Battery management system (BMS) je technologie určená k dohledu nad bateriovou sadou, což je sestava bateriových článků, elektricky organizovaná v konfiguraci matice řádek x sloupec, aby umožnila dodání cíleného rozsahu napětí a proudu po určitou dobu proti očekávané scénáře zatížení.
Dohled, který BMS poskytuje, obvykle zahrnuje:
- Sledování baterie
- Poskytování ochrany baterie
- Odhad provozního stavu baterie
- Průběžná optimalizace výkonu baterie
- Hlášení provozního stavu na externí zařízení
Zde termín „baterie“ zahrnuje celou sadu; nicméně monitorovací a řídicí funkce jsou specificky aplikovány na jednotlivé články nebo skupiny článků nazývané moduly v celkové sestavě bateriové sady. Lithium-iontové dobíjecí články mají nejvyšší hustotu energie a jsou standardní volbou pro bateriové sady pro mnoho spotřebních produktů, od notebooků po elektrická vozidla. I když fungují skvěle, mohou být poněkud nemilosrdné, pokud jsou provozovány mimo obecně těsnou bezpečnou provozní oblast (SOA), s výsledky sahajícími od snížení výkonu baterie až po zcela nebezpečné následky. BMS má jistě náročný popis práce a jeho celková složitost a dosah dohledu může zahrnovat mnoho oborů, jako jsou elektrické, digitální, řídicí, tepelné a hydraulické.
Jak fungují systémy správy baterie?
Systémy řízení baterií nemají pevný nebo jedinečný soubor kritérií, která je třeba přijmout. Rozsah návrhu technologie a implementované funkce obecně korelují s:
- Náklady, složitost a velikost baterie
- Použití baterie a jakékoli obavy o bezpečnost, životnost a záruku
- Požadavky na certifikaci z různých vládních nařízení, kde jsou náklady a sankce prvořadé, pokud jsou zavedena neadekvátní opatření funkční bezpečnosti
Existuje mnoho konstrukčních funkcí BMS, přičemž dvěma základními funkcemi jsou správa ochrany baterie a správa kapacity. Zde probereme, jak tyto dvě funkce fungují. Správa ochrany bateriové sady má dvě klíčové oblasti: elektrickou ochranu, což znamená, že nedovolí, aby se baterie poškodila používáním mimo její SOA, a tepelnou ochranu, která zahrnuje pasivní a/nebo aktivní řízení teploty pro udržení nebo převedení baterie do SOA.
Ochrana elektrického řízení: Proud
Sledování proudu baterie a napětí článků nebo modulů je cestou k elektrické ochraně. Elektrická SOA jakéhokoli článku baterie je vázána proudem a napětím. Obrázek 1 ilustruje typickou SOA lithium-iontových článků a dobře navržený BMS bude blok chránit tím, že zabrání provozu mimo hodnoty článků výrobce. V mnoha případech může být v zájmu prodloužení životnosti baterie použito další snížení výkonu, aby se nacházelo v bezpečné zóně SOA.
Kliknutím zobrazíte detail
Lithium-iontové články mají jiné proudové limity pro nabíjení než pro vybíjení a oba režimy zvládnou vyšší špičkové proudy, i když po krátkou dobu. Výrobci bateriových článků obvykle specifikují maximální limity nepřetržitého nabíjecího a vybíjecího proudu spolu s limity špičkového nabíjecího a vybíjecího proudu. BMS poskytující proudovou ochranu jistě použije maximální trvalý proud. Tomu však může předcházet náhlá změna podmínek zatížení; například prudké zrychlení elektromobilu. BMS může zahrnovat monitorování špičkového proudu integrací proudu a po delta čase, přičemž se rozhodne buď snížit dostupný proud, nebo úplně přerušit proud baterie. To umožňuje BMS mít téměř okamžitou citlivost na extrémní proudové špičky, jako je stav zkratu, který nepřitáhl pozornost žádné rezidentní pojistky, ale také shovívavý k vysokým špičkovým požadavkům, pokud nejsou příliš nadměrné. dlouho.
