1 Què és l'equilibri actiu de BMS
L'equilibri actiu BMS és un mètode de transferència d'energia de cèl·lules individuals de major capacitat a cèl·lules individuals de menor capacitat mitjançant la transferència d'energia, aconseguint així coherència en el paquet de bateries i millorant el rendiment del sistema d'emmagatzematge d'energia.
L'equilibri actiu de BMS és diferent de l'equilibri passiu. L'equilibri passiu generalment descarrega l'energia de les bateries d'alta tensió mitjançant resistències per mantenir un estat igual a la potència de les bateries de baixa tensió. Aquest mètode té desavantatges com ara una baixa eficiència d'utilització d'energia, dissipació de calor, baix corrent d'equilibri i eficàcia lenta. L'equilibri actiu, d'altra banda, és el procés de transferència d'energia de bateries d'alta energia a bateries de baix consum, de la mateixa manera que tallar els punts forts i febles d'un tauler de fusta.
Actualment, hi ha diverses solucions d'equilibri actiu, a excepció de la solució de condensadors Fit que no s'ha convertit en corrent a causa del seu baix nombre de cadenes aplicables i limitacions en la transferència, també hi ha solucions de transformador i xips de conversió DCDC específics per a bateries dissenyats per fabricants de semiconductors que s'han introduït al mercat. Els avantatges de l'equilibri actiu són evidents, amb una alta eficiència, transferència d'energia i només pèrdues de bobina del transformador, que representen una petita proporció; El corrent equilibrat es pot dissenyar per ser gran, assolir diversos amperes o fins i tot un nivell de 10 A, i l'efecte d'equilibri és ràpid.
Tanmateix, l'equilibri actiu també comporta nous problemes. En primer lloc, l'estructura és complexa, especialment en esquemes de transformadors on el disseny i el control de matrius d'interruptors i controladors són un repte. També és per això que la funció d'equilibri actiu no es pot integrar completament als circuits integrats dedicats. En segon lloc, hi ha la qüestió del cost. Les estructures complexes condueixen inevitablement a circuits complexos, i l'augment del cost i la taxa de fallada és inevitable, cosa que també limita la promoció del BMS d'equilibri actiu.
Per a BMS, a més de la funció d'equilibri, l'estratègia d'equilibri subjacent és encara més important. Quan la diferència de consistència de les cèl·lules de la bateria es troba dins d'un determinat rang, la capacitat i el voltatge de la bateria estan correlacionats positivament; Però quan la consistència de la bateria està lluny de ser bona, és a dir, quan una bateria es troba en un estat danyat, la correlació entre potència i voltatge no és tan forta i la base de l'equilibri no es pot jutjar únicament en funció de les dades de tensió. Si la bateria no és conscient del dany per sota de l'estat crític i encara manté l'equilibri de tensió, en realitat pot causar danys a la bateria, especialment en l'equilibri actiu, on el dany causat per un corrent elevat és més gran que en l'equilibri passiu.
L'equilibri actiu és adequat per a aplicacions de bateria de liti de gran recompte de cordes i de gran capacitat, mentre que l'equilibri passiu és adequat per a aplicacions de bateria de liti de petita capacitat i baix nombre de cordes. La consistència de la bateria de Tesla és molt bona i n'hi ha prou amb l'equilibri passiu. Tanmateix, a la Xina, encara hi ha marge per millorar les matèries primeres de la bateria i els processos de producció, i el grau de dispersió de la consistència de la bateria és relativament gran. L'equilibri actiu serà més adequat per a l'aplicació de bateries de liti de tipus potència.
2 El paper de l'equilibri actiu de BMS en els sistemes d'emmagatzematge d'energia
(1) Milloreu el rendiment general de la bateria
1. Alleugeu el desequilibri de potència causat per cèl·lules individuals inconsistents a la bateria i milloreu la capacitat general i el rendiment energètic de la bateria.
