Τι είναι ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών;

Ορισμός

Το σύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS) είναι τεχνολογία αφιερωμένη στην επίβλεψη ενός πακέτου μπαταριών, το οποίο είναι ένα συγκρότημα κυψελών μπαταρίας, ηλεκτρικά οργανωμένες σε διάταξη μήτρας σε σειρά x στήλη για να επιτρέπει την παράδοση στοχευμένης περιοχής τάσης και ρεύματος για μια χρονική διάρκεια έναντι αναμενόμενα σενάρια φόρτωσης.Η επίβλεψη που παρέχει ένα BMS συνήθως περιλαμβάνει:

• Παρακολούθηση της μπαταρίας
• Παροχή προστασίας μπαταρίας
• Εκτίμηση της κατάστασης λειτουργίας της μπαταρίας
• Συνεχής βελτιστοποίηση της απόδοσης της μπαταρίας
• Αναφορά κατάστασης λειτουργίας σε εξωτερικές συσκευές

Εδώ, ο όρος «μπαταρία» υποδηλώνει ολόκληρο το πακέτο.Ωστόσο, οι λειτουργίες παρακολούθησης και ελέγχου εφαρμόζονται ειδικά σε μεμονωμένες κυψέλες ή ομάδες κυψελών που ονομάζονται μονάδες στο συνολικό συγκρότημα της μπαταρίας.Οι επαναφορτιζόμενες κυψέλες ιόντων λιθίου έχουν την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και αποτελούν την τυπική επιλογή για πακέτα μπαταριών για πολλά καταναλωτικά προϊόντα, από φορητούς υπολογιστές έως ηλεκτρικά οχήματα.Αν και αποδίδουν άριστα, μπορεί να είναι μάλλον αδυσώπητα εάν λειτουργούν έξω από μια γενικά σφιχτή ασφαλή περιοχή λειτουργίας (SOA), με αποτελέσματα που κυμαίνονται από τον κίνδυνο της απόδοσης της μπαταρίας έως τις άμεσες επικίνδυνες συνέπειες.Το BMS έχει σίγουρα μια προκλητική περιγραφή εργασίας και η συνολική πολυπλοκότητα και η εποπτεία του μπορεί να καλύπτουν πολλούς κλάδους όπως η ηλεκτρική, η ψηφιακή, ο έλεγχος, η θερμική και η υδραυλική.

Πώς λειτουργούν τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών;

Τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών δεν έχουν ένα σταθερό ή μοναδικό σύνολο κριτηρίων που πρέπει να υιοθετηθούν.Το εύρος του τεχνολογικού σχεδιασμού και τα χαρακτηριστικά που εφαρμόζονται γενικά συσχετίζονται με:

• Το κόστος, η πολυπλοκότητα και το μέγεθος της μπαταρίας
• Εφαρμογή της μπαταρίας και τυχόν ζητήματα ασφάλειας, διάρκειας ζωής και εγγύησης
• Απαιτήσεις πιστοποίησης από διάφορους κυβερνητικούς κανονισμούς όπου το κόστος και οι κυρώσεις είναι πρωταρχικής σημασίας εάν υπάρχουν ανεπαρκή μέτρα λειτουργικής ασφάλειας

Υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά σχεδιασμού BMS, με δύο βασικά χαρακτηριστικά να είναι η διαχείριση προστασίας πακέτων μπαταριών και η διαχείριση χωρητικότητας.Θα συζητήσουμε πώς λειτουργούν αυτά τα δύο χαρακτηριστικά εδώ.Η διαχείριση προστασίας πακέτων μπαταριών έχει δύο βασικούς τομείς: την ηλεκτρική προστασία, που σημαίνει ότι δεν επιτρέπεται να καταστραφεί η μπαταρία μέσω χρήσης εκτός του SOA της και η θερμική προστασία, η οποία περιλαμβάνει παθητικό ή/και ενεργό έλεγχο θερμοκρασίας για τη διατήρηση ή τη μεταφορά του πακέτου στο SOA του.

Προστασία Ηλεκτρικής Διαχείρισης: Τρέχον

Η παρακολούθηση του ρεύματος της μπαταρίας και των τάσεων της κυψέλης ή της μονάδας είναι ο δρόμος για την ηλεκτρική προστασία.Το ηλεκτρικό SOA οποιουδήποτε στοιχείου μπαταρίας δεσμεύεται από ρεύμα και τάση.Το σχήμα 1 απεικονίζει ένα τυπικό SOA κυψελών ιόντων λιθίου και ένα καλά σχεδιασμένο BMS θα προστατεύει το πακέτο αποτρέποντας τη λειτουργία εκτός των χαρακτηρισμών κυψελών του κατασκευαστή.Σε πολλές περιπτώσεις, μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω μείωση για διαμονή εντός της ασφαλούς ζώνης SOA προς όφελος της προώθησης περαιτέρω διάρκειας ζωής της μπαταρίας.

