιφανειακά, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας, αλλά λόγω των σημαντικά χαμηλότερων ρυθμών χημικής αντίδρασης, η συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Όσον αφορά την ικανότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες, η απόδοσή τους είναι πράγματι πολύ καλύτερη από τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος ή NiMh. Ωστόσο, η διαχείριση θερμοκρασίας είναι ζωτικής σημασίας, καθώς η φόρτιση κάτω από 0 βαθμούς C (32 βαθμοί F) είναι φυσικά προβληματική. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης υπό κατάψυξη, το φαινόμενο της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης μεταλλικού λιθίου μπορεί να εμφανιστεί στην άνοδο. Πρόκειται για μόνιμη βλάβη που όχι μόνο οδηγεί σε μείωση της χωρητικότητας, αλλά αυξάνει επίσης την πιθανότητα αστοχίας της μπαταρίας εάν υποβληθεί σε κραδασμούς ή άλλες συνθήκες καταπόνησης. Το BMS μπορεί να ελέγξει τη θερμοκρασία της μπαταρίας μέσω θέρμανσης και ψύξης.
Η εφαρμογή της θερμικής διαχείρισης εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το μέγεθος και το κόστος του πακέτου μπαταριών, τους στόχους απόδοσης, τα πρότυπα σχεδίασης BMS και τις μονάδες προϊόντος, που μπορεί να περιλαμβάνουν εκτιμήσεις για τη γεωγραφική περιοχή-στόχο. Ανεξάρτητα από τον τύπο του θερμαντήρα, είναι συνήθως πιο αποτελεσματικό να αντλείτε ενέργεια από μια εξωτερική πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος ή από εναλλακτικές μπαταρίες που χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία του θερμαντήρα όταν χρειάζεται. Ωστόσο, εάν ο ηλεκτρικός θερμαντήρας έχει μέτρια κατανάλωση ρεύματος, η ενέργεια από την κύρια μπαταρία μπορεί να απορροφηθεί για να θερμανθεί. Εάν χρησιμοποιείται θερμό υδραυλικό σύστημα, χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρικός θερμαντήρας για τη θέρμανση του ψυκτικού που αντλείται και κατανέμεται σε ολόκληρο το εξάρτημα.
Αναμφίβολα, οι μηχανικοί σχεδιασμού BMS έχουν κάποιες δεξιότητες στον κλάδο του σχεδιασμού να ρίχνουν θερμική ενέργεια σε πακέτα μπαταριών. Για παράδειγμα, μπορούν να ενεργοποιηθούν διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος που είναι αφιερωμένες στη διαχείριση χωρητικότητας εντός του BMS. Αν και δεν είναι τόσο αποτελεσματική όσο η άμεση θέρμανση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ανεξάρτητα από το τι. Η ψύξη είναι ιδιαίτερα σημαντική για την ελαχιστοποίηση της απώλειας απόδοσης των μπαταριών ιόντων λιθίου. Για παράδειγμα, ίσως μια δεδομένη μπαταρία λειτουργεί καλύτερα στους 20 βαθμούς C. Εάν η θερμοκρασία συσκευασίας αυξηθεί στους 30 βαθμούς C, η απόδοση της απόδοσής της μπορεί να μειωθεί κατά 20%. Εάν η μπαταρία φορτίζεται συνεχώς και επαναφορτίζεται σε θερμοκρασία 45 βαθμών C (113 βαθμοί F), η απώλεια απόδοσης μπορεί να φτάσει το 50%. Εάν εκτίθεται συνεχώς σε περιβάλλοντα με υπερθέρμανση, ειδικά κατά τη διάρκεια γρήγορων κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί επίσης να γεράσει και να υποβαθμιστεί πρόωρα. Η ψύξη συνήθως επιτυγχάνεται με δύο μεθόδους, παθητική ή ενεργητική, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και οι δύο τεχνικές. Η