Ochrana elektrického řízení: Napětí
Obrázek 2 ukazuje, že lithium-iontový článek musí pracovat v určitém rozsahu napětí. Tyto hranice SOA budou nakonec určeny vnitřní chemií vybraného lithium-iontového článku a teplotou článků v daném čase. Navíc, protože každá baterie prochází značným množstvím cyklů proudu, vybíjení kvůli požadavkům na zatížení a nabíjení z různých zdrojů energie, jsou tyto limity napětí SOA obvykle dále omezeny, aby se optimalizovala životnost baterie. BMS musí vědět, jaké jsou tyto limity, a bude nařizovat rozhodnutí na základě blízkosti k těmto prahovým hodnotám. Například, když se blíží limit vysokého napětí, může BMS požadovat postupné snižování nabíjecího proudu nebo může požadovat úplné ukončení nabíjecího proudu, pokud je limitu dosaženo. Tento limit je však obvykle doprovázen dalšími úvahami o vnitřní hysterezi napětí, aby se zabránilo chvění ovládání o prahu vypnutí. Na druhou stranu, když se blíží limit nízkého napětí, BMS požádá, aby klíčové aktivní závadné zátěže snížily své aktuální požadavky. V případě elektrického vozidla to může být provedeno snížením povoleného točivého momentu dostupného pro trakční motor. BMS samozřejmě musí brát ohledy na bezpečnost pro řidiče jako nejvyšší prioritu a zároveň chránit baterii, aby se zabránilo trvalému poškození.
Tepelná ochrana: Teplota
V nominální hodnotě se může zdát, že lithium-iontové články mají široký provozní rozsah teplot, ale celková kapacita baterie se při nízkých teplotách snižuje, protože rychlost chemických reakcí se výrazně zpomaluje. S ohledem na schopnost při nízkých teplotách fungují mnohem lépe než olověné nebo NiMh baterie; řízení teploty je však prozíravě nezbytné, protože nabíjení pod 0 °C (32 °F) je fyzicky problematické. Jev pokovování kovového lithia se může objevit na anodě během nabíjení pod bodem mrazu. Jedná se o trvalé poškození, které má za následek nejen snížení kapacity, ale články jsou náchylnější k selhání, pokud jsou vystaveny vibracím nebo jiným stresovým podmínkám. BMS může řídit teplotu baterie pomocí ohřevu a chlazení.
Kliknutím zobrazíte detail
Realizovaný tepelný management je zcela závislý na velikosti a ceně baterie a výkonnostních cílech, kritériích návrhu BMS a produktové jednotce, která může zahrnovat zvážení cílové geografické oblasti (např. Aljaška versus Havaj). Bez ohledu na typ ohřívače je obecně účinnější čerpat energii z externího zdroje střídavého proudu nebo z alternativní rezidentní baterie určené k provozu ohřívače v případě potřeby. Pokud má však elektrický ohřívač mírný odběr proudu, může být energie z primárního akumulátoru odsávána, aby se zahřála. Pokud je implementován tepelný hydraulický systém, pak se k ohřevu chladicí kapaliny používá elektrický ohřívač, který je čerpán a distribuován v sestavě bloku.