Οι κυψέλες ιόντων λιθίου έχουν διαφορετικά όρια ρεύματος για φόρτιση από ό,τι για εκφόρτιση, και και οι δύο λειτουργίες μπορούν να χειριστούν υψηλότερα ρεύματα αιχμής, αν και για μικρές χρονικές περιόδους.Οι κατασκευαστές στοιχείων μπαταρίας καθορίζουν συνήθως μέγιστα όρια συνεχούς ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης, μαζί με τα όρια ρεύματος αιχμής φόρτισης και εκφόρτισης.Ένα BMS που παρέχει προστασία ρεύματος θα εφαρμόσει σίγουρα ένα μέγιστο συνεχές ρεύμα.Ωστόσο, αυτό μπορεί να προηγηθεί για να εξηγηθεί μια ξαφνική αλλαγή των συνθηκών φορτίου.για παράδειγμα, η απότομη επιτάχυνση ενός ηλεκτρικού οχήματος.Ένα BMS μπορεί να ενσωματώνει παρακολούθηση ρεύματος αιχμής ενσωματώνοντας το ρεύμα και μετά το χρόνο δέλτα, αποφασίζοντας είτε να μειώσει το διαθέσιμο ρεύμα είτε να διακόψει εντελώς το ρεύμα του πακέτου.Αυτό επιτρέπει στο BMS να έχει σχεδόν στιγμιαία ευαισθησία σε ακραίες κορυφές ρεύματος, όπως μια κατάσταση βραχυκυκλώματος που δεν έχει τραβήξει την προσοχή οποιασδήποτε μόνιμης ασφάλειας, αλλά και να είναι επιεικής στις υψηλές απαιτήσεις αιχμής, αρκεί να μην είναι υπερβολικές. μακρύς.

Προστασία Ηλεκτρικής Διαχείρισης: Τάση

Το Σχήμα 2 δείχνει ότι ένα στοιχείο ιόντων λιθίου πρέπει να λειτουργεί μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος τάσης.Αυτά τα όρια SOA θα καθοριστούν τελικά από την εγγενή χημεία του επιλεγμένου κυττάρου ιόντων λιθίου και τη θερμοκρασία των κυττάρων σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή.Επιπλέον, δεδομένου ότι οποιοδήποτε πακέτο μπαταριών αντιμετωπίζει σημαντικό κύκλωμα ρεύματος, εκφόρτιση λόγω απαιτήσεων φορτίου και φόρτισης από διάφορες πηγές ενέργειας, αυτά τα όρια τάσης SOA συνήθως περιορίζονται περαιτέρω για τη βελτιστοποίηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας.Το BMS πρέπει να γνωρίζει ποια είναι αυτά τα όρια και θα λαμβάνει αποφάσεις με βάση την εγγύτητα σε αυτά τα όρια.Για παράδειγμα, όταν πλησιάζει το όριο υψηλής τάσης, ένα BMS μπορεί να ζητήσει μια σταδιακή μείωση του ρεύματος φόρτισης ή μπορεί να ζητήσει να τερματιστεί εντελώς το ρεύμα φόρτισης εάν επιτευχθεί το όριο.Ωστόσο, αυτό το όριο συνήθως συνοδεύεται από πρόσθετες εγγενείς εκτιμήσεις υστέρησης τάσης για να αποτραπεί η φλυαρία ελέγχου σχετικά με το όριο διακοπής λειτουργίας.Από την άλλη πλευρά, όταν πλησιάζει το όριο χαμηλής τάσης, ένα BMS θα ζητήσει από τα βασικά ενεργά φορτία να μειώσουν τις τρέχουσες απαιτήσεις τους.Στην περίπτωση ηλεκτρικού οχήματος, αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με μείωση της επιτρεπόμενης ροπής που είναι διαθέσιμη στον κινητήρα έλξης.Φυσικά, το BMS πρέπει να θέτει τα ζητήματα ασφάλειας για τον οδηγό ύψιστη προτεραιότητα, προστατεύοντας παράλληλα τη μπαταρία για την αποφυγή μόνιμων ζημιών.

Προστασία Θερμικής Διαχείρισης: Θερμοκρασία

Στην ονομαστική αξία, μπορεί να φαίνεται ότι οι κυψέλες ιόντων λιθίου έχουν μεγάλο εύρος λειτουργίας θερμοκρασίας, αλλά η συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται σε χαμηλές θερμοκρασίες επειδή οι ρυθμοί χημικής αντίδρασης επιβραδύνονται σημαντικά.Όσον αφορά την ικανότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες, αποδίδουν πολύ καλύτερα από τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος ή NiMh.Ωστόσο, η διαχείριση της θερμοκρασίας είναι συνετή απαραίτητη, καθώς η φόρτιση κάτω από τους 0 °C (32 °F) είναι φυσικά προβληματική.Το φαινόμενο της επιμετάλλωσης μεταλλικού λιθίου μπορεί να συμβεί στην άνοδο κατά τη φόρτιση υπό κατάψυξη.Αυτό είναι μόνιμη βλάβη και όχι μόνο οδηγεί σε μειωμένη χωρητικότητα, αλλά τα κύτταρα είναι πιο ευάλωτα σε αστοχία εάν υποβληθούν σε δονήσεις ή άλλες στρεσογόνες συνθήκες.Ένα BMS μπορεί να ελέγξει τη θερμοκρασία της μπαταρίας μέσω θέρμανσης και ψύξης.

