Система управления аккумулятором

Система управления аккумулятором ( BMS ) — это любая электронная система, которая управляет перезаряжаемой батареей ( элементом или аккумуляторным блоком ), обеспечивая безопасное использование и длительный срок службы батареи в практических сценариях, одновременно отслеживая и оценивая ее различные состояния (такие как SoH и SoC ), ^[1] вычисление вторичных данных, представление этих данных, контроль их среды, их аутентификация или балансировка . ^[2]Модуль схемы защиты ( PCM ) — более простая альтернатива BMS. ^[3]Аккумуляторная батарея, объединенная с системой управления батареями с внешней шиной передачи данных, представляет собой интеллектуальную аккумуляторную батарею . Интеллектуальный аккумуляторный блок необходимо заряжать с помощью интеллектуального зарядного устройства . ^[1]^[4]

Функции

Монитор

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

Напряжение : общее напряжение, напряжение отдельных ячеек или напряжение периодических отводов.
Температура : средняя температура, температура на входе охлаждающей жидкости, температура на выходе охлаждающей жидкости или температура отдельных ячеек.
Поток охлаждающей жидкости: для аккумуляторов с жидкостным охлаждением
Ток : ток на входе или выходе батареи.
Здоровье отдельных клеток
Состояние баланса клеток

Системы электромобилей: рекуперация энергии

BMS также будет контролировать перезарядку аккумулятора, перенаправляя восстановленную энергию (т. е. за счет рекуперативного торможения ) обратно в аккумуляторный блок (обычно состоящий из нескольких аккумуляторных модулей, каждый из которых состоит из нескольких ячеек).

Системы управления температурой батареи могут быть пассивными или активными, а охлаждающей средой может быть воздух, жидкость или какая-либо форма фазового перехода. Воздушное охлаждение выгодно своей простотой. Такие системы могут быть пассивными, опирающимися только на конвекцию окружающего воздуха, или активными, использующими вентиляторы для притока воздуха. В коммерческом плане 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 большее, чем активное жидкостное охлаждение. ^[6] Дополнительные компоненты механизма охлаждения 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 имеют более высокую теплопроводность, чем воздух. Батареи могут быть либо непосредственно погружены в охлаждающую жидкость, либо охлаждающая жидкость может проходить через BMS, не контактируя напрямую с батареей. Косвенное охлаждение может создать большие температурные градиенты в BMS из-за увеличенной длины каналов охлаждения. Это можно уменьшить за счет более быстрой прокачки охлаждающей жидкости через систему, создавая компромисс между скоростью прокачки и термической стабильностью. ^[6]

Вычисление

Кроме того, BMS может рассчитывать значения на основе перечисленных ниже элементов, 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 определяемое измерение оставшейся емкости аккумулятора как доли от первоначальной емкости.
Состояние мощности (SoP) — это количество энергии, 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, полученная с момента последней зарядки или цикла зарядки
Внутренний импеданс ячейки (для определения напряжения холостого хода)
Доставленный или сохраненный заряд (иногда эту функцию называют кулонов подсчетом )
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 со своим оборудованием, работающим на уровне ячейки, или снаружи с оборудованием высокого уровня, таким как ноутбуки или HMI . ^{[ нужны разъяснения ]}

Внешняя связь высокого уровня проста и использует несколько методов: ^{[ нужна ссылка ]}

Различные типы последовательной связи .
Связь по шине CAN обычно используется в автомобильной среде.
Различные типы беспроводной связи . ^[7]

Низковольтные централизованные BMS в большинстве случаев не имеют внутренних коммуникаций.

Распределенные или модульные системы BMS должны использовать некоторую низкоуровневую внутреннюю связь «ячейка-контроллер» (модульная архитектура) или «контроллер-контроллер» (распределенная архитектура). Эти виды связи сложны, особенно для высоковольтных систем. Проблема 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 изоляция и беспроводная связь . Еще одним 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 возможности. Стоимость модульных систем важна, поскольку она может быть сопоставима со стоимостью ячейки. ^[8] Сочетание аппаратных и программных ограничений приводит к появлению нескольких вариантов внутренней связи:

Изолированная последовательная связь
Беспроводная последовательная связь

Для обхода ограничений мощности существующих USB-кабелей из-за нагрева 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, а не напряжение, с целью уменьшить тепло, выделяемое в устройстве в результате внутреннего преобразования повышенного напряжения в напряжение зарядки аккумулятора, что, однако, делает его несовместимым с существующими USB-кабелями и использует специальные сильноточные USB-кабели с соответственно более толстыми медными проводами. Совсем недавно стандарт USB Power Delivery был направлен на создание универсального протокола переговоров для устройств мощностью до 240 Вт. ^[9]

Защита

BMS может защитить свою батарею, предотвращая ее работу за пределами безопасной рабочей зоны , например: ^[1]^[10]

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

BMS может препятствовать работе аккумулятора за пределами безопасной зоны эксплуатации следующим образом:

Включает внутренний переключатель (например, реле или МОП-транзистор ), который размыкается, если аккумулятор эксплуатируется за пределами безопасной рабочей зоны.
Попросите устройства сократить или даже прекратить использование или зарядку аккумулятора.
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 батарею к различным нагрузкам и устранять чрезмерные пусковые токи для нагрузки конденсаторов.