παθητική ψύξη βασίζεται στην κίνηση της ροής αέρα για την ψύξη της μπαταρίας. Όσο για τα ηλεκτρικά οχήματα, αυτό σημαίνει ότι κινούνται μόνο στο δρόμο. Ωστόσο, μπορεί να είναι πιο περίπλοκο από ό,τι φαίνεται, καθώς ο αισθητήρας ταχύτητας αέρα μπορεί να ενσωματωθεί μαζί για να προσαρμόσει στρατηγικά αυτόματα το φράγμα αέρα εκτροπής για να μεγιστοποιήσει τη ροή του αέρα. Η εφαρμογή ενεργών ανεμιστήρων ελεγχόμενης θερμοκρασίας μπορεί να είναι χρήσιμη σε χαμηλές ταχύτητες ή όταν το όχημα είναι σταματημένο, αλλά όλα αυτά γίνονται μόνο για να διατηρείται η μπαταρία στην ίδια θερμοκρασία με το περιβάλλον. Εάν ο καιρός είναι ζεστός, αυτό μπορεί να αυξήσει την αρχική θερμοκρασία της συσκευασίας. Η θερμή υδραυλική ενεργή ψύξη μπορεί να σχεδιαστεί ως συμπληρωματικό σύστημα, χρησιμοποιώντας συνήθως ψυκτικό αιθυλενογλυκόλη με καθορισμένη αναλογία ανάμειξης, που κυκλοφορεί μέσω σωλήνων/σωλήνων, πολλαπλών διανομής, εναλλάκτες θερμότητας εγκάρσιας ροής (καλοριφέρ) και πλάκες ψύξης έναντι εξαρτημάτων της μπαταρίας χρησιμοποιώντας ηλεκτρική αντλία. Το BMS παρακολουθεί τη θερμοκρασία ολόκληρου του πακέτου μπαταριών και ανοίγει και κλείνει διάφορες βαλβίδες για να διατηρεί τη θερμοκρασία ολόκληρης της μπαταρίας σε ένα στενό εύρος θερμοκρασίας για να διασφαλίσει τη βέλτιστη απόδοση της μπαταρίας.
Διαχείριση χωρητικότητας
Η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας της μπαταρίας μπορεί να θεωρηθεί ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά απόδοσης της μπαταρίας που παρέχει το BMS. Εάν δεν πραγματοποιηθεί αυτή η συντήρηση, η μπαταρία μπορεί τελικά να γίνει άχρηστη. Η ρίζα του προβλήματος έγκειται στο γεγονός ότι η «στοίβαξη» των πακέτων μπαταριών (συστοιχίες σειράς μπαταριών) δεν είναι εντελώς ίση και ουσιαστικά έχει ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς διαρροής ή αυτοεκφόρτισης. Η διαρροή δεν είναι ελάττωμα του κατασκευαστή, αλλά μάλλον οι χημικές ιδιότητες της μπαταρίας, αν και μπορεί να επηρεαστεί στατιστικά από μικρές αλλαγές στη διαδικασία κατασκευής. Αρχικά, τα πακέτα μπαταριών μπορεί να έχουν ταιριασμένες μπαταρίες, αλλά με την πάροδο του χρόνου, η ομοιότητα μεταξύ των μπαταριών μειώνεται περαιτέρω, όχι μόνο λόγω της αυτοεκφόρτισης αλλά επηρεάζεται επίσης από τους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης, την αύξηση της θερμοκρασίας και τη γενική ημερολογιακή γήρανση. Έχοντας αυτό κατά νου, υπενθυμίζοντας την προηγούμενη συζήτηση, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποδίδουν καλά, αλλά μπορεί να είναι αρκετά αδίστακτες εάν λειτουργούν εκτός της αυστηρής SOA. Έχουμε μάθει στο παρελθόν για την απαιτούμενη ηλεκτρική προστασία, καθώς οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν μπορούν να χειριστούν καλά την υπερφόρτιση. Μόλις φορτιστούν πλήρως, δεν μπορούν να δεχτούν περισσότερο ρεύμα, οποιαδήποτε πρόσθετη ενέργεια θα μετατραπεί σε θερμότητα και η τάση μπορεί να αυξηθεί γρήγορα, φτάνοντας ενδεχομένως σε επικίνδυνα επίπεδα. Αυτή δεν είναι μια υγιής κατάσταση για τα κύτταρα και εάν επιμείνει, μπορεί να προκαλέσει μόνιμη βλάβη και μη ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας.