Η υλοποίηση της θερμικής διαχείρισης εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το μέγεθος και το κόστος του πακέτου μπαταριών και τους στόχους απόδοσης, τα κριτήρια σχεδιασμού του BMS και τη μονάδα προϊόντος, που μπορεί να περιλαμβάνουν τη στοχευμένη γεωγραφική περιοχή (π.χ. Αλάσκα έναντι Χαβάης).Ανεξάρτητα από τον τύπο του θερμαντήρα, είναι γενικά πιο αποτελεσματικό να αντλείτε ενέργεια από μια εξωτερική πηγή τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος ή από μια εναλλακτική μπαταρία μόνιμης εγκατάστασης που προορίζεται 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 εφαρμόζεται ένα θερμικό υδραυλικό σύστημα, τότε χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρικός θερμαντήρας για τη θέρμανση του ψυκτικού υγρού το οποίο αντλείται και διανέμεται σε όλο το συγκρότημα της συσκευασίας.

Οι μηχανικοί σχεδιασμού BMS έχουν αναμφισβήτητα κόλπα του σχεδιασμού τους για να διοχετεύουν θερμική ενέργεια στο πακέτο.Για παράδειγμα, διάφορα ηλεκτρονικά ισχύος μέσα στο BMS που είναι αφιερωμένα στη διαχείριση χωρητικότητας μπορούν να ενεργοποιηθούν.Αν και δεν είναι τόσο αποτελεσματική όσο η άμεση θέρμανση, μπορεί να αξιοποιηθεί ανεξάρτητα.Η ψύξη είναι ιδιαίτερα ζωτικής σημασίας για την ελαχιστοποίηση της απώλειας απόδοσης μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου.Για παράδειγμα, ίσως μια δεδομένη μπαταρία να λειτουργεί βέλτιστα στους 20°C.Εάν η θερμοκρασία της συσκευασίας αυξηθεί στους 30°C, η απόδοση της απόδοσής της θα μπορούσε να μειωθεί έως και 20%.Εάν η συσκευασία φορτίζεται συνεχώς και επαναφορτίζεται στους 45°C (113°F), η απώλεια απόδοσης μπορεί να ανέλθει σε ένα τεράστιο 50%.Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί επίσης να υποφέρει από πρόωρη γήρανση και υποβάθμιση εάν εκτίθεται συνεχώς σε υπερβολική παραγωγή θερμότητας, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των κύκλων γρήγορης φόρτισης και εκφόρτισης.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.Στην περίπτωση ενός ηλεκτρικού οχήματος, αυτό σημαίνει ότι απλώς κινείται στο δρόμο.Ωστόσο, μπορεί να είναι πιο περίπλοκο από ό,τι φαίνεται, καθώς οι αισθητήρες ταχύτητας αέρα θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε στρατηγικά αυτόματη ρύθμιση εκτροπών αέρα για μεγιστοποίηση της ροής αέρα.Η εφαρμογή ενός ενεργού ανεμιστήρα ελεγχόμενης θερμοκρασίας μπορεί να βοηθήσει σε χαμηλές ταχύτητες ή όταν το όχημα έχει σταματήσει, αλλά το μόνο που μπορεί να κάνει είναι απλώς να εξισώσει το πακέτο με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος περιβάλλοντος.Σε περίπτωση καυτής ημέρας, αυτό θα μπορούσε να αυξήσει την αρχική θερμοκρασία της συσκευασίας.Η θερμική υδραυλική ενεργή ψύξη μπορεί να σχεδιαστεί ως συμπληρωματικό σύστημα και τυπικά χρησιμοποιεί ψυκτικό αιθυλενογλυκόλης με καθορισμένη αναλογία μείγματος, που κυκλοφορεί μέσω ηλεκτρικής αντλίας μέσω σωλήνων/σωλήνων, πολλαπλών διανομής, εναλλάκτη θερμότητας εγκάρσιας ροής (καλοριφέρ) , και η πλάκα ψύξης βρίσκεται στο συγκρότημα της μπαταρίας.Ένα BMS παρακολουθεί τις θερμοκρασίες σε όλο το πακέτο και ανοίγει και κλείνει διάφορες βαλβίδες για να διατηρεί τη θερμοκρασία της συνολικής μπαταρίας σε ένα στενό εύρος θερμοκρασίας για να διασφαλίσει τη βέλτιστη απόδοση της μπαταρίας.