En els sistemes d'emmagatzematge d'energia, a causa de les diferències en els materials i els processos de fabricació, així com les variacions en els entorns d'ús i els nivells d'envelliment, hi ha certes diferències en les característiques químiques i elèctriques entre les cèl·lules individuals, manifestades com a inconsistències de capacitat, resistència interna DC, obertes. tensió del circuit, estat de càrrega (SOC) i altres aspectes. Aquesta inconsistència pot provocar una capacitat desigual de la bateria entre les cèl·lules individuals de la bateria, afectant la capacitat general i el rendiment de la bateria. BMS equilibra activament la transferència d'energia de cèl·lules individuals de major capacitat a cèl·lules individuals de menor capacitat mitjançant la transferència d'energia, alleujant així aquest fenomen de desequilibri de potència i millorant la capacitat general i el rendiment de la potència de la bateria.
Per exemple, els transformadors s'utilitzen àmpliament en l'equilibri actiu per equilibrar la distribució d'energia dins del paquet de bateries mitjançant estratègies d'equilibri inferior i superior. També hi ha mètodes d'equilibri basats en components d'emmagatzematge d'energia com condensadors i inductors, o basats en convertidors DC-DC. Aquests mètodes d'equilibri que no consumeixen energia principalment transfereixen energia entre cèl·lules individuals o entre cèl·lules individuals i tot el paquet de bateries mitjançant condensadors, inductors o convertidors DC-DC. En comparació amb les estructures d'equilibri que consumeixen energia, són més complexes, però tenen una eficiència d'utilització d'energia més alta, una transferència d'energia flexible i poden millorar eficaçment el rendiment general de la bateria.
2. En detectar l'estat de cada cel·la individual del paquet de bateries, utilitzeu mètodes d'equilibri per mantenir la tensió o l'estat de càrrega entre cèl·lules individuals dins d'un interval determinat.
El sistema d'equilibri actiu BMS avalua l'estat de funcionament de la bateria controlant contínuament paràmetres clau com ara la tensió, el corrent i la temperatura de cada cel·la de la bateria. Quan es detecta una diferència de tensió o estat de càrrega entre bateries individuals, s'activa el mètode d'equilibri. Per exemple, utilitzant un convertidor DC-DC endavant bidireccional com a circuit principal d'equilibri, quan l'energia es transfereix del costat d'alta tensió al costat de baixa tensió, els quatre transistors de commutació funcionen segons el temps específic de conducció del senyal de conducció per aconseguir una transferència d'energia bidireccional des de el costat de baixa tensió U1 de la unitat al costat d'alta tensió U2 i des del costat d'alta tensió U2 al costat de baixa tensió U1 de la unitat, mantenint així la tensió o l'estat de càrrega entre la unitat. bateries dins d'un determinat rang.
Al mateix temps, el circuit de control del microcontrolador, com a nucli de tot el sistema d'equilibri, controla el mòdul d'adquisició de tensió a través del bus CAN per recollir la tensió de cada cel·la individual del mòdul de la bateria. La informació de la bateria es resumeix i s'utilitza per desenvolupar un pla d'equilibri. La matriu d'interruptors s'utilitza per seleccionar les cel·les que s'han d'equilibrar i, a continuació, l'ordre d'equilibri s'envia al circuit de control d'equilibri per garantir que l'estat de cada cel·la individual del paquet de bateries estigui dins d'un rang raonable.
(2) Amplieu la vida útil de la bateria
1. Inhibeu l'ocurrència de consistència entre les cèl·lules de la bateria i reduïu l'impacte de la dispersió de la bateria en la vida útil de la bateria.
La inconsistència entre les cèl·lules de la bateria s'acumularà gradualment amb l'augment del temps d'ús, formant un desequilibri en la quantitat d'electricitat entre les cèl·lules de la bateria, que no només afecta la capacitat general i el rendiment de la bateria, sinó que també restringeix la vida útil de la bateria. paquet. BMS equilibra activament la transferència d'energia de cèl·lules individuals de major capacitat a cèl·lules individuals de menor capacitat mitjançant la transferència d'energia, suprimint així l'aparició de consistència intercel·lular.