Η σειριακή σύνδεση των συστοιχιών μπαταριών καθορίζει την τάση ολόκληρης της μπαταρίας και η αναντιστοιχία μεταξύ γειτονικών μπαταριών μπορεί να προκαλέσει δυσκολίες κατά την προσπάθεια φόρτισης οποιασδήποτε μπαταρίας. Το σχήμα 3 δείχνει γιατί συμβαίνει αυτό. Εάν ένα άτομο έχει ένα εντελώς ισορροπημένο σύνολο μπαταριών, τότε όλα είναι εντάξει γιατί κάθε μπαταρία θα φορτίζεται με τον ίδιο τρόπο και το ρεύμα φόρτισης μπορεί να διακοπεί όταν επιτευχθεί το ανώτερο όριο τάσης 4.{2}}. Ωστόσο, σε μη ισορροπημένη κατάσταση, η επάνω μπαταρία θα φτάσει το όριο φόρτισής της νωρίτερα από το χρονοδιάγραμμα και το ρεύμα φόρτισης του κλάδου πρέπει να τερματιστεί πριν φορτιστούν σε πλήρη χωρητικότητα άλλες μπαταρίες κάτω.
Για να αποδειχθεί η αρχή λειτουργίας του, πρέπει να εξηγηθεί ένας βασικός ορισμός. Η κατάσταση φόρτισης (SOC) μιας μπαταρίας ή μιας μονάδας σε μια δεδομένη στιγμή είναι ευθέως ανάλογη με τη διαθέσιμη ισχύ σε σχέση με τη συνολική ισχύ όταν είναι πλήρως φορτισμένη. Επομένως, μια μπαταρία στο 50% SOC σημαίνει ότι έχει φορτιστεί 50%, παρόμοιο με τον συντελεστή ποιότητας ενός μετρητή ισχύος. Η διαχείριση χωρητικότητας BMS συνίσταται στην εξισορρόπηση των αλλαγών SOC κάθε στοίβας στο πακέτο μπαταριών. Δεδομένου ότι το SOC δεν είναι μια άμεσα μετρήσιμη ποσότητα, μπορεί να εκτιμηθεί μέσω διαφόρων τεχνικών και το ίδιο το σχήμα εξισορρόπησης συνήθως χωρίζεται σε δύο κατηγορίες: παθητικό και ενεργό. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές θεμάτων, το καθένα με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ο μηχανικός σχεδιασμού BMS αποφασίζει ποια είναι η καταλληλότερη για τη δεδομένη μπαταρία και την εφαρμογή της. Η παθητική ισορροπία είναι το πιο εύκολο να επιτευχθεί και μπορεί επίσης να εξηγήσει τη γενική έννοια της ισορροπίας. Οι παθητικές μέθοδοι επιτρέπουν σε κάθε μπαταρία στο πακέτο μπαταριών να έχει την ίδια χωρητικότητα φόρτισης με την πιο αδύναμη μπαταρία. Χρησιμοποιεί σχετικά χαμηλό ρεύμα για να μεταφέρει μια μικρή ποσότητα ενέργειας από μπαταρίες υψηλής SOC κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης, έτσι ώστε όλες οι μπαταρίες να μπορούν να φορτιστούν στο μέγιστο SOC τους. Το Σχήμα 4 δείχνει πώς το BMS το επιτυγχάνει αυτό. Παρακολουθεί κάθε μπαταρία και χρησιμοποιεί διακόπτες τρανζίστορ και αντιστάσεις εκφόρτισης κατάλληλου μεγέθους παράλληλα με κάθε μπαταρία. Όταν το BMS ανιχνεύσει ότι μια δεδομένη μπαταρία πλησιάζει το όριο φόρτισής της, θα καθοδηγήσει το πλεονάζον ρεύμα γύρω της με τρόπο από πάνω προς τα κάτω στην επόμενη μπαταρία παρακάτω.