Διαχείριση χωρητικότητας

Η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας μιας μπαταρίας είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πιο ζωτικά χαρακτηριστικά απόδοσης μπαταρίας που παρέχει ένα BMS.Εάν δεν πραγματοποιηθεί αυτή η συντήρηση, μια μπαταρία μπορεί τελικά να αχρηστευτεί.Η ρίζα του προβλήματος είναι ότι μια «στοίβα» πακέτου μπαταριών (σειρά κυψελών) δεν είναι απολύτως ίση και εγγενώς έχει ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς διαρροής ή αυτοεκφόρτισης.Η διαρροή δεν είναι ελάττωμα κατασκευαστή, αλλά χαρακτηριστικό χημείας της μπαταρίας, αν και μπορεί να επηρεαστεί στατιστικά από μικρές παραλλαγές της διαδικασίας κατασκευής.Αρχικά, μια μπαταρία μπορεί να έχει ταιριαστά κελιά, αλλά με την πάροδο του χρόνου, η ομοιότητα κυψέλης με κυψέλη υποβαθμίζεται περαιτέρω, όχι μόνο λόγω της αυτοεκφόρτισης, αλλά επηρεάζεται επίσης από τον κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης, την αυξημένη θερμοκρασία και τη γενική γήρανση του ημερολογίου.Με αυτό το κατανοητό, θυμηθείτε προηγουμένως τη συζήτηση ότι τα κύτταρα ιόντων λιθίου έχουν εξαιρετική απόδοση, αλλά μπορεί να είναι μάλλον αδυσώπητη εάν λειτουργούν εκτός ενός σφιχτού SOA.Μάθαμε προηγουμένως για την απαιτούμενη ηλεκτρική προστασία επειδή οι κυψέλες ιόντων λιθίου δεν αντιμετωπίζουν καλά την υπερφόρτιση.Μόλις φορτιστούν πλήρως, δεν μπορούν να δεχτούν άλλο ρεύμα και οποιαδήποτε πρόσθετη ενέργεια ωθείται σε αυτό μετατρέπεται σε θερμότητα, με την τάση να αυξάνεται δυνητικά γρήγορα, πιθανώς σε επικίνδυνα επίπεδα.Δεν είναι μια υγιής κατάσταση για το κύτταρο και μπορεί να προκαλέσει μόνιμη βλάβη και μη ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας εάν συνεχιστεί.

Η συστοιχία κυψελών της σειράς μπαταρίας είναι αυτή που καθορίζει τη συνολική τάση του πακέτου και η αναντιστοιχία μεταξύ γειτονικών κυψελών δημιουργεί ένα δίλημμα όταν προσπαθείτε να φορτίσετε οποιαδήποτε στοίβα.Το σχήμα 3 δείχνει γιατί συμβαίνει αυτό.Εάν κάποιος έχει ένα απόλυτα ισορροπημένο σύνολο κυψελών, όλα είναι εντάξει καθώς το καθένα θα φορτίζεται με τον ίδιο τρόπο και το ρεύμα φόρτισης μπορεί να διακοπεί όταν επιτευχθεί το ανώτερο όριο διακοπής τάσης 4,0.Ωστόσο, στο μη ισορροπημένο σενάριο, το επάνω κελί θα φτάσει το όριο φόρτισής του νωρίς και το ρεύμα φόρτισης πρέπει να τερματιστεί για το σκέλος προτού φορτιστούν σε πλήρη χωρητικότητα άλλα υποκείμενα κελιά.

Το BMS είναι αυτό που μπαίνει και σώζει την ημέρα, ή το πακέτο μπαταριών σε αυτήν την περίπτωση.Για να δείξουμε πώς λειτουργεί αυτό, πρέπει να εξηγηθεί ένας βασικός ορισμός.Η κατάσταση φόρτισης (SOC) μιας κυψέλης ή μιας μονάδας σε μια δεδομένη στιγμή είναι ανάλογη με τη διαθέσιμη φόρτιση σε σχέση με τη συνολική φόρτιση όταν είναι πλήρως φορτισμένη.Έτσι, μια μπαταρία που βρίσκεται στο 50% SOC σημαίνει ότι είναι φορτισμένη κατά 50%, κάτι που μοιάζει με μια αξιοσημείωτη τιμή μετρητή καυσίμου.Η διαχείριση χωρητικότητας BMS έχει να κάνει με την εξισορρόπηση της διακύμανσης του SOC σε κάθε στοίβα στη διάταξη του πακέτου.Δεδομένου ότι το SOC δεν είναι μια άμεσα μετρήσιμη ποσότητα, μπορεί να εκτιμηθεί με διάφορες τεχνικές και το ίδιο το σχήμα εξισορρόπησης εμπίπτει γενικά σε δύο κύριες κατηγορίες, την παθητική και την ενεργητική.Υπάρχουν πολλές παραλλαγές θεμάτων και κάθε είδος έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.Εναπόκειται στον μηχανικό σχεδιασμού BMS να αποφασίσει ποια είναι η βέλτιστη για τη δεδομένη μπαταρία και την εφαρμογή της.Η παθητική εξισορρόπηση είναι η πιο εύκολη εφαρμογή, καθώς και η εξήγηση της γενικής ιδέας εξισορρόπησης.Η παθητική μέθοδος επιτρέπει σε κάθε κελί της στοίβας να έχει την ίδια φορτισμένη χωρητικότητα με το πιο αδύναμο στοιχείο.Χρησιμοποιώντας ένα σχετικά χαμηλό ρεύμα, μεταφέρει μια μικρή ποσότητα ενέργειας από κελιά υψηλής SOC κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης, έτσι ώστε όλα τα στοιχεία να φορτίζονται στο μέγιστο SOC τους.Το Σχήμα 4 δείχνει πώς αυτό επιτυγχάνεται από το BMS.Παρακολουθεί κάθε στοιχείο και αξιοποιεί έναν διακόπτη τρανζίστορ και μια αντίσταση εκφόρτισης κατάλληλου μεγέθους παράλληλα με κάθε στοιχείο.Όταν το BMS αντιληφθεί ότι ένα δεδομένο στοιχείο πλησιάζει το όριο φόρτισής του, θα κατευθύνει το πλεονάζον ρεύμα γύρω του στο επόμενο κελί από κάτω με τρόπο από πάνω προς τα κάτω.

