El sistema de gestió de bateries (BMS) és una tecnologia dissenyada específicament per supervisar els paquets de bateries, que són components de les cèl·lules de la bateria que s'organitzen elèctricament en una configuració de matriu de columna de fila per proporcionar un rang objectiu de voltatge i corrent per a les condicions de càrrega esperades durant un període de temps. .
La supervisió proporcionada per BMS normalment inclou:
- Monitorització de la bateria
- Proporcioneu protecció de la bateria
- Estimar l'estat de funcionament de la bateria
- Optimització contínua del rendiment de la bateria
- Informar de l'estat de funcionament als dispositius externs
Aquí, el terme 'bateria' significa tot el paquet de bateries; No obstant això, les funcions de monitorització i control s'apliquen específicament a bateries individuals o paquets de bateries anomenats mòduls dins de tot el conjunt del paquet de bateries. Les bateries recarregables d'ions de liti tenen la densitat d'energia més alta i són l'opció estàndard per a molts paquets de bateries de consum, des d'ordinadors portàtils fins a vehicles elèctrics. Tot i que funcionen bé, poden ser bastant despietats si s'utilitzen fora de l'àrea operativa segura (SOA) habitualment estreta, amb resultats que van des del rendiment de la bateria perjudicial fins a conseqüències completament perilloses. La descripció de la feina de BMS és sens dubte un repte, ja que la seva complexitat general i l'abast de la supervisió poden implicar múltiples disciplines com ara l'elèctrica, digital, de control, tèrmica i hidràulica.
Com funciona el sistema de gestió de la bateria?
No hi ha cap estàndard fix o únic que s'hagi d'adoptar per als sistemes de gestió de bateries. L'abast del disseny tècnic i les característiques d'implementació solen estar relacionats amb el següent:
- El cost, la complexitat i la mida dels paquets de bateries
- L'aplicació de bateries i qualsevol problema de seguretat, vida útil i garantia
- Els requisits de certificació de diverses regulacions governamentals, si no hi ha mesures de seguretat funcional, el cost i les penalitzacions són crucials
BMS té moltes funcions de disseny, i la gestió de la protecció de la bateria i la gestió de la capacitat són dues funcions bàsiques. Aquí parlarem de com funcionen aquestes dues funcions. Hi ha dues àrees clau de la gestió de la protecció del paquet de bateries: protecció elèctrica, que significa que no es permet que les bateries es facin malbé quan s'utilitzen fora de SOA; Protecció tèrmica, que implica un control passiu i/o actiu de la temperatura per mantenir o portar la bateria a SOA.
Protecció de gestió elèctrica: corrent
Controlar el corrent de la bateria i la tensió de la bateria o mòdul és una manera d'aconseguir la protecció elèctrica. El SOA elèctric de qualsevol pila de bateria està limitat pel corrent i la tensió. La figura 1 mostra una bateria d'ions de liti SOA típica, on un BMS ben dissenyat protegirà la bateria evitant que funcioni fora de la classificació de la bateria del fabricant. En molts casos, es pot aplicar una reducció addicional dins de la zona de seguretat SOA per allargar la vida útil de la bateria.
Les bateries d'ions de liti tenen diferents límits de corrent de càrrega i límits de corrent de descàrrega, i ambdós modes poden gestionar corrents de punta més altes, tot i que el temps és curt. Els fabricants de bateries solen especificar límits màxims de corrent de càrrega i descàrrega contínua, així com límits màxims de càrrega i voltatge de descàrrega. El BMS que proporciona protecció actual aplicarà definitivament el màxim de corrent continu. Tanmateix, abans d'això es poden tenir en compte canvis sobtats en les condicions de càrrega; Per exemple, l'acceleració sobtada dels vehicles elèctrics. BMS pot combinar la monitorització del corrent màxim integrant el corrent i decidint reduir el corrent disponible o interrompre completament el corrent del grup després del temps Δ. Això permet que el BMS tingui una sensibilitat gairebé instantània als pics de corrent extrems, com ara situacions de curtcircuit que no atrauen l'atenció de cap fusible resident, però també poden tolerar exigències de pics elevades sempre que no siguin excessives durant massa temps.