Τα τελικά σημεία της διαδικασίας εξισορρόπησης πριν και μετά φαίνονται στο Σχήμα 5. Συνοπτικά, το BMS επιτρέπει στις μπαταρίες ή τις μονάδες της μπαταρίας να βλέπουν ρεύματα φόρτισης που είναι διαφορετικά από το ρεύμα της μπαταρίας για να εξισορροπούν τη μπαταρία μέσω ενός από τα ακόλουθα μέθοδοι:
Η αφαίρεση της φόρτισης από την πιο φορτισμένη μπαταρία παρέχει ελεύθερο χώρο για πρόσθετο ρεύμα φόρτισης για την αποφυγή υπερφόρτισης και επιτρέπει στις λιγότερο φορτισμένες μπαταρίες να λαμβάνουν περισσότερο ρεύμα φόρτισης
Επανατοποθετώντας μέρος ή σχεδόν ολόκληρο το ρεύμα φόρτισης γύρω από την πιο φορτισμένη μπαταρία, επιτρέποντας στις λιγότερο φορτισμένες μπαταρίες να λαμβάνουν ρεύμα φόρτισης για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα
Τύποι συστημάτων διαχείρισης μπαταριών
Το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας μπορεί να υιοθετήσει διάφορες τεχνολογίες από απλές έως πολύπλοκες για να επιτύχει τις βασικές οδηγίες του «φροντίδα της μπαταρίας». Ωστόσο, αυτά τα συστήματα μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την τοπολογία τους, η οποία σχετίζεται με την εγκατάσταση και τη λειτουργία τους στις μπαταρίες ή τις μονάδες ολόκληρου του πακέτου μπαταριών.
Κεντρική αρχιτεκτονική BMS
Υπάρχει ένα κεντρικό BMS στη διάταξη της μπαταρίας. Όλα τα πακέτα μπαταριών συνδέονται απευθείας με το κεντρικό BMS. Η δομή του κεντρικού BMS φαίνεται στο Σχήμα 6. Το κεντρικό BMS έχει ορισμένα πλεονεκτήματα. Είναι πιο συμπαγές και συχνά το πιο οικονομικό γιατί υπάρχει μόνο ένα BMS. Ωστόσο, το κεντρικό BMS έχει επίσης μειονεκτήματα. Επειδή όλες οι μπαταρίες συνδέονται απευθείας στο BMS, το BMS απαιτεί πολλές θύρες για τη σύνδεση όλων των μπαταριών. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μεγάλος αριθμός καλωδίων, καλωδίων, υποδοχών κ.λπ. σε μεγάλα πακέτα μπαταριών, γεγονός που καθιστά την αντιμετώπιση προβλημάτων και τη συντήρηση περίπλοκη.
Αρθρωτή τοπολογία BMS
Παρόμοια με την κεντρική υλοποίηση, το BMS χωρίζεται σε πολλές επαναλαμβανόμενες μονάδες, καθεμία με μια ειδική δέσμη καλωδίων και συνδεδεμένη σε γειτονικά καθορισμένα μέρη της μπαταρίας. Δείτε Εικόνα 7. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτές οι υπομονάδες BMS ενδέχεται να βρίσκονται υπό την επίβλεψη της κύριας μονάδας BMS, η λειτουργία της οποίας είναι να παρακολουθεί την κατάσταση των υπομονάδων και να επικοινωνεί με περιφερειακές συσκευές. Λόγω της επαναλαμβανόμενης διαμόρφωσης, η αντιμετώπιση προβλημάτων και η συντήρηση είναι ευκολότερες, ενώ είναι επίσης εύκολο να επεκταθεί σε μεγαλύτερα πακέτα μπαταριών. Το μειονέκτημα είναι ότι το συνολικό κόστος είναι ελαφρώς υψηλότερο και ενδέχεται να υπάρχουν διπλότυπα αχρησιμοποίητα χαρακτηριστικά ανάλογα με την εφαρμογή.
Πρωτοβάθμιο/Δευτεροβάθμιο BMS
Ωστόσο, εννοιολογικά παρόμοια με τη σπονδυλωτή τοπολογία, σε αυτήν την περίπτωση, οι εξαρτημένες συσκευές περιορίζονται περισσότερο στην αναμετάδοση πληροφοριών μέτρησης, ενώ οι κύριες συσκευές είναι αφιερωμένες στον υπολογισμό και τον έλεγχο καθώς και στην εξωτερική επικοινωνία. Επομένως, αν και παρόμοιο με τους αρθρωτούς τύπους, το κόστος μπορεί να είναι χαμηλότερο επειδή η λειτουργικότητα της συσκευής είναι συχνά απλούστερη, το γενικό κόστος μπορεί να είναι χαμηλότερο και μπορεί να υπάρχουν λιγότερες αχρησιμοποίητες λειτουργίες.