Konstruktéři BMS nepochybně mají triky svého designérského řemesla, jak přivést tepelnou energii do obalu. Například lze zapnout různé výkonové elektroniky uvnitř BMS věnované řízení kapacity. I když není tak účinný jako přímé vytápění, lze jej bez ohledu na to využít. Chlazení je zvláště důležité pro minimalizaci ztráty výkonu lithium-iontové baterie. Například možná daná baterie funguje optimálně při 20 °C; pokud se teplota náplně zvýší na 30 °C, může se její výkonnost snížit až o 20 %. Pokud je baterie nepřetržitě nabíjena a dobíjena při 45 °C (113 °F), může ztráta výkonu vzrůst až na 50 %. Životnost baterie může také trpět předčasným stárnutím a degradací, pokud je neustále vystavena nadměrnému vývinu tepla, zejména během cyklů rychlého nabíjení a vybíjení. Chlazení se obvykle dosahuje dvěma způsoby, pasivním nebo aktivním, přičemž lze použít obě techniky. Pasivní chlazení se opírá o pohyb proudění vzduchu pro chlazení baterie. V případě elektrického vozidla to znamená, že se jednoduše pohybuje po silnici. Může to však být sofistikovanější, než se zdá, protože senzory rychlosti vzduchu by mohly být integrovány tak, aby strategicky automaticky upravovaly vychylovací přepážky pro maximalizaci proudění vzduchu. Implementace aktivního ventilátoru s řízenou teplotou může pomoci při nízkých rychlostech nebo při zastavení vozidla, ale vše, co může udělat, je pouze vyrovnat sadu s okolní teplotou. V případě horkého dne by to mohlo zvýšit počáteční teplotu balení. Tepelně hydraulické aktivní chlazení může být navrženo jako doplňkový systém a typicky využívá chladivo etylenglykol se specifikovaným poměrem směsi, cirkulující přes čerpadlo poháněné elektromotorem přes trubky/hadice, rozvodné potrubí, výměník tepla s křížovým prouděním (radiátor) a chladicí deska umístěná proti sestavě baterie. Systém BMS monitoruje teploty v bloku a otevírá a zavírá různé ventily, aby udržoval teplotu celé baterie v úzkém teplotním rozsahu, aby byl zajištěn optimální výkon baterie.
Řízení kapacity
Maximalizace kapacity baterie je pravděpodobně jednou z nejdůležitějších vlastností baterie, kterou BMS poskytuje. Pokud se tato údržba neprovede, baterie se nakonec může stát nepoužitelnou. Základem problému je, že „zásobník“ bateriových sad (řadové pole článků) není dokonale stejný a ve své podstatě má mírně odlišné rychlosti úniku nebo samovybíjení. Únik není vadou výrobce, ale chemickou charakteristikou baterie, i když může být statisticky ovlivněna drobnými odchylkami výrobního procesu. Zpočátku může mít bateriová sada dobře přizpůsobené články, ale postupem času se podobnost mezi buňkami dále zhoršuje, a to nejen kvůli samovybíjení, ale také vlivem cyklů nabíjení/vybíjení, zvýšené teploty a obecného stárnutí podle kalendáře. Když to pochopíte, vzpomeňte si dříve na diskusi o tom, že lithium-iontové články fungují skvěle, ale mohou být poněkud nemilosrdné, pokud jsou provozovány mimo těsnou SOA. Již dříve jsme se dozvěděli o požadované elektrické ochraně, protože lithium-iontové články se nevypořádávají dobře s přebíjením. Jakmile jsou plně nabité, nemohou přijmout žádný další proud a jakákoli další energie, která je do něj vtlačena, se promění v teplo, přičemž napětí potenciálně rychle stoupá, možná na nebezpečnou úroveň. Pro buňku to není zdravá situace a pokud bude pokračovat, může způsobit trvalé poškození a nebezpečné provozní podmínky.
Pole článků série baterií určuje celkové napětí baterie a nesoulad mezi sousedními články vytváří dilema při pokusu o nabití jakékoli sady. Obrázek 3 ukazuje, proč tomu tak je. Pokud má jeden dokonale vyváženou sadu článků, je vše v pořádku, protože každý se bude nabíjet stejným způsobem a nabíjecí proud může být přerušen, když je dosaženo horní mezní hodnoty 4.0 napětí. V nevyváženém scénáři však horní článek dosáhne svého limitu nabití brzy a nabíjecí proud musí být ukončen pro větev předtím, než budou ostatní spodní články nabity na plnou kapacitu.
