Шта је систем управљања батеријом?

Дефиниција

Систем за управљање батеријом (БМС) је технологија посвећена надзору батеријског пакета, који је склоп батеријских ћелија, електрично организованих у матричну конфигурацију ред к колона да би омогућио испоруку циљаног опсега напона и струје током одређеног временског периода против очекивани сценарији оптерећења.Надзор који БМС пружа обично укључује:

• Праћење батерије
• Обезбеђивање заштите батерије
• Процена радног стања батерије
• Континуирано оптимизовање перформанси батерије
• Извештавање о оперативном статусу спољним уређајима

Овде термин „батерија” подразумева цело паковање;међутим, функције надзора и контроле се посебно примењују на појединачне ћелије, или групе ћелија које се називају модули у целокупном склопу батеријског пакета.Литијум-јонске пуњиве ћелије имају највећу густину енергије и стандардни су избор за батерије за многе потрошачке производе, од лаптопа до електричних возила.Иако раде изванредно, могу бити прилично неопростиви ако се користе изван генерално тесног безбедног радног подручја (СОА), са резултатима у распону од компромитовања перформанси батерије до потпуно опасних последица.БМС свакако има изазован опис посла, а његова укупна сложеност и домет надзора могу обухватити многе дисциплине као што су електрична, дигитална, контролна, термална и хидраулична.

Како функционишу системи за управљање батеријама?

Системи управљања батеријама немају фиксни или јединствени скуп критеријума који се морају усвојити.Обим дизајна технологије и имплементиране карактеристике генерално су у корелацији са:

• Трошкови, сложеност и величина батерије
• Примена батерије и сва питања везана за безбедност, животни век и гаранцију
• Захтеви за сертификацију из различитих владиних прописа где су трошкови и казне најважнији ако су на снази неадекватне функционалне безбедносне мере

Постоје многе карактеристике дизајна БМС-а, при чему су управљање заштитом батерије и управљање капацитетом две основне карактеристике.Овде ћемо разговарати о томе како ове две функције функционишу.Управљање заштитом батеријског пакета има две кључне арене: електричну заштиту, која подразумева да се батерија не оштети коришћењем ван њене СОА, и термичка заштита, која укључује пасивну и/или активну контролу температуре ради одржавања или довођења паковања у његову СОА.

Заштита управљања електричном енергијом: струја

Праћење струје батерије и напона ћелије или модула је пут до електричне заштите.Електрични СОА било које ћелије батерије је везан струјом и напоном.Слика 1 илуструје типичну СОА литијум-јонску ћелију, а добро дизајниран БМС ће заштитити паковање спречавањем рада ван рејтинга ћелија произвођача.У многим случајевима, додатно смањење снаге може бити примењено за боравак у СОА безбедној зони у интересу промовисања даљег века трајања батерије.

Литијум-јонске ћелије имају различита ограничења струје за пуњење него за пражњење, а оба режима могу да поднесу веће вршне струје, иако у кратким временским периодима.Произвођачи батеријских ћелија обично одређују максимална ограничења струје непрекидног пуњења и пражњења, заједно са вршним ограничењима струје пуњења и пражњења.БМС који обезбеђује струјну заштиту ће сигурно применити максималну континуирану струју.Међутим, томе може претходити изненадна промена услова оптерећења;на пример, нагло убрзање електричног возила.БМС може укључити праћење вршне струје интеграцијом струје и времена након делта, одлучујући или да смањи доступну струју или да потпуно прекине струју пакета.Ово омогућава БМС-у да поседује скоро тренутну осетљивост на екстремне струјне вршне вредности, као што је стање кратког споја које није привукло пажњу ниједног резидентног осигурача, али такође може да опрости високим вршним захтевима, све док нису претерани за дуго.

Заштита управљања електричном енергијом: напон

Слика 2 показује да литијум-јонска ћелија мора да ради у одређеном опсегу напона.Ове СОА границе ће на крају бити одређене интринзичном хемијом одабране литијум-јонске ћелије и температуром ћелија у било ком тренутку.Штавише, пошто сваки пакет батерија доживљава значајну количину струјног циклуса, пражњења услед захтева за оптерећењем и пуњења из различитих извора енергије, ова ограничења напона СОА обично су додатно ограничена ради оптимизације животног века батерије.БМС мора знати које су ове границе и наређиваће одлуке на основу близине ових прагова.На пример, када се приближи граници високог напона, БМС може захтевати постепено смањење струје пуњења или може захтевати да се струја пуњења потпуно прекине ако се достигне граница.Међутим, ово ограничење је обично праћено додатним разматрањима унутрашње хистерезе напона како би се спречило чаврљање контроле о прагу искључивања.С друге стране, када се приближи граници ниског напона, БМС ће захтевати да кључна активна штетна оптерећења смање своје тренутне захтеве.У случају електричног возила, ово се може извести смањењем дозвољеног обртног момента доступног вучном мотору.Наравно, БМС мора узети у обзир безбедносна питања за возача као највећи приоритет док штити батерију како би спречила трајно оштећење.