Protecció de gestió elèctrica: tensió
La figura 2 mostra que les bateries d'ió de liti han de funcionar dins d'un determinat rang de tensió. Aquests límits SOA estaran determinats en última instància per les propietats químiques inherents de la bateria d'ió de liti seleccionada i la temperatura de la bateria en un moment donat. A més, a causa de la gran quantitat de cicles de corrent, la descàrrega a causa de la demanda de càrrega i la càrrega de diverses fonts d'energia que pateix qualsevol paquet de bateries, aquestes limitacions de voltatge SOA sovint es restringeixen encara més per optimitzar la vida de la bateria. BMS ha de conèixer quines són aquestes limitacions i prendre decisions en funció de la proximitat d'aquests llindars. Per exemple, quan s'acosta al límit d'alta tensió, BMS pot sol·licitar una disminució gradual del corrent de càrrega o, si s'arriba al límit, pot sol·licitar la finalització completa del corrent de càrrega. Tanmateix, aquesta limitació sovint s'acompanya de consideracions inherents d'histèresi de tensió addicionals per evitar oscil·lacions de control pel que fa al llindar d'apagada. D'altra banda, quan s'acosta al límit de baixa tensió, el BMS demanarà càrregues actives crítiques no compatibles per reduir la seva demanda actual. En el cas dels vehicles elèctrics, això es pot aconseguir reduint el parell admissible disponible per al motor de tracció. Per descomptat, BMS ha de prioritzar la seguretat del conductor i protegir la bateria dels danys permanents.
Protecció de gestió tèrmica: Temperatura
A la superfície, les bateries d'ions de liti tenen un ampli rang de temperatures de funcionament, però a causa de les taxes de reacció química significativament més lentes, la capacitat total de la bateria disminueix a baixes temperatures. Pel que fa a la capacitat a baixes temperatures, el seu rendiment és realment molt millor que les bateries de plom-àcid o NiMh; Tanmateix, la gestió de la temperatura és crucial, ja que la càrrega per sota de 0 graus C (32 graus F) és físicament problemàtica. Durant la càrrega de subcongelació, es pot produir el fenomen de galvanoplastia del liti metàl·lic a l'ànode. Aquest és un dany permanent que no només condueix a una disminució de la capacitat, sinó que també augmenta la probabilitat d'avaria de la bateria si està sotmès a vibracions o altres condicions d'estrès. BMS pot controlar la temperatura de la bateria mitjançant la calefacció i la refrigeració.
La implementació de la gestió tèrmica depèn completament de la mida i el cost de la bateria, els objectius de rendiment, els estàndards de disseny de BMS i les unitats de producte, que poden incloure consideracions per a l'àrea geogràfica objectiu. Independentment del tipus d'escalfador, normalment és més eficient extreure energia d'una font d'alimentació de CA externa o de bateries residents alternatives utilitzades per fer funcionar l'escalfador quan sigui necessari. Tanmateix, si l'escalfador elèctric té un consum de corrent moderat, l'energia de la bateria principal es pot desviar per escalfar-se. Si s'utilitza un sistema hidràulic calent, s'utilitza un escalfador elèctric per escalfar el refrigerant bombat i distribuït per tot el component.