Κατανεμημένη αρχιτεκτονική BMS
Σε αντίθεση με άλλες τοπολογίες, σε άλλες τοπολογίες, το ηλεκτρονικό υλικό και το λογισμικό ενσωματώνονται σε μονάδες, οι οποίες συνδέονται με την μπαταρία μέσω καλωδίων. Το κατανεμημένο BMS ενσωματώνει όλο το ηλεκτρονικό υλικό σε μια πλακέτα ελέγχου που τοποθετείται απευθείας στην παρακολουθούμενη μπαταρία ή μονάδα. Αυτό μειώνει την εκτεταμένη καλωδίωση μερικών καλωδίων αισθητήρων και καλωδίων επικοινωνίας μεταξύ γειτονικών μονάδων BMS. Επομένως, κάθε BMS είναι πιο ανεξάρτητο και χειρίζεται υπολογισμούς και επικοινωνία ανάλογα με τις ανάγκες. Ωστόσο, παρά την προφανή αυτή απλότητα, αυτή η ενσωματωμένη μορφή καθιστά την αντιμετώπιση προβλημάτων και τη συντήρηση ένα πιθανό πρόβλημα, καθώς βρίσκεται βαθιά μέσα στα θωρακισμένα στοιχεία της μονάδας. Το κόστος είναι συχνά υψηλότερο επειδή υπάρχουν περισσότερα BMS σε ολόκληρη τη δομή της μπαταρίας.
Η σημασία του συστήματος διαχείρισης μπαταριών
Στο BMS, η λειτουργική ασφάλεια είναι το πιο σημαντικό. Είναι σημαντικό να αποτρέψετε την υπέρβαση της τάσης, του ρεύματος και της θερμοκρασίας οποιασδήποτε μπαταρίας ή μονάδας υπό επίβλεψη και έλεγχο από τα καθορισμένα όρια SOA κατά τη διάρκεια των εργασιών φόρτισης και εκφόρτισης. Εάν το όριο ξεπεραστεί για κάποιο χρονικό διάστημα, όχι μόνο θα επηρεαστούν τα δυνητικά ακριβά πακέτα μπαταριών, αλλά μπορεί επίσης να υπάρξουν και επικίνδυνες καταστάσεις θερμικής διαφυγής. Επιπλέον, για την προστασία των μπαταριών ιόντων λιθίου και τη διασφάλιση της λειτουργικής ασφάλειας, απαιτείται επίσης αυστηρή παρακολούθηση των κατωτέρων ορίων τάσης. Εάν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου διατηρούνται σε αυτήν την κατάσταση χαμηλής τάσης, οι δενδρίτες χαλκού ενδέχεται τελικά να αναπτυχθούν στην άνοδο, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση του ρυθμού αυτοεκφόρτισης και σε πιθανά προβλήματα ασφάλειας. Το κόστος της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας στα συστήματα ισχύος ιόντων λιθίου είναι ότι δεν υπάρχει σχεδόν κανένας χώρος για σφάλματα διαχείρισης της μπαταρίας. Χάρη στις βελτιώσεις στις μπαταρίες BMS και ιόντων λιθίου, αυτό είναι ένα από τα πιο επιτυχημένα και ασφαλή χημικά μπαταριών που διατίθενται σήμερα.
