Batterij-energieopslagsystemen bevinden zich in steeds veeleisendere marktomstandigheden en bieden een breed scala aan toepassingen.Het zou een discussiebel vraag zijn hoe een batterijbeheersysteem (BMS) kan worden gebouwd dat een lange levensduur garandeert., veelzijdigheid en beschikbaarheid.
Elke moderne batterij heeft een batterijbeheersysteem (BMS) nodig, dat een combinatie is van elektronica en software, en fungeert als het brein van de batterij.Dit artikel richt zich op BMS-technologie voor stationaire energieopslagsystemenDe meest elementaire functies van het BMS zijn ervoor te zorgen dat de batterijcellen in evenwicht en veilig blijven, en belangrijke informatie, zoals beschikbare energie,wordt doorgegeven aan de gebruiker of aan de aangesloten systemen.
Er is evenwicht nodig omdat batterijsystemen bestaan uit honderden, soms duizenden, individuele cellen, die allemaal enigszins verschillende capaciteiten en weerstanden hebben.Deze verschillen toenemen na verloop van tijd naarmate de cellen in verschillende snelheden afbrekenAls de cellen niet, althans af en toe, in evenwicht worden gebracht, zullen hun spanningen al snel zo uiteenlopen dat de batterijcapaciteit onbruikbaar wordt.
De veiligheid wordt gewaarborgd door de cellen binnen veilige operationele grenzen van spanning, stroom en temperatuur te houden, wat vooral belangrijk is voor lithium-ionbatterijen.opgeladen bij zeer lage temperaturen, of blootgesteld aan overmatige stromen of temperaturen, kunnen er storingen ontstaan die tot branden of explosies kunnen leiden.
Informatie zoals beschikbare energie en vermogen kan niet rechtstreeks worden gemeten, wat betekent dat het BMS moet berekenen Deze berekeningen worden staatsschat genoemd en de resultaten worden doorgegeven aan systemen op hoger niveau, waaronder gebruikersinterfaces.
Voordat we de ontwerpoverwegingen van BMS in meer detail bekijken, is het de moeite waard om de verschillende soorten BMS en industriële vereisten te beschrijven die de ontwerpkeuzes beïnvloeden.De balanceringsbenadering wordt doorgaans gebruikt om BMS-typen te classificeren., hoewel andere ontwerpaspecten een belangrijke rol spelen, zoals verschillende benaderingen van de staatsschat en de informatiestromen.
Basispakketconstructie
Cellen, of elektrochemische cellen, zoals lithium-ioncellen zijn de kleinste energieopslag in een pakket.De minimale spanning van een lithium-ioncel kan zo laag zijn als 2.5V (voor LFP-cellen) en de maximale spanning kan zo hoog zijn als 4,3V voor NMC-chemie.
Een groep van parallel verbonden cellen wordt een supercel genoemd.
Over het algemeen zullen de cellen in een supercel zichzelf in balans brengen en is het niet nodig om ze verder te beheren.Uitzonderingen kunnen nieuwe chemische stoffen zoals lithiumsulfaat en chemische stoffen met platte ladingstoestand versus spanningscurves zijn die in extreme C-rate-omstandigheden werken, zoals lithium-ijzerfosfaat.
Een batterijpakket bestaat meestal uit een enkele string.die nodig is bij toepassingen met een hoog vermogen om anders zeer hoge werkstromen te voorkomen.
Bij het toevoegen van cellen aan een batterijconfiguratie neemt de energiecapaciteit toe.evenals het aansluiten van een extra supercel in serie.
BMS-typen
Balanceringsbenadering
Passieve balancering synchroniseert celspanningen aan het einde van het oplaadproces door energie te dissiperen, die via weerstanden als warmte in volledig geladen cellen zou zijn gegaan.Het voordeel van deze aanpak is de lage componentkosten van de elektronica..
De nadelen zijn onder meer dat alle cellen aan dezelfde stroom worden blootgesteld, wat betekent dat de zwakste seriecellen de energie, het vermogen, de levensduur en de veiligheid van de hele batterij beperken.De afbraak van cellen wordt versneld omdat de stroom op zwakkere cellen hoger is in verhouding tot hun capaciteit, die ook lokale hotspots kunnen veroorzaken die kunnen leiden tot een vermindering van het batterijvermogen of zelfs veiligheidsproblemen.De passieve BMS kan alleen de pakstroom monitoren en deze onderbreken via een ontkoppelingsschakelaar in geval van storing.