Per exemple, l'adopció de la tecnologia d'equilibri actiu pot evitar l'envelliment prematur d'algunes bateries causat per cèl·lules individuals inconsistents. Els productes BMS desenvolupats per Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. amb funcions tecnològiques bàsiques de "equilibri actiu i transmissió sense fil" poden controlar amb precisió l'energia de cada bateria individual i aconseguir activament una transferència d'energia eficient entre bateries individuals, aconseguint l'objectiu de l'equilibri energètic entre bateries individuals, millorant significativament el rendiment de la bateria, suprimint l'aparició de consistència entre les cèl·lules de la bateria i reduint l'impacte de la dispersió de la bateria en la vida útil de la bateria.
2. Pot augmentar la capacitat disponible del sistema de bateries i millorar significativament la vida del cicle.
La tecnologia d'equilibri actiu BMS elimina eficaçment el problema del desequilibri de capacitat entre les cèl·lules de la bateria mitjançant la transferència d'energia, millorant el rendiment de tota la bateria. Adoptant el xip d'equilibri actiu DC-DC bidireccional desenvolupat de manera independent per Kelie, en comparació amb els xips d'equilibri tradicionals, l'innovador algorisme intel·ligent avançat integrat compensa ràpidament i eficaçment les diferències generades pel paquet de bateries mitjançant la transferència d'energia, assegurant la consistència de la bateria i allargant la vida útil. i el temps mitjà entre fallades del paquet de bateries, i millorant eficaçment els beneficis econòmics de tot el cicle de vida del producte. Les dades de proves cícliques a llarg termini mostren que aquesta tecnologia d'equilibri actiu pot augmentar la capacitat disponible del sistema de bateries en més d'un 10%, millorar la vida del cicle en més d'un 20% i com més sèries connectades, més significatiu serà l'efecte de millora.
3 El principi de funcionament de l'equilibri actiu de BMS
(1) Composició del sistema d'equilibri
El sistema d'equilibri actiu BMS consisteix principalment en un mòdul de bateria en sèrie, un paquet de bateries de 12 V, una matriu d'interruptors, un circuit principal d'equilibri, un circuit d'adquisició de tensió i un circuit de control del microcontrolador.
1. Commuta la matriu:
La matriu d'interruptors consta d'interruptors de gating de cèl·lules de la bateria i interruptors de control de polaritat de la bateria, que poden aconseguir el control de les cel·les que s'han d'equilibrar. Per exemple, per a un paquet de bateries connectat en sèrie de 7-cel·les, hi ha combinacions d'interruptors específiques per seleccionar diferents bateries. Prenent com a exemple la selecció de la bateria 1 i la bateria 2, quan es selecciona la bateria 1, els interruptors K1, K2, KP3 i KP4 s'encenen i s'apaguen altres interruptors, formant un circuit de càrrega i descàrrega específic; En seleccionar la bateria 2, els interruptors K2, K3, KP1 i KP2 s'encenen i s'apaguen altres interruptors, formant un circuit de càrrega i descàrrega corresponent. El gating de cel·les estranys pot referir-se a la combinació d'interruptors de la bateria 1, i fins i tot el gating de cel·les pot referir-se a la combinació d'interruptors de la bateria 2.
2. Circuit principal equilibrat:
Adopció d'un convertidor DC-DC endavant bidireccional per aconseguir una transferència d'energia bidireccional. Aquesta topologia inclou principalment un transformador T, dues resistències de mostreig R1 i R2, dos condensadors de filtrat C1 i C2, un condensador de fixació C3, un inductor de filtratge L i quatre transistors de commutació Q1 a Q4.
(2) Mode de treball
1. L'energia es transfereix del costat de baixa pressió d'una sola unitat al costat d'alta pressió.
2. L'energia es transfereix del costat d'alta tensió al costat de baixa tensió d'una sola unitat, que es divideix en quatre etapes. La transferència i l'alliberament d'energia s'aconsegueixen mitjançant la conducció i la desconnexió del tub de l'interruptor:
Etapa 1: des del temps t1 fins a t2, s'encenen els tubs de commutació Q2 i Q3. En aquest moment, el corrent d'entrada I1 flueix al mateix terminal del bobinat lateral d'alta tensió del transformador i el corrent de sortida I2 surt del mateix terminal del bobinatge lateral de baixa tensió del transformador. El costat d'alta tensió U2 transfereix simultàniament energia al costat de baixa tensió U1 i l'inductor L.