Τα τελικά σημεία της διαδικασίας εξισορρόπησης, πριν και μετά, φαίνονται στο Σχήμα 5. Συνοπτικά, ένα BMS εξισορροπεί μια στοίβα μπαταρίας επιτρέποντας σε ένα στοιχείο ή μονάδα σε μια στοίβα να δει διαφορετικό ρεύμα φόρτισης από το ρεύμα πακέτου με έναν από τους ακόλουθους τρόπους:

• Αφαίρεση φόρτισης από τα πιο φορτισμένα κελιά, η οποία δίνει περιθώριο για πρόσθετο ρεύμα φόρτισης για την αποφυγή υπερφόρτισης και επιτρέπει στα λιγότερο φορτισμένα κελιά να λαμβάνουν περισσότερο ρεύμα φόρτισης
• Ανακατεύθυνση μέρους ή σχεδόν του συνόλου του ρεύματος φόρτισης γύρω από τα πιο φορτισμένα κελιά, επιτρέποντας έτσι στα λιγότερο φορτισμένα κελιά να λαμβάνουν ρεύμα φόρτισης για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα

Τύποι Συστημάτων Διαχείρισης Μπαταριών

Τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών κυμαίνονται από απλά έως πολύπλοκα και μπορούν να συμπεριλάβουν ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών τεχνολογιών για να επιτύχουν την πρωταρχική τους οδηγία για τη «φροντίδα της μπαταρίας».Ωστόσο, αυτά τα συστήματα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση την τοπολογία τους, η οποία σχετίζεται με τον τρόπο με τον οποίο εγκαθίστανται και λειτουργούν στις κυψέλες ή τις μονάδες σε όλο το πακέτο μπαταριών.

Κεντρική Αρχιτεκτονική BMS

Διαθέτει ένα κεντρικό BMS στη διάταξη της μπαταρίας.Όλα τα πακέτα μπαταριών συνδέονται απευθείας στο κεντρικό BMS.Η δομή ενός κεντρικού BMS φαίνεται στο Σχήμα 6. Το κεντρικό BMS έχει ορισμένα πλεονεκτήματα.Είναι πιο συμπαγές και τείνει να είναι το πιο οικονομικό αφού υπάρχει μόνο ένα BMS.Ωστόσο, υπάρχουν μειονεκτήματα ενός κεντρικού BMS.Δεδομένου ότι όλες οι μπαταρίες συνδέονται απευθείας στο BMS, το BMS χρειάζεται πολλές θύρες για να συνδεθεί με όλα τα πακέτα μπαταριών.Αυτό μεταφράζεται σε πολλά καλώδια, καλώδια, υποδοχές κ.λπ. σε μεγάλα πακέτα μπαταριών, γεγονός που περιπλέκει τόσο την αντιμετώπιση προβλημάτων όσο και τη συντήρηση.

Αρθρωτή Τοπολογία BMS

Παρόμοια με μια κεντρική υλοποίηση, το BMS χωρίζεται σε πολλές διπλές μονάδες, καθεμία με μια ειδική δέσμη καλωδίων και συνδέσεις σε ένα παρακείμενο εκχωρημένο τμήμα μιας στοίβας μπαταριών.Δείτε Εικόνα 7. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτές οι υπομονάδες BMS ενδέχεται να βρίσκονται υπό την επίβλεψη μιας κύριας μονάδας BMS, η λειτουργία της οποίας είναι να παρακολουθεί την κατάσταση των υπομονάδων και να επικοινωνεί με περιφερειακό εξοπλισμό.Χάρη στην διπλή αρθρωτή λειτουργία, η αντιμετώπιση προβλημάτων και η συντήρηση είναι ευκολότερη και η επέκταση σε μεγαλύτερα πακέτα μπαταριών είναι απλή.Το μειονέκτημα είναι ότι το συνολικό κόστος είναι ελαφρώς υψηλότερο και ενδέχεται να υπάρχουν διπλότυπες αχρησιμοποίητες λειτουργίες ανάλογα με την εφαρμογή.