Sens dubte, els enginyers de disseny de BMS tenen algunes habilitats en la indústria del disseny per degotar energia tèrmica als paquets de bateries. Per exemple, es poden encendre diversos dispositius electrònics de potència dedicats a la gestió de la capacitat dins del BMS. Tot i que no és tan eficient com la calefacció directa, encara es pot utilitzar sense importar el que passi. La refrigeració és especialment important per minimitzar la pèrdua de rendiment dels paquets de bateries d'ions de liti. Per exemple, potser una bateria determinada funciona millor a 20 graus C; Si la temperatura de l'envàs augmenta a 30 graus C, la seva eficiència de rendiment pot disminuir un 20%. Si la bateria es carrega i es recarrega contínuament a una temperatura de 45 graus C (113 graus F), la pèrdua de rendiment pot arribar al 50%. Si s'exposa contínuament a entorns sobreescalfats, especialment durant els cicles ràpids de càrrega i descàrrega, la durada de la bateria també pot envellir i degradar-se prematurament. La refrigeració s'aconsegueix normalment a través de dos mètodes, passiu o actiu, i es poden utilitzar ambdues tècniques. La refrigeració passiva es basa en el moviment del flux d'aire per refredar la bateria. Pel que fa als vehicles elèctrics, això vol dir que només circulen per la carretera. Tanmateix, pot ser més complex del que sembla, ja que el sensor de velocitat de l'aire es pot integrar per ajustar estratègicament automàticament la presa d'aire de desviació per maximitzar el flux d'aire. La implementació de ventiladors actius amb control de temperatura pot ser útil a baixes velocitats o quan el vehicle està aturat, però tot això només és per mantenir la bateria a la mateixa temperatura que l'entorn. Si el clima és calorós, això pot augmentar la temperatura inicial de l'envàs. El refredament actiu hidràulic calent es pot dissenyar com un sistema suplementari, normalment utilitzant refrigerant d'etilenglicol amb una proporció de mescla especificada, circulant a través de canonades/mànegues, col·lectors de distribució, intercanviadors de calor de flux creuat (radiadors) i plaques de refrigeració contra components del paquet de bateries mitjançant un sistema elèctric. bomba. BMS controla la temperatura de tot el paquet de bateries i obre i tanca diverses vàlvules per mantenir la temperatura de tota la bateria dins d'un rang de temperatura estret per garantir un rendiment òptim de la bateria.
Gestió de la capacitat
Maximitzar la capacitat de la bateria es pot considerar una de les característiques de rendiment de la bateria més importants proporcionades per BMS. Si no es realitza aquest manteniment, el paquet de bateries pot arribar a ser inútil. L'arrel del problema rau en el fet que l'"apilament" de paquets de bateries (matrius de sèrie de bateries) no és completament igual i, essencialment, té unes velocitats de fuites o descàrrega automàtica lleugerament diferents. Les fuites no són un defecte del fabricant, sinó les propietats químiques de la bateria, encara que es poden veure estadísticament afectades per canvis menors en el procés de fabricació. Inicialment, els paquets de bateries poden tenir bateries ben combinades, però amb el temps, la similitud entre les bateries disminueix encara més, no només a causa de l'autodescàrrega, sinó també influenciada pels cicles de càrrega/descàrrega, l'augment de la temperatura i l'envelliment general del calendari. Tenint això en compte, recordant la discussió anterior, les bateries d'ió de liti funcionen bé, però poden ser bastant despietades si s'utilitzen fora de l'estricte SOA. Anteriorment hem après sobre la protecció elèctrica necessària, ja que les bateries d'ions de liti no poden suportar bé la sobrecàrrega. Un cop completament carregats, no poden acceptar més corrent, qualsevol energia addicional es convertirà en calor i la tensió pot augmentar ràpidament, assolint nivells potencialment perillosos. Aquesta no és una condició saludable per a les cèl·lules i, si persisteix, pot causar danys permanents i condicions de funcionament insegures.
La connexió en sèrie de les matrius de bateries determina la tensió de tot el paquet de bateries, i el desajust entre les bateries adjacents pot causar dificultats quan s'intenta carregar qualsevol paquet de bateries. La figura 3 mostra per què passa això. Si una persona té un conjunt de bateries completament equilibrat, tot està bé perquè cada bateria es carregarà de la mateixa manera i el corrent de càrrega es pot tallar quan s'arribi al llindar superior de voltatge 4.0. Tanmateix, en una situació desequilibrada, la bateria superior arribarà al seu límit de càrrega abans del previst, i el corrent de càrrega de la branca s'ha d'acabar abans que les altres bateries inferiors es carreguin a plena capacitat.
