Hoe te om een BMS, de hersenen van een systeem van de batterijopslag te ontwerpen

De de opslagsystemen worden van de batterijenergie geplaatst in meer en meer het eisen van marktvoorwaarden, die een brede waaier van toepassingen verstrekken. Het zou een vraag waard het bespreken zijn die hoe te om een batterijbeheersysteem (BMS) te bouwen dat lange levens, veelzijdigheid en beschikbaarheid verzekert.

Elke moderne batterij vergt een batterijbeheersysteem (BMS), dat een combinatie van elektronika en software is, en handelt als hersenen van de batterij. Dit artikel concentreert zich op BMS-technologie voor de stationaire systemen van de energieopslag. De meest basisfunctionaliteit van BMS moet ervoor zorgen dat de batterijcellen evenwichtig en veilig blijven, en de belangrijke informatie, zoals beschikbare energie, wordt doorgegeven aan de gebruiker of de aangesloten systemen.

Het in evenwicht brengen is nodig omdat de batterijsystemen uit honderden, soms duizenden individuele cellen worden samengesteld, die allen lichtjes verschillende capaciteiten en weerstanden hebben. Deze verschillen stijgen na verloop van tijd aangezien de cellen aan verschillende tarieven degraderen. Als de cellen niet minstens nu en dan evenwichtig zijn, zullen hun voltages spoedig apart in een mate afdrijven dat de batterijcapaciteit onbruikbaar wordt.

De veiligheid wordt verzekerd door de cellen binnen veilige werkende grenzen van voltage, stroom en temperatuur te houden, die voor lithium-ionenbatterijen bijzonder belangrijk is. Als de cellen overbelast, geladen, of blootgesteld worden bij zeer lage temperaturen aan bovenmatige stromen of temperaturen, konden zij fouten ontwikkelen die tot branden of explosies kunnen leiden.

De informatie zoals beschikbare energie en macht kan niet direct worden gemeten, wat betekent BMS moet gegevens verwerken het op metingen van voltage, stroom en temperatuur baseerde. Deze berekeningen worden genoemd de schatting van de staat en de resultaten worden doorgegeven aan higher-level systemen, met inbegrip van gebruikersinterface.

Alvorens wij BMS-ontwerpoverwegingen meer in detail bekijken, is het beschrijvend de moeite waard de verschillende soorten de vereisten van BMS en van de industrie die ontwerpkeuzen informeren. De in evenwicht brengende benadering wordt typisch gebruikt om BMS-types te classificeren, hoewel andere ontwerpaspecten belangrijke rollen, zoals verschillende benaderingen van de schatting en de informatiestromen van de staat spelen.

Basispakbouw

De cellen, of de elektrochemische cellen, zoals lithium-ionencellen zijn de kleinste eenheid van energieopslag binnen een pak. Zij komen in diverse fysieke grootte die direct op hun capaciteit betrekking heeft. Het minimumvoltage van een lithium-Ionencel kan zo laag zijn zoals 2.5V (voor LFP-cellen) en het maximumvoltage kan zo hoog zijn zoals 4.3V voor NMC-chemie.

De cellen worden verbonden tegelijkertijd om de maximumstroom te verhogen die van het pak kan worden getrokken. Een groep parallelle verbonden cellen wordt genoemd een super cel.

In het algemeen, zullen de cellen binnen een super cel zelf-saldo en er is geen behoefte om hen verder te leiden. De uitzonderingen kunnen nieuwe chemie zoals lithiumzwavel en chemie met vlakke staat van last tegenover in werking gestelde voltagekrommen in extreme Kratvoorwaarden zoals het fosfaat van het lithiumijzer omvatten.

De super cellen worden verbonden in reeks om een koord te vormen. Een batterijpak bestaat gewoonlijk uit één enkel koord. Het verbinden van super cellen in reeks verhoogt het voltage van het pak, dat in hoge machtstoepassingen noodzakelijk is om anders uiterst hoge werkende stromen te verhinderen.

Wanneer het toevoegen van cellen aan een configuratie van het batterijpak, stijgt de energiecapaciteit. Daarom verbetert het toevoegen van parallelle cellen aan een super cel de de energiecapaciteit van het pak, zoals het verbinden van een extra super cel in reeks.

BMS-types

In evenwicht brengende benadering

Het passieve in evenwicht brengen synchroniseert celvoltages aan het eind van het lastenproces door energie te verdrijven, die in volledig geladen cellen, als hitte via weerstanden zou gegaan zijn. Het voordeel van deze benadering is de lage componentenkosten van de elektronika.

De nadelen omvatten dat alle cellen aan dezelfde stroom worden blootgesteld, zo betekent het dat de zwakste series-connected cellen de energie, de macht, het leven en de veiligheid van de gehele batterij beperken. De celdegradatie wordt versneld aangezien de stroom op zwakkere cellen hoger is met betrekking tot hun capaciteit, die gelokaliseerde hotspots kan ook veroorzaken die tot DE-classificatie van van de batterijmacht of zelfs veiligheid kwesties kunnen leiden. Voorts wordt de energie verspild tijdens het het laden proces. Passieve BMS kan de pakstroom slechts controleren en het onderbreken via losmaakt schakelaar in het geval van een fout.