Πρωτογενές/Υποδεέστερο BMS

Εννοιολογικά παρόμοια με τη σπονδυλωτή τοπολογία, ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση, οι slaves περιορίζονται περισσότερο στην απλή αναμετάδοση πληροφοριών μέτρησης και ο κύριος είναι αφιερωμένος στον υπολογισμό και τον έλεγχο, καθώς και στην εξωτερική επικοινωνία.Έτσι, ενώ όπως και οι αρθρωτοί τύποι, το κόστος μπορεί να είναι χαμηλότερο, καθώς η λειτουργικότητα των slaves τείνει να είναι απλούστερη, με πιθανώς λιγότερα γενικά έξοδα και λιγότερα αχρησιμοποίητα χαρακτηριστικά.

Κατανεμημένη Αρχιτεκτονική BMS

Σημαντικά διαφορετική από τις άλλες τοπολογίες, όπου το ηλεκτρονικό υλικό και το λογισμικό ενσωματώνονται σε μονάδες που διασυνδέονται με τις κυψέλες μέσω δεσμίδων συνδεδεμένων καλωδίων.Ένα κατανεμημένο BMS ενσωματώνει όλο το ηλεκτρονικό υλικό σε μια πλακέτα ελέγχου τοποθετημένη απευθείας στην κυψέλη ή τη μονάδα που παρακολουθείται.Αυτό ανακουφίζει το μεγαλύτερο μέρος της καλωδίωσης σε μερικά καλώδια αισθητήρων και καλώδια επικοινωνίας μεταξύ γειτονικών μονάδων BMS.Κατά συνέπεια, κάθε BMS είναι πιο αυτοτελές και χειρίζεται υπολογισμούς και επικοινωνίες όπως απαιτείται.Ωστόσο, παρά τη φαινομενική αυτή απλότητα, αυτή η ενσωματωμένη μορφή κάνει την αντιμετώπιση προβλημάτων και τη συντήρηση δυνητικά προβληματική, καθώς βρίσκεται βαθιά μέσα σε ένα συγκρότημα μονάδας θωράκισης.Το κόστος τείνει επίσης να είναι υψηλότερο καθώς υπάρχουν περισσότερα BMS στη συνολική δομή του πακέτου μπαταριών.

Η σημασία των συστημάτων διαχείρισης μπαταριών

Η λειτουργική ασφάλεια είναι υψίστης σημασίας σε ένα BMS.Είναι κρίσιμο κατά τη λειτουργία φόρτισης και εκφόρτισης, να αποτρέπεται η υπέρβαση των καθορισμένων ορίων SOA από την τάση, το ρεύμα και τη θερμοκρασία οποιασδήποτε κυψέλης ή μονάδας υπό εποπτικό έλεγχο.Εάν τα όρια ξεπεραστούν για μεγάλο χρονικό διάστημα, όχι μόνο τίθεται σε κίνδυνο ένα δυνητικά ακριβό πακέτο μπαταρίας, αλλά θα μπορούσαν να προκύψουν επικίνδυνες θερμικές συνθήκες.Επιπλέον, τα κατώτερα όρια τάσης παρακολουθούνται επίσης αυστηρά για την προστασία των κυττάρων ιόντων λιθίου και τη λειτουργική ασφάλεια.Εάν η μπαταρία ιόντων λιθίου παραμείνει σε αυτήν την κατάσταση χαμηλής τάσης, οι δενδρίτες χαλκού θα μπορούσαν τελικά να αναπτυχθούν στην άνοδο, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένους ρυθμούς αυτοεκφόρτισης και να δημιουργήσει πιθανές ανησυχίες για την ασφάλεια.Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των συστημάτων που τροφοδοτούνται με ιόντα λιθίου έχει μια τιμή που αφήνει λίγα περιθώρια για σφάλματα διαχείρισης της μπαταρίας.Χάρη στα BMS και τις βελτιώσεις ιόντων λιθίου, αυτή είναι μια από τις πιο επιτυχημένες και ασφαλείς χημικές μπαταρίες που διατίθενται σήμερα.