Per demostrar el seu principi de funcionament, cal explicar una definició clau. L'estat de càrrega (SOC) d'una bateria o mòdul en un moment donat és directament proporcional a la potència disponible en relació amb la potència total quan està completament carregada. Per tant, una bateria al 50% SOC significa que s'ha carregat al 50%, similar al factor de qualitat d'un mesurador de potència. La gestió de la capacitat del BMS és equilibrar els canvis de SOC de cada pila de la bateria. Com que el SOC no és una quantitat directament mesurable, es pot estimar mitjançant diverses tècniques, i l'esquema d'equilibri en si sol dividir-se en dues categories: passiu i actiu. Hi ha moltes variacions de temes, cadascun amb els seus propis avantatges i desavantatges. L'enginyer de disseny de BMS decideix quina és la més adequada per al paquet de bateries donat i la seva aplicació. L'equilibri passiu és el més fàcil d'aconseguir i també pot explicar el concepte general d'equilibri. Els mètodes passius permeten que cada bateria de la bateria tingui la mateixa capacitat de càrrega que la bateria més feble. Utilitza un corrent relativament baix per transferir una petita quantitat d'energia de les bateries d'alt SOC durant el cicle de càrrega, de manera que totes les bateries es poden carregar al seu SOC màxim. La figura 4 il·lustra com ho aconsegueix BMS. Controla cada bateria i utilitza interruptors de transistors i resistències de descàrrega de mida adequada en paral·lel amb cada bateria. Quan el BMS detecta que una bateria determinada s'acosta al seu límit de càrrega, guiarà l'excés de corrent al voltant d'una manera de dalt a baix fins a la següent bateria.
Els punts finals del procés d'equilibri abans i després es mostren a la figura 5. En resum, BMS permet que les bateries o mòduls del paquet de bateries vegin corrents de càrrega diferents del corrent del paquet de bateries per equilibrar el paquet de bateries a través d'un dels següents mètodes:
L'eliminació de la càrrega de la bateria més carregada proporciona espai per al corrent de càrrega addicional per evitar la sobrecàrrega i permet que les bateries menys carregades rebin més corrent de càrrega.
Reposicionar part o gairebé tot el corrent de càrrega al voltant de la bateria més carregada, permetent que les bateries menys carregades rebin corrent de càrrega durant un període de temps més llarg
Tipus de sistemes de gestió de bateries
El sistema de gestió de la bateria pot adoptar diverses tecnologies de simples a complexes per aconseguir les seves instruccions principals de "cuidar la bateria". Tanmateix, aquests sistemes es poden classificar en funció de la seva topologia, que està relacionada amb la seva instal·lació i funcionament a les bateries o mòduls de tot el paquet de bateries.
Arquitectura BMS centralitzada
Hi ha un BMS central al conjunt de la bateria. Tots els paquets de bateries estan connectats directament al BMS central. L'estructura del BMS centralitzat es mostra a la figura 6. El BMS centralitzat té alguns avantatges. És més compacte i sovint el més econòmic perquè només hi ha un BMS. Tanmateix, el BMS centralitzat també té inconvenients. Com que totes les bateries estan connectades directament al BMS, el BMS requereix molts ports per connectar tots els paquets de bateries. Això vol dir que hi ha un gran nombre de cables, cables, connectors, etc. en grans paquets de bateries, cosa que fa que la resolució de problemes i el manteniment siguin complexos.
Topologia BMS modular
De manera similar a la implementació centralitzada, BMS es divideix en diversos mòduls repetitius, cadascun amb un paquet de cables dedicat i connectat a parts designades adjacents del paquet de bateries. Vegeu la figura 7. En alguns casos, aquests submòduls BMS poden estar sota la supervisió del mòdul BMS principal, la funció del qual és supervisar l'estat dels submòduls i comunicar-se amb dispositius perifèrics. A causa de la modularització repetida, la resolució de problemes i el manteniment són més fàcils, i també és fàcil expandir-se a paquets de bateries més grans. El desavantatge és que el cost global és lleugerament superior i, segons l'aplicació, pot haver-hi funcions duplicades no utilitzades.