Заштита управљања топлотом: Температура

По номиналној вредности, може изгледати да литијум-јонске ћелије имају широк радни опсег температуре, али укупни капацитет батерије се смањује на ниским температурама јер се брзине хемијских реакција значајно успоравају.Што се тиче способности на ниским температурама, оне раде много боље од оловних или НиМх батерија;међутим, управљање температуром је од суштинског значаја јер је пуњење испод 0 °Ц (32 °Ф) физички проблематично.Феномен облагања металног литијума може се појавити на аноди током пуњења испод замрзавања.Ово је трајно оштећење и не само да доводи до смањења капацитета, већ су ћелије подложније отказу ако су подвргнуте вибрацијама или другим стресним условима.БМС може да контролише температуру батерије кроз грејање и хлађење.

Реализовано управљање топлотом у потпуности зависи од величине и цене батерије и циљева перформанси, критеријума дизајна БМС-а и јединице производа, што може укључити разматрање циљаног географског региона (нпр. Аљаска против Хаваја).Без обзира на тип грејача, генерално је ефикасније црпити енергију из спољног извора напајања наизменичном струјом или алтернативне резидентне батерије која је намењена да ради на грејачу када је то потребно.Међутим, ако електрични грејач има скромну потрошњу струје, енергија из примарног батеријског пакета се може сифонирати да се загреје.Ако се имплементира термички хидраулички систем, онда се електрични грејач користи за загревање расхладне течности која се пумпа и дистрибуира кроз склоп пакета.

БМС дизајнерски инжењери несумњиво имају трикове у свом дизајнерском занату како би убацили топлотну енергију у пакет.На пример, може се укључити различита енергетска електроника унутар БМС-а посвећена управљању капацитетом.Иако није тако ефикасан као директно грејање, може се користити без обзира на то.Хлађење је посебно важно да би се смањио губитак перформанси литијум-јонске батерије.На пример, можда дата батерија ради оптимално на 20°Ц;ако се температура паковања повећа на 30°Ц, његова ефикасност може бити смањена за чак 20%.Ако се паковање непрекидно пуни и пуни на 45°Ц (113°Ф), губитак перформанси може порасти до огромних 50%.Животни век батерије такође може да пати од прераног старења и деградације ако је стално изложен прекомерном стварању топлоте, посебно током брзих циклуса пуњења и пражњења.Хлађење се обично постиже помоћу две методе, пасивне или активне, а могу се користити обе технике.Пасивно хлађење се ослања на кретање протока ваздуха ради хлађења батерије.У случају електричног возила, то имплицира да се оно једноставно креће низ пут.Међутим, може бити софистицираније него што се чини, јер би сензори брзине ваздуха могли бити интегрисани за стратешко аутоматско подешавање дефлективних ваздушних брана како би се максимизирао проток ваздуха.Имплементација активног вентилатора са контролисаном температуром може помоћи при малим брзинама или када се возило зауставило, али све ово може само да изједначи пакет са околном температуром.У случају врућег дана, ово би могло повећати почетну температуру паковања.Термохидраулично активно хлађење може бити дизајнирано као комплементарни систем и обично користи етилен-гликол расхладну течност са одређеним односом смеше, циркулише преко електромоторне пумпе кроз цеви/црева, разводне колекторе, измењивач топлоте са попречним протоком (радијатор) , и расхладна плоча постављена уз склоп батерије.БМС прати температуре широм паковања и отвара и затвара различите вентиле како би одржао температуру целокупне батерије у уском температурном опсегу како би се обезбедиле оптималне перформансе батерије.