Подключение к нагрузкам обычно контролируется с помощью электромагнитных реле, называемых контакторами. Цепь предварительной зарядки может представлять собой либо мощные резисторы, включенные последовательно с нагрузкой, пока конденсаторы не зарядятся. В качестве альтернативы можно использовать импульсный источник питания, подключенный параллельно нагрузкам, для зарядки напряжения цепи нагрузки до уровня, достаточно близкого к напряжению батареи, чтобы можно было 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 батареями

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

Трата энергии из наиболее заряженных элементов путем подключения их к нагрузке (например, через пассивные регуляторы )
Перетасовка энергии от наиболее заряженных ячеек к наименее заряженным ( балансировщикам ).
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 литиево-химическим элементам)

Топологии

Технология BMS различается по сложности и производительности:

Простые пассивные регуляторы обеспечивают балансировку батарей или элементов путем обхода зарядного тока, когда напряжение элемента достигает определенного уровня. Напряжение элемента является плохим индикатором SoC элемента (и для некоторых химических соединений лития, таких как LiFePO).
₄ , это вообще не показатель), таким образом, выравнивание напряжений ячеек с помощью пассивных регуляторов не балансирует SoC, что и является целью BMS. Таким образом, такие устройства, хотя и являются полезными, имеют серьезные ограничения в своей эффективности.
Активные регуляторы интеллектуально включают и отключают 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, отмеченные выше.
Полная система BMS также сообщает о состоянии батареи на дисплей и защищает батарею.

Топологии BMS делятся на три категории:

Централизованный: один контроллер подключен к элементам аккумулятора посредством множества проводов.
Распределенное: в каждом элементе установлена плата BMS, между аккумулятором и контроллером имеется только один кабель связи.
Модульность: 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 самыми 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, электромобилях) и стационарных приложениях (например, резервных ИБП в серверной комнате ) сильно различаются, особенно в отношении требований к пространству и весу, поэтому аппаратные и программные реализации должны быть адаптированы. конкретному использованию. В случае электромобилей или гибридных автомобилей BMS является лишь подсистемой и не может работать как автономное устройство. Он должен взаимодействовать как минимум с зарядным устройством (или инфраструктурой зарядки), нагрузкой, подсистемами терморегулирования и аварийного отключения. Таким образом, в хорошей конструкции автомобиля BMS тесно интегрирована с этими подсистемами. Некоторые небольшие мобильные устройства (например, тележки для медицинского оборудования, моторизованные инвалидные коляски, скутеры и вилочные погрузчики) часто имеют внешнее зарядное оборудование, однако бортовая BMS по-прежнему должна иметь тесную конструктивную интеграцию с внешним зарядным устройством.

различные методы балансировки аккумуляторов Используются состояния заряда , некоторые из них основаны на теории .