BMS primària/secundària
Tanmateix, conceptualment semblant a la topologia modular, en aquest cas, els dispositius esclaus es limiten més a transmetre només informació de mesura, mentre que els dispositius mestres es dediquen a la computació i el control, així com a la comunicació externa. Per tant, tot i que és similar als tipus modulars, el cost pot ser més baix perquè la funcionalitat del dispositiu és sovint més senzilla, la sobrecàrrega pot ser menor i pot haver-hi menys funcions no utilitzades.
Arquitectura BMS distribuïda
A diferència d'altres topologies, en altres topologies, el maquinari i el programari electrònic estan encapsulats en mòduls, que es connecten a la bateria mitjançant arnes de cablejat. El BMS distribuït integra tot el maquinari electrònic en un tauler de control col·locat directament a la bateria o mòdul supervisat. Això redueix el cablejat extens d'uns quants cables de sensor i cables de comunicació entre mòduls BMS adjacents. Per tant, cada BMS és més independent i gestiona la computació i la comunicació segons sigui necessari. Tanmateix, malgrat aquesta senzillesa òbvia, aquesta forma integrada fa que la resolució de problemes i el manteniment sigui un problema potencial, ja que es troba a les profunditats dels components del mòdul blindat. El cost sovint és més elevat perquè hi ha més BMS a tota l'estructura de la bateria.
La importància del sistema de gestió de bateries
En BMS, la seguretat funcional és el més important. És crucial evitar que la tensió, el corrent i la temperatura de qualsevol bateria o mòdul sota supervisió i control superin els límits de SOA especificats durant les operacions de càrrega i descàrrega. Si se supera el límit durant un període de temps, no només es veuran afectats els paquets de bateries potencialment cars, sinó que també hi pot haver situacions perilloses de fuga tèrmica. A més, per protegir les bateries d'ions de liti i garantir la seguretat funcional, també es requereix un control estricte dels límits de llindar de tensió més baixos. Si les bateries d'ió de liti es mantenen en aquest estat de baixa tensió, les dendrites de coure poden créixer a l'ànode, cosa que podria provocar un augment de la taxa d'autodescàrrega i possibles problemes de seguretat. El cost de l'alta densitat d'energia en els sistemes d'alimentació d'ions de liti és que gairebé no hi ha espai per als errors de gestió de la bateria. Gràcies a les millores en les bateries de BMS i d'ions de liti, aquest és un dels productes químics de bateries més exitosos i segurs disponibles actualment.
El rendiment de la bateria és la segona funció més important de BMS, que implica la gestió elèctrica i tèrmica. Per optimitzar elèctricament la capacitat total de la bateria, totes les bateries del paquet de bateries han d'estar equilibrades, la qual cosa significa que el SOC de les bateries adjacents a tot el component és aproximadament igual. Això és molt important perquè no només aconsegueix una capacitat òptima de la bateria, sinó que també ajuda a prevenir la degradació generalitzada i redueix els punts calents potencials per sobrecarregar bateries febles. Les bateries d'ions de liti haurien d'evitar la descàrrega per sota del límit de baixa tensió, ja que això pot provocar efectes de memòria i una pèrdua important de capacitat. Els processos electroquímics són molt sensibles a la temperatura i les bateries no són una excepció. Quan la temperatura ambient baixa, la capacitat i l'energia disponible de la bateria disminuiran significativament. Per tant, BMS pot connectar escalfadors en línia externs situats en sistemes de refrigeració líquida, com ara paquets de bateries de vehicles elèctrics, o encendre plaques de calefacció residents instal·lades sota mòduls de paquets de bateries en helicòpters o altres avions. A més, com que carregar bateries d'ió de liti de baixa temperatura no és propici per al rendiment de la vida útil de la bateria, primer és important augmentar completament la temperatura de la bateria. La majoria de les bateries d'ió de liti no es poden carregar ràpidament per sota dels 5 graus C i no s'han de carregar en absolut per sota de 0 graus C. Per tal d'aconseguir un rendiment òptim durant l'ús operatiu típic, la gestió tèrmica de BMS normalment garanteix que la bateria funcioni dins una àrea operativa estreta de Goldilocks (per exemple, 30-35 grau C). Això pot protegir el rendiment, allargar la vida útil i cultivar bateries saludables i fiables.