Управљање капацитетима

Максимизирање капацитета батерије је вероватно једна од најважнијих карактеристика перформанси батерије коју БМС пружа.Ако се ово одржавање не изврши, батерија може на крају постати бескорисна.Корен проблема је у томе што „склад“ батеријског пакета (серијски низ ћелија) није савршено једнак и суштински има мало различите стопе цурења или самопражњења.Цурење није грешка произвођача, већ карактеристика хемије батерије, иако на то може статистички утицати ситне варијације производног процеса.У почетку батерија може имати добро усклађене ћелије, али током времена, сличност између ћелије и ћелије се додатно погоршава, не само због самопражњења, већ и под утицајем циклуса пуњења/пражњења, повишене температуре и општег календарског старења.С обзиром на то, подсетите се раније дискусије да литијум-јонске ћелије функционишу изванредно, али могу бити прилично неопростиве ако се раде изван тесне СОА.Раније смо научили о потребној електричној заштити јер се литијум-јонске ћелије не носе добро са прекомерним пуњењем.Једном када се потпуно напуне, не могу више да прихвате струју, а свака додатна енергија која се гурне у њега бива трансмутирана у топлоти, при чему напон потенцијално брзо расте, вероватно до опасних нивоа.То није здрава ситуација за ћелију и може проузроковати трајно оштећење и несигурне услове рада ако се настави.

Низ ћелија серије батерија је оно што одређује укупан напон пакета, а неусклађеност између суседних ћелија ствара дилему када покушавате да напуните било који сноп.Слика 3 показује зашто је то тако.Ако неко има савршено избалансиран скуп ћелија, све је у реду јер ће се свака напунити на једнак начин, а струја пуњења може се прекинути када се достигне горњи праг од 4,0 напона.Међутим, у неуравнотеженом сценарију, горња ћелија ће рано достићи своју границу пуњења, а струја пуњења треба да се прекине за ногу пре него што се друге основне ћелије напуне до пуног капацитета.

БМС је оно што улази и штеди дан, или пак батерија у овом случају.Да бисмо показали како ово функционише, потребно је објаснити кључну дефиницију.Стање напуњености (СОЦ) ћелије или модула у датом тренутку је пропорционално доступном напуњењу у односу на укупно пуњење када је потпуно напуњено.Дакле, батерија која се налази на 50% СОЦ подразумева да је 50% напуњена, што је слично вредности мерача горива.Управљање капацитетом БМС-а се односи на балансирање варијације СОЦ-а у сваком стеку у склопу пакета.Пошто СОЦ није директно мерљива величина, може се проценити различитим техникама, а сама шема балансирања генерално спада у две главне категорије, пасивну и активну.Постоји много варијација тема, а свака врста има предности и недостатке.На БМС дизајнеру је да одлучи шта је оптимално за дати батеријски пакет и његову примену.Пасивно балансирање је најлакше за имплементацију, као и за објашњење општег концепта балансирања.Пасивна метода омогућава да свака ћелија у стеку има исти капацитет напуњености као најслабија ћелија.Користећи релативно ниску струју, он преноси малу количину енергије из ћелија са високим СОЦ током циклуса пуњења, тако да се све ћелије пуне до свог максималног СОЦ.Слика 4 илуструје како се то постиже од стране БМС-а.Он надгледа сваку ћелију и користи транзисторски прекидач и отпорник за пражњење одговарајуће величине паралелно са сваком ћелијом.Када БМС осети да се дата ћелија приближава граници пуњења, он ће усмерити вишак струје око ње ка следећој ћелији испод на начин одозго надоле.

Крајње тачке процеса балансирања, пре и после, приказане су на слици 5. Укратко, БМС балансира сноп батерија дозвољавајући ћелији или модулу у стеку да види другачију струју пуњења од струје пакета на један од следећих начина:

• Уклањање пуњења са најнапуњенијих ћелија, што даје простор за додатну струју пуњења како би се спречило прекомерно пуњење и омогућава мање напуњеним ћелијама да приме већу струју пуњења
• Преусмеравање неке или скоро целе струје пуњења око напуњених ћелија, чиме се омогућава да мање напуњене ћелије примају струју пуњења дуже време

Врсте система за управљање батеријама

Системи управљања батеријама се крећу од једноставних до сложених и могу да обухвате широк спектар различитих технологија како би постигли своју главну директиву да се „брине о батерији“.Међутим, ови системи се могу категорисати на основу њихове топологије, која се односи на начин на који су инсталирани и раде на ћелијама или модулима у комплету батерија.

Централизована БМС архитектура

Има један централни БМС у склопу батерије.Сви пакети батерија су директно повезани на централни БМС.Структура централизованог БМС-а је приказана на слици 6. Централизовани БМС има неке предности.Компактнији је и тежи да буде најекономичнији јер постоји само један БМС.Међутим, постоје недостаци централизованог БМС-а.Пошто су све батерије директно повезане на БМС, БМС-у је потребно много портова за повезивање са свим пакетима батерија.То значи много жица, каблова, конектора итд. у великим батеријама, што компликује и решавање проблема и одржавање.