Als de tweerichtingsinformatiestroom wordt uitgevoerd, kunnen de systeem-vlakke parameters zoals operationele montages worden veranderd om of batterij aan leven of prestaties voorrang te geven. Het leven wordt voorrang gegeven aan door het operationele venster ten koste van beschikbare energie of macht te verminderen, terwijl de prestaties door het operationele venster, ten koste van levensduur batterij te verwijden voorrang aan worden gegeven aan.

Het actieve in evenwicht brengen wordt typisch uitgevoerd via low-current omleidingskringen, welke directe lage het laden stromen aan cellen die nog niet worden geladen, eerder dan het verdrijven van de energie als hitte. Het belangrijkste voordeel van deze benadering moet het laden efficiency verbeteren, die belangrijk kan zijn als de beschikbare het laden energie zo efficiënt mogelijk moet worden gebruikt. Voor de meeste toepassingen, echter, het actieve rechtvaardigt in evenwicht brengen niet de toegevoegde componentenkosten voor de voordelen die zij hebben opgebracht. Als met het passieve in evenwicht brengen, wordt de celdegradatie versneld door hogere relatieve stromen op zwakkere cellen en de hotspots kunnen zich vormen.

De schatting van de staat

De schatting van de Staat van Last (Soc) en Staat van Gezondheid (SoH) is gebaseerd op een combinatie batterijmodellen en schattingsalgoritmen. Het niveau van verfijning en nauwkeurigheid dat voor de schatting van de staat en onderliggende batterijmodellen sterk mogelijk is hangt van de hardware af, die wij hier gebruiken om verschillende benaderingen te onderscheiden.

De geïntegreerde schakelingen (IC) worden gebruikt in conventioneelste BMSs voor de schatting van de staat, die vaak als ‚brandstofmaat‘ worden bedoeld. ICs zijn ‚hardwired‘ met chemie-specifieke batterijmodellen en de schattingsalgoritmen van de staat. Het voordeel van ICs is dat zij lage kosten zijn. De nadelen omvatten de de beperkte flexibiliteit en nauwkeurigheid van het systeemontwerp. De laatstgenoemde neigt slechter na verloop van tijd te worden. De ontwerpflexibiliteit is beperkt omdat ICs typisch voor een bepaalde batterijchemie met bijzondere specificaties worden gecreeerd.

Als de de batterijchemie of specificaties veranderen, moet IC ook worden veranderd en het ontwerp gepast aan. De redenen voor de beperkte en verslechterende nauwkeurigheid zijn (i) de schatting van de staat op ICs is gebaseerd op algemene vertegenwoordiging van de batterijchemie en vangt geen nuanced thermodynamische en dynamische eigenschappen van cellen, die tussen fabrikanten, formaten en partijen kunnen variëren, zelfs voor dezelfde chemie(ii) beperkte rekencapaciteit op ICs beperkt de ingewikkeldheid en de trouw van de schattingsalgoritmen van de staat en onderliggende batterijmodellen, en (iii) de verandering van celkenmerken na verloop van tijd, die niet langs kunnen worden gevangen hardwired IC-algoritmen, die tot stijgende onnauwkeurigheid na verloop van tijd leiden.

De microprocessors kunnen met de van de complexere, modellen hoog-trouwbatterij en de schattingsalgoritmen van de staat worden geprogrammeerd, die kunnen worden verfijnd om van bijzondere celkenmerken en specificaties rekenschap te geven. De veranderende celkenmerken kunnen worden aangepast door de parameters van de de schattingsalgoritmen van de staat en de batterijmodellen bij te werken, die output na verloop van tijd nauwkeuriger houdt. De zelfde hardware kan voor om het even welk type die van batterijchemie of fabrikant worden gebruikt, voor uiteindelijke ontwerpflexibiliteit toestaan. Het nadeel kan hogere componentenkosten, afhankelijk van de vereiste functionaliteit en de computermacht zijn.

Informatiestroom

De eenrichtingsinformatiestroom is gemeenschappelijk in de meeste batterijsystemen: informatiestromen van BMS aan higher-level systemen en gebruikersinterface. Als BMS door de celmaker wordt verstrekt, neigt minder lage informatie beschikbaar te zijn, aangezien deze informatie kan als gevoelig worden beschouwd. De belangrijkste informatie is verwante veiligheid en prestaties en omvat metriek zoals Soc en SoH.

De tweerichtingsinformatiestroom is mogelijk als BMS input kan verwerken, zoals veranderingen in operationele montages (bijvoorbeeld maximaal en minimaal toelaatbaar celvoltage of Soc), of zelfs updates aan batterijmodellen of de schattingsalgoritmen van de staat om hun nauwkeurigheid te handhaven, als microcontrollers worden gebruikt.