Η απόδοση της μπαταρίας είναι η δεύτερη πιο σημαντική λειτουργία του BMS, η οποία περιλαμβάνει ηλεκτρική και θερμική διαχείριση. Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας ηλεκτρικά, όλες οι μπαταρίες της μπαταρίας πρέπει να είναι ισορροπημένες, πράγμα που σημαίνει ότι το SOC των γειτονικών μπαταριών σε ολόκληρο το εξάρτημα είναι περίπου ίσο. Αυτό είναι πολύ σημαντικό γιατί όχι μόνο επιτυγχάνει τη βέλτιστη χωρητικότητα της μπαταρίας, αλλά βοηθά επίσης στην πρόληψη της εκτεταμένης υποβάθμισης και στη μείωση των πιθανών hotspot για υπερφόρτιση αδύναμων μπαταριών. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα πρέπει να αποφεύγουν την αποφόρτιση κάτω από το όριο χαμηλής τάσης, καθώς αυτό μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα μνήμης και σημαντική απώλεια χωρητικότητας. Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στη θερμοκρασία και οι μπαταρίες δεν αποτελούν εξαίρεση. Όταν πέσει η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η χωρητικότητα και η διαθέσιμη ενέργεια της μπαταρίας θα μειωθούν σημαντικά. Επομένως, το BMS μπορεί να συνδέσει εξωτερικές ηλεκτρονικές θερμάστρες που βρίσκονται σε συστήματα υγρής ψύξης, όπως πακέτα μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων, ή να ενεργοποιήσει τις μόνιμες πλάκες θέρμανσης που είναι εγκατεστημένες κάτω από μονάδες συστοιχιών μπαταριών σε ελικόπτερα ή άλλα αεροσκάφη. Επιπλέον, καθώς η φόρτιση μπαταριών ιόντων λιθίου χαμηλής θερμοκρασίας δεν ευνοεί τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, είναι σημαντικό πρώτα να αυξήσετε πλήρως τη θερμοκρασία της μπαταρίας. Οι περισσότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν μπορούν να φορτιστούν γρήγορα κάτω από 5 βαθμούς C και δεν θα πρέπει να φορτίζονται καθόλου κάτω από 0 βαθμούς C. Προκειμένου να επιτευχθεί βέλτιστη απόδοση κατά την τυπική λειτουργική χρήση, η θερμική διαχείριση BMS συνήθως διασφαλίζει ότι η μπαταρία λειτουργεί εντός μια στενή περιοχή λειτουργίας Goldilocks (π.χ. 30-35 βαθμός C). Αυτό μπορεί να προστατεύσει την απόδοση, να παρατείνει τη διάρκεια ζωής και να καλλιεργήσει υγιή και αξιόπιστα πακέτα μπαταριών.
Τα οφέλη του συστήματος διαχείρισης μπαταρίας
Ένα πλήρες σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας, κοινώς γνωστό ως BESS, μπορεί να συναρμολογηθεί στρατηγικά από δεκάδες, εκατοντάδες ή και χιλιάδες μπαταρίες ιόντων λιθίου, ανάλογα με την εφαρμογή. Η ονομαστική τάση αυτών των συστημάτων μπορεί να είναι μικρότερη από 100 V, αλλά μπορεί να φτάσει έως και 800 V, με εύρος ρεύματος τροφοδοσίας μπαταρίας έως και 300 A ή μεγαλύτερη. Οποιαδήποτε κακή διαχείριση των μπαταριών υψηλής τάσης μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφικές καταστροφές που θέτουν σε κίνδυνο ζωές. Επομένως, το BMS είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας. Τα οφέλη του BMS μπορούν να συνοψιστούν ως εξής.
Λειτουργική ασφάλεια.Είναι αυτονόητο ότι για πακέτα μπαταριών ιόντων λιθίου μεγάλου μεγέθους, αυτό είναι ιδιαίτερα προσεκτικό και απαραίτητο. Αλλά ως γνωστόν, ακόμη και μικρότερες μορφές που χρησιμοποιούνται σε φορητούς υπολογιστές μπορούν να πάρουν φωτιά και να προκαλέσουν σημαντικές ζημιές. Η προσωπική ασφάλεια των χρηστών προϊόντων που περιέχουν συστήματα ισχύος ιόντων λιθίου αφήνει λίγα περιθώρια για σφάλματα διαχείρισης της μπαταρίας.
Διάρκεια ζωής και αξιοπιστία.Διαχείριση προστασίας μπαταριών, ηλεκτρική και θερμική, διασφαλίζοντας ότι όλες οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται σύμφωνα με τις δηλωμένες απαιτήσεις SOA. Αυτή η λεπτή επίβλεψη διασφαλίζει την ασφαλή χρήση και τους γρήγορους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας και αναπόφευκτα δημιουργεί ένα σταθερό σύστημα που μπορεί να παρέχει χρόνια αξιόπιστης υπηρεσίας.