Η απόδοση του πακέτου μπαταριών είναι το επόμενο σημαντικότερο χαρακτηριστικό ενός BMS, και αυτό περιλαμβάνει ηλεκτρική και θερμική διαχείριση.Για να βελτιστοποιηθεί ηλεκτρικά η συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας, απαιτείται ισορροπία όλων των κυψελών της συσκευασίας, πράγμα που σημαίνει ότι το SOC των γειτονικών κυψελών σε όλο το συγκρότημα είναι περίπου ισοδύναμα.Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό επειδή όχι μόνο μπορεί να επιτευχθεί η βέλτιστη χωρητικότητα της μπαταρίας, αλλά βοηθά στην πρόληψη της γενικής υποβάθμισης και μειώνει τα πιθανά hotspot από την υπερφόρτιση των αδύναμων κυψελών.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα πρέπει να αποφεύγουν την εκφόρτιση κάτω από τα όρια 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 η θερμοκρασία περιβάλλοντος πέσει, η χωρητικότητα και η διαθέσιμη ενέργεια της μπαταρίας μειώνονται σημαντικά.Κατά συνέπεια, ένα BMS μπορεί να εμπλέξει έναν εξωτερικό θερμαντήρα εν σειρά που βρίσκεται, για παράδειγμα, στο σύστημα ψύξης υγρού ενός πακέτου μπαταριών ηλεκτρικού οχήματος ή σε ενεργοποιημένες πλάκες μόνιμης θέρμανσης που είναι εγκατεστημένες κάτω από μονάδες ενός πακέτου που είναι ενσωματωμένο σε ένα ελικόπτερο ή άλλο αεροσκάφος.Επιπλέον, δεδομένου ότι η φόρτιση των κυψελών ιόντων λιθίου είναι επιζήμια για την απόδοση της μπαταρίας, είναι σημαντικό πρώτα να ανεβάσετε επαρκώς τη θερμοκρασία της μπαταρίας.Τα περισσότερα στοιχεία ιόντων λιθίου δεν μπορούν να φορτιστούν γρήγορα όταν είναι κάτω από 5°C και δεν θα πρέπει να φορτίζονται καθόλου όταν είναι κάτω από 0°C.Για βέλτιστη απόδοση κατά την τυπική λειτουργική χρήση, η θερμική διαχείριση BMS συχνά διασφαλίζει ότι μια μπαταρία λειτουργεί σε μια στενή περιοχή λειτουργίας Goldilocks (π.χ. 30 – 35°C).Αυτό διασφαλίζει την απόδοση, προάγει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και προωθεί ένα υγιές, αξιόπιστο πακέτο μπαταριών.

Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων διαχείρισης μπαταριών

Ένα ολόκληρο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας, που συχνά αναφέρεται ως BESS, θα μπορούσε να αποτελείται από δεκάδες, εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες κυψέλες ιόντων λιθίου στρατηγικά συσκευασμένες μεταξύ τους, ανάλογα με την εφαρμογή.Αυτά τα συστήματα μπορεί να έχουν ονομαστική τάση μικρότερη από 100 V, αλλά μπορεί να είναι έως και 800 V, με ρεύματα τροφοδοσίας πακέτων που κυμαίνονται έως και 300 A ή περισσότερο.Οποιαδήποτε κακή διαχείριση ενός πακέτου υψηλής τάσης θα μπορούσε να προκαλέσει μια απειλητική για τη ζωή, καταστροφική καταστροφή.Συνεπώς, τα BMS είναι απολύτως κρίσιμα για τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας.Τα οφέλη των BMS μπορούν να συνοψιστούν ως εξής.

• Λειτουργική Ασφάλεια.Κάτω τα χέρια, για πακέτα μπαταριών ιόντων λιθίου μεγάλου μεγέθους, αυτό είναι ιδιαίτερα συνετό και απαραίτητο.Αλλά ακόμη και μικρότερες μορφές που χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, σε φορητούς υπολογιστές, είναι γνωστό ότι πιάνουν φωτιά και προκαλούν τεράστιες ζημιές.Η προσωπική ασφάλεια των χρηστών προϊόντων που ενσωματώνουν συστήματα που τροφοδοτούνται με ιόντα λιθίου αφήνει λίγα περιθώρια για σφάλματα διαχείρισης της μπαταρίας.
• Διάρκεια ζωής και αξιοπιστία.Η διαχείριση προστασίας της μπαταρίας, ηλεκτρική και θερμική, διασφαλίζει ότι όλες οι κυψέλες χρησιμοποιούνται σύμφωνα με τις δηλωμένες απαιτήσεις SOA.Αυτή η λεπτή επίβλεψη διασφαλίζει ότι οι κυψέλες φροντίζονται έναντι της επιθετικής χρήσης και της γρήγορης φόρτισης και εκφόρτισης, και αναπόφευκτα οδηγεί σε ένα σταθερό σύστημα που θα παρέχει δυνητικά πολλά χρόνια αξιόπιστης εξυπηρέτησης.
• Απόδοση και Εύρος.Η διαχείριση χωρητικότητας της μπαταρίας BMS, όπου χρησιμοποιείται η εξισορρόπηση κυψέλης σε κυψέλη για την εξίσωση του SOC των γειτονικών κυψελών σε όλο το συγκρότημα της μπαταρίας, επιτρέπει την επίτευξη της βέλτιστης χωρητικότητας της μπαταρίας.Χωρίς αυτή τη δυνατότητα BMS για να ληφθούν υπόψη οι διακυμάνσεις στην αυτοεκφόρτιση, τον κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης, τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας και τη γενική γήρανση, μια μπαταρία θα μπορούσε τελικά να αχρηστευθεί.
• Διαγνωστικά, Συλλογή Δεδομένων και Εξωτερική Επικοινωνία.Οι εργασίες επίβλεψης περιλαμβάνουν τη συνεχή παρακολούθηση όλων των κυψελών της μπαταρίας, όπου η καταγραφή δεδομένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνη της για διαγνωστικά, αλλά συχνά προορίζεται για την εργασία για υπολογισμό για την εκτίμηση του SOC όλων των κυψελών στη διάταξη.Αυτές οι πληροφορίες αξιοποιούνται για αλγόριθμους εξισορρόπησης, αλλά συλλογικά μπορούν να αναμεταδοθούν σε εξωτερικές συσκευές και οθόνες για να υποδείξουν τη διαθέσιμη ενέργεια, να εκτιμήσουν την αναμενόμενη εμβέλεια ή το εύρος/διάρκεια ζωής με βάση την τρέχουσα χρήση και να παρέχουν την κατάσταση της υγείας της μπαταρίας.
• Μείωση κόστους και εγγύησης.Η εισαγωγή ενός BMS σε ένα BESS προσθέτει κόστος και τα πακέτα μπαταριών είναι ακριβά και δυνητικά επικίνδυνα.Όσο πιο περίπλοκο είναι το σύστημα, τόσο υψηλότερες είναι οι απαιτήσεις ασφάλειας, με αποτέλεσμα την ανάγκη για περισσότερη παρουσία επίβλεψης BMS.Ωστόσο, η προστασία και η προληπτική συντήρηση ενός BMS όσον αφορά τη λειτουργική ασφάλεια, τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία, την απόδοση και την εμβέλεια, τα διαγνωστικά κ.λπ. εγγυάται ότι θα μειώσει το συνολικό κόστος, συμπεριλαμβανομένων αυτών που σχετίζονται με την εγγύηση.