Als een tweerichtingsinformatie-stroom wordt geïmplementeerd, kunnen parameters op systeemniveau, zoals operationele instellingen, worden gewijzigd om de levensduur of de prestaties van de batterij te prioriteren.De levensduur wordt geprioriteerd door het operationele venster te verminderen ten koste van de beschikbare energie of vermogen, terwijl de prestaties worden geprioriteerd door het bedrijfsvenster te vergroten, ten koste van de levensduur van de batterij.
Actief balanceren wordt meestal uitgevoerd via lage stroom bypass circuits, die lage oplaadstromen richten naar cellen die nog niet zijn opgeladen, in plaats van de energie als warmte te verstrooien.De belangrijkste voordelen van deze aanpak zijn de verbetering van de efficiëntie van het laden, die van belang kan zijn als de beschikbare ladenergie zo efficiënt mogelijk moet worden gebruikt.de actieve balancering rechtvaardigt niet de toegevoegde kosten van de componenten voor de voordelen die zij opleveren;Net als bij passief balanceren wordt de afbraak van cellen versneld door hogere relatieve stromen op zwakkere cellen en kunnen er hotspots ontstaan.
Schatting van de staat
De berekening van de staat van lading (SoC) en de staat van gezondheid (SoH) is gebaseerd op een combinatie van batterijmodellen en schattingsalgoritmen.Het niveau van verfijning en nauwkeurigheid dat mogelijk is voor staatsschat en onderliggende batterijmodellen hangt sterk af van de hardware, die we hier gebruiken om verschillende benaderingen te onderscheiden.
Geïntegreerde schakelingen (IC's) worden in de meeste conventionele BMS's gebruikt voor de staatsschat, die vaak worden aangeduid als "brandstofmeter".IC's zijn hardwired met chemie-specifieke batterijmodellen en staatsschatalgoritmenHet voordeel van IC's is dat ze goedkoop zijn. De nadelen zijn beperkte systeemontwerpflexibiliteit en nauwkeurigheid.De flexibiliteit van het ontwerp is beperkt omdat IC's doorgaans worden gemaakt voor een bepaalde batterijchemie met specifieke specificaties.
Als de batterijchemie of de specificaties veranderen, moet ook de IC worden gewijzigd en moet het ontwerp worden aangepast. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, die kunnen verschillen tussen fabrikanten, formaten en partijen,(ii) beperkte rekenkracht op IC's beperkt de complexiteit en de betrouwbaarheid van staatsschatalgoritmen en onderliggende batterijmodellen, en (iii) cellen kenmerken veranderen in de loop van de tijd, die niet kunnen worden vastgelegd door hardwired IC algoritmen, wat leidt tot toenemende onnauwkeurigheid in de loop van de tijd.
Microprocessoren kunnen worden geprogrammeerd met complexere, meer betrouwbare batterijmodellen en staatsschatalgoritmen.die kunnen worden afgestemd op specifieke cellenkenmerken en specificatiesDe veranderende celkenmerken kunnen worden aangepast door de parameters van de staatsschatalgoritmen en batterijmodellen bij te werken, waardoor de uitgangen in de loop van de tijd nauwkeuriger blijven.Dezelfde hardware kan worden gebruikt voor elk type batterij chemie of fabrikantHet nadeel kan zijn dat de kosten van de onderdelen hoger zijn, afhankelijk van de vereiste functionaliteit en rekenkracht.
Inlichtingenstroom
Eenrichtingsinformatiestroom is gebruikelijk in de meeste batterijsystemen: informatie stroomt van het BMS naar hogere systemen en gebruikersinterfaces.minder informatie op laag niveau beschikbaar isDe belangrijkste informatie is veiligheids- en prestatiegerelateerd en omvat statistieken zoals SoC en SoH.
Bij-richtingsinformatiestroom is mogelijk als het BMS input kan verwerken, zoals wijzigingen in operationele instellingen (bijvoorbeeld maximale en minimale toegestane celspanning of SoC),of zelfs updates van batterijmodellen of staatsschatalgoritmen om hun nauwkeurigheid te behouden, indien microcontrollers worden gebruikt.