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Прадхан, СК; Чакраборти, Б. (1 июля 2022 г.). «Стратегии управления аккумуляторами: важный обзор методов мониторинга состояния аккумуляторов» . Журнал хранения энергии . 51 : 104427. doi : 10.1016/j.est.2022.104427 . ISSN 2352-152X .
^ Барсуков Евгений; Цянь, Цзиньжун (май 2013 г.). Управление питанием от аккумулятора портативных устройств . Артех Хаус. ISBN 9781608074914 .
^ «PCM против BMS: дилемма для дизайнеров продуктов» . БМС PowerSafe® . 01.06.2016 . Проверено 21 марта 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б Ким, Минджун; Итак, Джэхёк (01.12.2023). «Проектирование СБИС и реализация FPGA для оценки состояния заряда и работоспособности систем управления аккумуляторами электромобилей» . Журнал хранения энергии . 73 : 108876. doi : 10.1016/j.est.2023.108876 . ISSN 2352-152X .
^ Лю, Хуацян; Вэй, Чжунбао; Он, Вэйдун; Чжао, Цзиюнь (октябрь 2017 г.). «Тепловые проблемы литий-ионных аккумуляторов и недавний прогресс в системах терморегулирования аккумуляторов: обзор». Преобразование энергии и управление . 150 : 304–330. Бибкод : 2017ECM...150..304L . дои : 10.1016/j.enconman.2017.08.016 . ISSN 0196-8904 .
^ Jump up to: ^а ^б Чен, Дафен; Цзян, Цзючунь; Ким, Ги-Хон; Ян, Чуанбо; Песаран, Ахмад (февраль 2016 г.). «Сравнение различных методов охлаждения элементов литий-ионных аккумуляторов» . Прикладная теплотехника . 94 : 846–854. Бибкод : 2016AppTE..94..846C . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015 . ISSN 1359-4311 .
^ Мариус Валле (19 ноября 2016 г.). «Отрезаем провода, чтобы увеличить запас хода электромобилей» . Технический еженедельник (на норвежском языке) . Проверено 20 ноября 2016 г.
^ «Другая топология системы управления батареями» . Архивировано из оригинала 22 октября 2020 г. Проверено 6 декабря 2021 г.
^ Сумух Рао (09 апреля 2020 г.). «Qualcomm Quick Charge против OnePlus Warp Charge против Oppo VOOC против USB-PD — битва технологий быстрой зарядки» . ТехПП . Проверено 6 декабря 2021 г.
^ Ли, Ю-Лин; Линь, Чан-Хуа; Пай, Кай-Джун; Линь, Ю-Лян (01 сентября 2022 г.). «Модульная конструкция и проверка систем управления батареями на основе архитектур двойной концентрации» . Журнал хранения энергии . 53 : 105068. doi : 10.1016/j.est.2022.105068 . ISSN 2352-152X .

Внешние ссылки

[:1-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Прадхан, СК; Чакраборти, Б. (1 июля 2022 г.). «Стратегии управления аккумуляторами: важный обзор методов мониторинга состояния аккумуляторов» . Журнал хранения энергии . 51 : 104427. doi : 10.1016/j.est.2022.104427 . ISSN 2352-152X .

[2] Барсуков Евгений; Цянь, Цзиньжун (май 2013 г.). Управление питанием от аккумулятора портативных устройств . Артех Хаус. ISBN 9781608074914 .

[3] «PCM против BMS: дилемма для дизайнеров продуктов» . БМС PowerSafe® . 01.06.2016 . Проверено 21 марта 2024 г.

[:2-4] Jump up to: ^а ^б Ким, Минджун; Итак, Джэхёк (01.12.2023). «Проектирование СБИС и реализация FPGA для оценки состояния заряда и работоспособности систем управления аккумуляторами электромобилей» . Журнал хранения энергии . 73 : 108876. doi : 10.1016/j.est.2023.108876 . ISSN 2352-152X .

[5] Лю, Хуацян; Вэй, Чжунбао; Он, Вэйдун; Чжао, Цзиюнь (октябрь 2017 г.). «Тепловые проблемы литий-ионных аккумуляторов и недавний прогресс в системах терморегулирования аккумуляторов: обзор». Преобразование энергии и управление . 150 : 304–330. Бибкод : 2017ECM...150..304L . дои : 10.1016/j.enconman.2017.08.016 . ISSN 0196-8904 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Чен, Дафен; Цзян, Цзючунь; Ким, Ги-Хон; Ян, Чуанбо; Песаран, Ахмад (февраль 2016 г.). «Сравнение различных методов охлаждения элементов литий-ионных аккумуляторов» . Прикладная теплотехника . 94 : 846–854. Бибкод : 2016AppTE..94..846C . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015 . ISSN 1359-4311 .

[7] Мариус Валле (19 ноября 2016 г.). «Отрезаем провода, чтобы увеличить запас хода электромобилей» . Технический еженедельник (на норвежском языке) . Проверено 20 ноября 2016 г.

[8] «Другая топология системы управления батареями» . Архивировано из оригинала 22 октября 2020 г. Проверено 6 декабря 2021 г.

[9] Сумух Рао (09 апреля 2020 г.). «Qualcomm Quick Charge против OnePlus Warp Charge против Oppo VOOC против USB-PD — битва технологий быстрой зарядки» . ТехПП . Проверено 6 декабря 2021 г.

[10] Ли, Ю-Лин; Линь, Чан-Хуа; Пай, Кай-Джун; Линь, Ю-Лян (01 сентября 2022 г.). «Модульная конструкция и проверка систем управления батареями на основе архитектур двойной концентрации» . Журнал хранения энергии . 53 : 105068. doi : 10.1016/j.est.2022.105068 . ISSN 2352-152X .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]