Απόδοση και εύρος.Διαχείριση χωρητικότητας της μπαταρίας BMS, η οποία χρησιμοποιεί εξισορρόπηση μεταξύ των μπαταριών για την εξισορρόπηση του SOC των γειτονικών μπαταριών στα εξαρτήματα της μπαταρίας, επιτρέποντας τη βέλτιστη χωρητικότητα της μπαταρίας. Χωρίς αυτή τη λειτουργία BMS για την εξέταση των αλλαγών στην αυτοεκφόρτιση, στους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης, στις επιπτώσεις της θερμοκρασίας και στη γενική γήρανση, η μπαταρία μπορεί τελικά να καταστεί άχρηστη.
Διάγνωση, συλλογή δεδομένων και εξωτερική επικοινωνία.Η εργασία επίβλεψης περιλαμβάνει συνεχή παρακολούθηση όλων των στοιχείων της μπαταρίας, όπου η ίδια η καταγραφή δεδομένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάγνωση, αλλά συνήθως χρησιμοποιείται για υπολογιστικές εργασίες για την πρόβλεψη του SOC όλων των μπαταριών στο εξάρτημα. Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για την εξισορρόπηση αλγορίθμων, αλλά μπορούν να κοινοποιηθούν με εξωτερικές συσκευές και οθόνες για να υποδείξουν τη διαθέσιμη ενέργεια των κατοίκων, να εκτιμήσουν το αναμενόμενο εύρος ή το εύρος/διάρκεια ζωής με βάση την τρέχουσα χρήση και να παρέχουν την κατάσταση υγείας της μπαταρίας.
Μειώστε το κόστος και την εγγύηση.Η εισαγωγή του BMS στο BESS αυξάνει το κόστος και η μπαταρία είναι ακριβή και δυνητικά επικίνδυνη. Όσο πιο περίπλοκο είναι το σύστημα, τόσο υψηλότερες είναι οι απαιτήσεις ασφαλείας, επομένως απαιτείται περισσότερη επίβλεψη BMS. Ωστόσο, η προστασία και η προληπτική συντήρηση του BMS όσον αφορά τη λειτουργική ασφάλεια, τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία, την απόδοση και το πεδίο εφαρμογής, τη διάγνωση κ.λπ. διασφαλίζουν ότι θα μειώσει το συνολικό κόστος, συμπεριλαμβανομένων των δαπανών που σχετίζονται με την εγγύηση.
Σύναψη
Η προσομοίωση είναι ένας πολύτιμος σύμμαχος στο σχεδιασμό BMS, ειδικά όταν εφαρμόζεται για την εξερεύνηση και την επίλυση προκλήσεων σχεδιασμού στην ανάπτυξη υλικού, τη δημιουργία πρωτοτύπων και τη δοκιμή. Με ένα ακριβές μοντέλο μπαταρίας ιόντων λιθίου, το μοντέλο προσομοίωσης της αρχιτεκτονικής BMS αναγνωρίζεται ως εκτελέσιμη προδιαγραφή για εικονικά πρωτότυπα. Επιπλέον, η προσομοίωση επιτρέπει την ανώδυνη διερεύνηση παραλλαγών λειτουργιών παρακολούθησης BMS για διαφορετικά σενάρια λειτουργίας μπαταρίας και περιβάλλοντος. Τα ζητήματα υλοποίησης μπορούν να εντοπιστούν και να διερευνηθούν νωρίς, επιτρέποντας την επικύρωση των βελτιώσεων απόδοσης και λειτουργικής ασφάλειας πριν από την εφαρμογή σε πραγματικά πρωτότυπα υλικού. Αυτό μειώνει τον χρόνο ανάπτυξης και διασφαλίζει ότι το πρώτο πρωτότυπο υλικού είναι στιβαρό. Επιπλέον, όταν διεξάγονται σε εφαρμογές ενσωματωμένου συστήματος, μπορούν να πραγματοποιηθούν πολλές δοκιμές ελέγχου ταυτότητας σε BMS και σε πακέτα μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων των χειρότερων σεναρίων.