Els avantatges del sistema de gestió de la bateria
Un sistema complet d'emmagatzematge d'energia de la bateria, conegut comunament com BESS, es pot muntar estratègicament a partir de desenes, centenars o fins i tot milers de bateries d'ions de liti, depenent de l'aplicació. La tensió nominal d'aquests sistemes pot ser inferior a 100 V, però pot arribar fins a 800 V, amb un rang de corrent d'alimentació de la bateria de fins a 300 A o més. Qualsevol gestió deficient dels paquets de bateries d'alta tensió pot provocar desastres catastròfics que posen en perill vides. Per tant, el BMS és crucial per garantir un funcionament segur. Els beneficis de BMS es poden resumir de la següent manera.
Seguretat funcional.No cal dir que per als paquets de bateries d'ió de liti de mida gran, això és especialment prudent i necessari. Però, com és ben sabut, fins i tot els formats més petits utilitzats en ordinadors portàtils poden incendiar-se i causar danys importants. La seguretat personal dels usuaris de productes que contenen sistemes d'alimentació d'ions de liti deixa poc marge per als errors de gestió de la bateria.
Vida útil i fiabilitat.Gestió de la protecció del paquet de bateries, elèctrica i tèrmica, assegurant que totes les bateries s'utilitzen dins dels requisits SOA declarats. Aquesta supervisió subtil garanteix l'ús segur i els cicles ràpids de càrrega i descàrrega de la bateria, i inevitablement genera un sistema estable que pot oferir anys de servei fiable.
Rendiment i abast.Gestió de la capacitat del paquet de bateries BMS, que utilitza l'equilibri entre bateries per equilibrar el SOC de les bateries adjacents als components del paquet de bateries, permetent una capacitat òptima de la bateria. Sense aquesta funció de BMS per tenir en compte els canvis en l'autodescàrrega, els cicles de càrrega/descàrrega, els efectes de la temperatura i l'envelliment general, la bateria pot arribar a ser inútil.
Diagnòstic, recollida de dades i comunicació externa.La tasca de supervisió inclou la supervisió contínua de totes les cèl·lules de la bateria, on l'enregistrament de dades es pot utilitzar per al diagnòstic, però normalment s'utilitza per a tasques computacionals per predir el SOC de totes les bateries del component. Aquesta informació s'utilitza per equilibrar algorismes, però es pot compartir amb dispositius i pantalles externs per indicar l'energia resident disponible, estimar l'interval esperat o la vida útil en funció de l'ús actual i proporcionar l'estat de salut de la bateria.
Redueix costos i garantia.La introducció de BMS a BESS augmenta els costos i el paquet de bateries és car i potencialment perillós. Com més complex sigui el sistema, més alts són els requisits de seguretat, per la qual cosa es requereix més supervisió de BMS. Tanmateix, la protecció i el manteniment preventiu de BMS en termes de seguretat funcional, vida útil i fiabilitat, rendiment i abast, diagnòstic, etc. garanteixen que reduirà els costos globals, inclosos els costos relacionats amb la garantia.
Conclusió
La simulació és un aliat valuós en el disseny de BMS, especialment quan s'aplica per explorar i resoldre reptes de disseny en desenvolupament de maquinari, prototipatge i proves. Amb un model precís de bateria d'ions de liti, el model de simulació de l'arquitectura BMS es reconeix com una especificació executable per a prototips virtuals. A més, la simulació permet investigar sense dolor les variants de les funcions de monitorització de BMS per a diferents escenaris de funcionament ambiental i de bateria. Els problemes d'implementació es poden identificar i investigar des del principi, permetent la validació del rendiment i les millores de seguretat funcional abans de la implementació en prototips de maquinari reals. Això redueix el temps de desenvolupament i ajuda a garantir que el primer prototip de maquinari sigui robust. A més, quan es realitzen en aplicacions de sistemes incrustats, es poden realitzar moltes proves d'autenticació en BMS i paquets de bateries, inclosos els pitjors escenaris.