Модуларна БМС топологија

Слично централизованој имплементацији, БМС је подељен на неколико дуплираних модула, од којих сваки има наменски сноп жица и конекције за суседни додељени део батерије.Погледајте слику 7. У неким случајевима, ови БМС подмодули могу бити под надзором примарног БМС модула чија је функција надгледање статуса подмодула и комуникација са периферном опремом.Захваљујући дуплираној модуларности, решавање проблема и одржавање је лакше, а проширење на веће батерије је једноставно.Недостатак је што су укупни трошкови нешто већи и може постојати дуплирана неискоришћена функционалност у зависности од апликације.

Примарни/Подређени БМС

Концептуално слично модуларној топологији, међутим, у овом случају, славе су више ограничене на само преношење мерних информација, а мастер је посвећен рачунању и контроли, као и спољној комуникацији.Дакле, иако као и код модуларних типова, трошкови могу бити нижи јер је функционалност подређених уређаја једноставнија, са вероватно мањим трошковима и мање неискоришћених функција.

Дистрибуирана БМС архитектура

Значајно се разликује од осталих топологија, где су електронски хардвер и софтвер инкапсулирани у модуле који се повезују са ћелијама преко снопова прикључених ожичења.Дистрибуирани БМС укључује сав електронски хардвер на контролној плочи постављеној директно на ћелију или модул који се надгледа.Ово ублажава већи део каблова до неколико сензорских жица и комуникационих жица између суседних БМС модула.Сходно томе, сваки БМС је више самосталан и управља прорачунима и комуникацијама по потреби.Међутим, упркос овој очигледној једноставности, ова интегрисана форма заиста чини решавање проблема и одржавање потенцијално проблематичним, јер се налази дубоко унутар склопа модула штита.Трошкови такође имају тенденцију да буду већи јер постоји више БМС-ова у укупној структури батеријског пакета.

Важност система за управљање батеријама

Функционална безбедност је од највеће важности у БМС-у.Критично је током рада пуњења и пражњења да се спречи да напон, струја и температура било које ћелије или модула под надзорном контролом премаше дефинисана СОА ограничења.Ако се ограничења прекораче на дуже време, не само да је угрожена потенцијално скупа батерија, већ могу да настану и опасни термички услови.Штавише, ниже граничне вредности напона се такође ригорозно прате ради заштите литијум-јонских ћелија и функционалне безбедности.Ако литијум-јонска батерија остане у овом нисконапонском стању, бакарни дендрити би на крају могли да порасту на аноди, што може довести до повишених стопа самопражњења и изазвати могуће забринутости за безбедност.Висока густина енергије литијум-јонских система долази по цени која оставља мало простора за грешке у управљању батеријама.Захваљујући БМС-у и литијум-јонским побољшањима, ово је једна од најуспешнијих и најбезбеднијих хемијских батерија доступних данас.

Перформансе батерије су следећа најважнија карактеристика БМС-а, а то укључује електрично и термално управљање.Да би се електрички оптимизовао укупни капацитет батерије, све ћелије у пакету морају бити избалансиране, што имплицира да су СОЦ суседних ћелија у целом склопу приближно једнаке.Ово је изузетно важно јер не само да се може остварити оптимални капацитет батерије, већ помаже у спречавању опште деградације и смањује потенцијалне жаришне тачке од прекомерног пуњења слабих ћелија.Литијум-јонске батерије треба да избегавају пражњење испод граница ниског напона, јер то може довести до ефеката меморије и значајног губитка капацитета.Електрохемијски процеси су веома осетљиви на температуру, а батерије нису изузетак.Када температура околине падне, капацитет и расположива енергија батерије значајно опадају.Сходно томе, БМС може да ангажује спољни линијски грејач који се налази на, рецимо, систему за течно хлађење батерије електричног возила, или на укљученим плочама резидентног грејача које су инсталиране испод модула пакета уграђеног у хеликоптер или други авиона.Поред тога, пошто је пуњење хладних литијум-јонских ћелија штетно за радни век батерије, важно је прво довољно подићи температуру батерије.Већина литијум-јонских ћелија не може се брзо пунити када је температура мања од 5°Ц и уопште не треба да се пуни када је испод 0°Ц.За оптималне перформансе током типичне оперативне употребе, БМС термално управљање често обезбеђује да батерија ради у уском подручју рада Златокоса (нпр. 30 – 35°Ц).Ово чува перформансе, промовише дужи животни век и подстиче здрав, поуздан пакет батерија.