Etapa 2: des del moment t2 fins a t3, els interruptors Q2 i Q3 estan apagats, I2 és continuat pels díodes corporals dels interruptors Q1 i Q2, IT2 disminueix gradualment, IQ1 augmenta gradualment i l'energia emmagatzemada a l'inductor L i l'energia magnètica residual del bobinat de baixa tensió s'alliberen al costat de baixa tensió.
Etapa 3: des del moment t3 fins a t4, l'interruptor Q1 s'activa, I2 es continua amb l'interruptor Q1 i l'energia emmagatzemada a l'inductor L s'allibera al costat de baixa tensió U1.
Etapa 4: des del temps t4 fins a t5, l'interruptor Q1 s'apaga, I2 es continua pel díode corporal de l'interruptor Q1 i l'energia emmagatzemada a l'inductor L continua alliberant-se al costat de baixa tensió U1. Entre elles, la segona i la quarta fase són ambdues etapes de zona morta, per tal d'evitar que Q1 curtcircuiti el bobinatge de baixa tensió quan Q2 i Q3 estan conduint. L'interruptor Q4 es connecta en sèrie amb el condensador de subjecció C3 i es connecta en paral·lel als dos extrems de l'interruptor Q3 per a la subjecció activa i el restabliment magnètic del transformador.
4 L'estat actual d'aplicació de l'equilibri actiu BMS en sistemes d'emmagatzematge d'energia
(1) Empreses participants en el mercat
Actualment, hi ha tres tipus principals de participants del mercat en l'equilibri actiu de BMS en sistemes d'emmagatzematge d'energia: fabricants de vehicles, fabricants de bateries de liti i fabricants independents de BMS.
La capacitat instal·lada de BMS produïda pels fabricants de vehicles representa al voltant del 21,3% del total, la capacitat instal·lada de BMS produïda per les fàbriques de bateries de liti d'energia representa al voltant del 45,4% i els fabricants professionals de BMS representen al voltant del 33,3% de la quota. Tot i que els fabricants de vehicles i els fabricants de bateries encara tenen posicions importants, amb la tendència d'avenç tecnològic i la divisió especialitzada del treball, els fabricants professionals de BMS estan augmentant amb força i s'han convertit en dominants en el camp dels vehicles comercials, i s'espera que tinguin un gran impacte en l'energia. camp d'emmagatzematge.
Per exemple, CATL i BYD tenen quotes de mercat importants en el camp de les bateries de liti d'energia, alhora que tenen certa influència en el mercat de BMS d'emmagatzematge d'energia. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power i altres fabricants d'automòbils, així com fabricants de bateries com BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd. i Beijing Plaid, participen activament en l'emmagatzematge d'energia. Mercat de BMS. A més, els fabricants professionals de BMS com Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology i Sci Tech Electronics també exploren constantment el camp de l'emmagatzematge d'energia BMS.
(2) Problemes existents
1. El BMS d'emmagatzematge d'energia de la Xina va començar relativament tard, amb estàndards incomplets i sense estratègia de control unificada. Tot i que hi ha estàndards marc establerts, cada empresa té requisits diferents per a caixes d'alta tensió i arneses de cablejat d'emmagatzematge d'energia, la qual cosa comporta uns costos elevats d'instal·lació i posada en marxa, falles múltiples i un funcionament i manteniment difícils dels sistemes d'emmagatzematge d'energia. Els departaments rellevants del país estan formulant estàndards relacionats amb la indústria, que s'espera que regulen encara més la indústria BMS, garanteixin la seguretat i la vida útil de les bateries i redueixin el cost dels sistemes d'emmagatzematge d'energia mitjançant l'estandardització i l'escala.
2. La fiabilitat de la tecnologia d'equilibri actiu encara s'ha de millorar encara més i el cost s'ha de reduir encara més. Actualment, l'estructura de l'equilibri actiu és complexa i el cost és molt superior al de l'equilibri passiu. Per exemple, el mètode comú d'equilibri actiu que utilitza transformadors per a la càrrega i descàrrega DC-DC és d'estructura complexa, i el disseny i el control de matrius i controladors d'interruptors són difícils, cosa que també limita la integració completa de la funció d'equilibri actiu en circuits integrats dedicats. A més, les estructures complexes condueixen inevitablement a circuits complexos, i l'augment del cost i la taxa de fallada és inevitable, cosa que també limita la promoció del BMS d'equilibri actiu.