Συστήματα Διαχείρισης Μπαταριών και Synopsys

Η προσομοίωση είναι ένας πολύτιμος σύμμαχος για το σχεδιασμό BMS, ιδιαίτερα όταν εφαρμόζεται στην εξερεύνηση και την αντιμετώπιση προκλήσεων σχεδιασμού στο πλαίσιο της ανάπτυξης υλικού, της δημιουργίας πρωτοτύπων και των δοκιμών.Με ένα ακριβές μοντέλο κυψελών ιόντων λιθίου σε λειτουργία, το μοντέλο προσομοίωσης της αρχιτεκτονικής BMS είναι η εκτελέσιμη προδιαγραφή που αναγνωρίζεται ως το εικονικό πρωτότυπο.Επιπλέον, η προσομοίωση επιτρέπει την ανώδυνη διερεύνηση παραλλαγών λειτουργιών επιτήρησης BMS έναντι διαφορετικών σεναρίων λειτουργίας μπαταρίας και περιβάλλοντος.Τα θέματα υλοποίησης μπορούν να ανακαλυφθούν και να διερευνηθούν πολύ νωρίς, γεγονός που επιτρέπει την επαλήθευση των βελτιώσεων απόδοσης και λειτουργικής ασφάλειας πριν από την εφαρμογή στο πραγματικό πρωτότυπο υλικού.Αυτό μειώνει τον χρόνο ανάπτυξης και διασφαλίζει ότι το πρώτο πρωτότυπο υλικού θα είναι ισχυρό.Επιπλέον, πολλές δοκιμές ελέγχου ταυτότητας, συμπεριλαμβανομένων των χειρότερων σεναρίων, μπορούν να διεξαχθούν για το BMS και το πακέτο μπαταριών όταν εκτελούνται σε φυσικά ρεαλιστικές εφαρμογές ενσωματωμένων συστημάτων.

Synopsys SaberRDπροσφέρει εκτεταμένες βιβλιοθήκες ηλεκτρικών, ψηφιακών, ελέγχου και θερμικών υδραυλικών μοντέλων για να ενδυναμώσει τους μηχανικούς που ενδιαφέρονται για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη συστοιχιών BMS και μπαταριών.Υπάρχουν διαθέσιμα εργαλεία για τη γρήγορη δημιουργία μοντέλων από βασικές προδιαγραφές φύλλου δεδομένων και καμπύλες μέτρησης για πολλές ηλεκτρονικές συσκευές και διαφορετικούς τύπους χημείας μπαταριών.Οι στατιστικές αναλύσεις, οι αναλύσεις τάσεων και σφαλμάτων επιτρέπουν την επαλήθευση σε όλα τα φάσματα της περιοχής λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένων των οριακών περιοχών, για να διασφαλιστεί η συνολική αξιοπιστία του BMS.Επιπλέον, προσφέρονται πολλά παραδείγματα σχεδίασης για να επιτρέψουν στους χρήστες να ξεκινήσουν ένα έργο και να φτάσουν γρήγορα στις απαντήσεις που χρειάζονται από την προσομοίωση.