Предности система за управљање батеријама

Читав систем за складиштење енергије батерије, који се често назива БЕСС, могао би да се састоји од десетина, стотина или чак хиљада литијум-јонских ћелија стратешки упакованих заједно, у зависности од примене.Ови системи могу имати напон мањи од 100В, али могу бити и до 800В, са струјама напајања пакета у распону од 300А или више.Свако лоше управљање високонапонским пакетом може изазвати катастрофалну катастрофу опасну по живот.Сходно томе, БМС-ови су апсолутно критични за обезбеђивање безбедног рада.Предности БМС-а се могу сажети на следећи начин.

• Функционална безбедност.Наравно, за литијум-јонске батерије великог формата, ово је посебно опрезно и неопходно.Али чак и мањи формати који се користе у, рецимо, лаптоп рачунарима, познато је да се запале и узрокују огромну штету.Лична безбедност корисника производа који укључују системе са литијум-јонским напајањем оставља мало простора за грешке у управљању батеријама.
• Животни век и поузданост.Управљање заштитом батерије, електричном и термичком, осигурава да се све ћелије користе у складу са декларисаним СОА захтевима.Овај деликатан надзор обезбеђује да ћелије буду заштићене од агресивног коришћења и брзог циклуса пуњења и пражњења, и неизбежно резултира стабилним системом који ће потенцијално пружити много година поуздане услуге.
• Перформансе и домет.БМС управљање капацитетом батеријског пакета, где се балансирање ћелија-ћелија користи за изједначавање СОЦ-а суседних ћелија широм склопа пакета, омогућава постизање оптималног капацитета батерије.Без ове БМС функције која би узела у обзир варијације у самопражњењу, циклусима пуњења/пражњења, температурним ефектима и општем старењу, батерија би се на крају могла учинити бескорисном.
• Дијагностика, прикупљање података и екстерна комуникација.Задаци надзора укључују континуирано праћење свих ћелија батерије, где се евидентирање података може користити само за дијагностику, али је често намењено задатку за израчунавање да се процени СОЦ свих ћелија у склопу.Ове информације се користе за алгоритме за балансирање, али се заједно могу пренети на спољне уређаје и дисплеје како би се указало на расположиву резидентну енергију, проценио очекивани домет или домет/животни век на основу тренутне употребе и обезбедио стање здравља батерије.
• Смањење трошкова и гаранције.Увођење БМС-а у БЕСС повећава трошкове, а батерије су скупе и потенцијално опасне.Што је систем компликованији, то су већи безбедносни захтеви, што резултира потребом за већим присуством надзора БМС-а.Али заштита и превентивно одржавање БМС-а у погледу функционалне безбедности, животног века и поузданости, перформанси и домета, дијагностике, итд. гарантује да ће смањити укупне трошкове, укључујући и оне који се односе на гаранцију.

Системи за управљање батеријама и Синопсис

Симулација је вредан савезник за БМС дизајн, посебно када се примењује на истраживање и решавање изазова дизајна у оквиру развоја хардвера, израде прототипа и тестирања.Са прецизним моделом литијум-јонске ћелије у игри, симулациони модел БМС архитектуре је извршна спецификација препозната као виртуелни прототип.Поред тога, симулација омогућава безболно испитивање варијанти функција надзора БМС-а у односу на различите сценарије рада батерије и животне средине.Проблеми са имплементацијом могу се открити и истражити веома рано, што омогућава да се верификују побољшања перформанси и функционалне безбедности пре имплементације на прави хардверски прототип.Ово смањује време развоја и помаже да се обезбеди да ће први хардверски прототип бити робустан.Поред тога, многи тестови аутентификације, укључујући и најгоре сценарије, могу се спровести за БМС и батерију када се изводе у физички реалистичним апликацијама уграђеног система.

Синопсис СаберРДнуди опсежне библиотеке електричних, дигиталних, контролних и термалних хидрауличних модела како би се оснажили инжењери заинтересовани за дизајн и развој БМС-а и батеријских пакета.Доступни су алати за брзо генерисање модела из основних спецификација листа података и мерних кривуља за многе електронске уређаје и различите типове хемије батерија.Статистичке анализе, анализе напрезања и кварова дозвољавају верификацију у свим спектрима оперативног региона, укључујући граничне области, како би се осигурала укупна поузданост БМС-а.Штавише, нуди се много примера дизајна како би се омогућило корисницима да покрену пројекат и брзо дођу до одговора потребних из симулације.