3. L'algorisme BMS d'emmagatzematge d'energia acaba de començar i encara hi ha marge per millorar l'estimació del progrés, la convergència de l'algorisme i la robustesa. Especialment l'algoritme d'avís de la bateria és molt important en els sistemes d'emmagatzematge d'energia, però encara és gairebé un buit a la indústria a la Xina. En general, la indústria de BMS en el camp de l'emmagatzematge d'energia té un nivell general baix, amb una varietat d'empreses de producció de BMS i una qualitat del producte desigual. Algunes empreses tenen una comprensió insuficient dels sistemes d'emmagatzematge d'energia. Això fa que BMS sempre ocupi un lloc alt en la classificació de fallades de components de tot el sistema d'emmagatzematge d'energia.
5 La tendència de desenvolupament de l'equilibri actiu de BMS en sistemes d'emmagatzematge d'energia
(1) La tecnologia d'equilibri actiu esdevé una tendència de futur
Amb la millora contínua dels requisits de rendiment dels sistemes d'emmagatzematge d'energia, els avantatges de la tecnologia d'equilibri actiu són cada cop més destacats. Pot millorar eficaçment la consistència del paquet de bateries, millorant així el rendiment global del sistema d'emmagatzematge d'energia. En aplicacions pràctiques, la tecnologia d'equilibri actiu pot transferir energia de bateries d'alta energia a bateries de baix consum, aconseguint l'equilibri energètic en el paquet de bateries, igual que tallar els punts forts i febles de les taules de fusta. Aquesta tecnologia no només té una alta eficiència i baixes pèrdues, sinó que també té un gran corrent equilibrat i resultats ràpids. Per tant, la tecnologia d'equilibri actiu s'aplicarà àmpliament als sistemes de gestió de bateries d'emmagatzematge d'energia i es convertirà en una tendència de desenvolupament futura.
(2) Localització de components clau
El desenvolupament de la indústria nacional de BMS s'ha de centrar en la localització dels components clau. Actualment, el BMS d'emmagatzematge d'energia de la Xina va començar relativament tard, i els components clau es basen en les importacions, cosa que no només augmenta els costos, sinó que també pot enfrontar-se al risc d'un subministrament inestable. Millorar les capacitats de recerca i desenvolupament independents i aconseguir la localització dels components clau són crucials per millorar la competitivitat de la indústria de BMS de la Xina. Per exemple, un informe d'investigació publicat per la China International Capital Corporation (CICC) va assenyalar que hi ha un gran marge de millora en la taxa de localització dels xips de gestió de bateries i els fabricants locals s'enfronten a importants oportunitats de negoci. Amb el creixement de l'espai del mercat nacional aigües avall i l'augment de la quota de fabricants locals aigües avall, s'espera que els fabricants locals de xips de gestió de bateries introdueixin noves oportunitats.
(3) Integració millorada del producte
En el futur, la combinació d'algoritmes d'estat de la bateria i dades massives basades en núvol es convertirà en corrent, i els algorismes d'intel·ligència artificial també s'aplicaran àmpliament a BMS. Això millorarà la fiabilitat i la seguretat del sistema. Per exemple, la patent de "Convertidor d'emmagatzematge d'energia i sistema d'emmagatzematge d'energia" aplicada per Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. simplifica el disseny, redueix la complexitat i el nombre de components del sistema i redueix significativament el disseny. cost i dificultat d'integració. Al mateix temps, el disseny de la unitat de control permet que el dispositiu assigni l'energia de manera intel·ligent, millorant l'eficiència operativa del sistema d'emmagatzematge d'energia. Amb l'avenç continu de la tecnologia, la integració de productes de BMS continuarà millorant, proporcionant un suport més fort per al desenvolupament de sistemes d'emmagatzematge d'energia.