System zarządzania baterią: funkcje, typy i sposób wyboru

Zestaw akumulatorów litowo-jonowych-to kosztowny obiekt-o dużej gęstości energii. Traktuj go dobrze, a posłuży dekadę. Niewłaściwie traktuj go przez kilka minut, a możesz trwale zniszczyć komórki lub, w najgorszym przypadku, wywołać pożar. Elementem, który zapobiega najgorszym przypadkom, jest system zarządzania baterią, w skrócie BMS.

Niezależnie od tego, czy projektujesz pakiet, integrujesz go z produktem czy oceniasz specyfikację dostawcy, w tym przewodniku dowiesz się, co faktycznie robi BMS, jakie istnieją architektury, dlaczego prawdziwa-nie podlega negocjacjom i jak wybrać właściwy dla swojej aplikacji.
 

Na tej stronie

• Co to jest system zarządzania baterią?
• Jak faktycznie działa BMS
• Podstawowe funkcje BMS
• Główne architektury BMS
• BMS a płyta ochronna (PCM)
• Dlaczego BMS ma znaczenie
• Wybór odpowiedniego BMS według aplikacji
• Lista kontrolna wyboru składająca się z 7 kroków
• Najczęstsze błędy przy zakupie BMS
• Często zadawane pytania

Co to jest system zarządzania baterią?

A system zarządzania bateriąto elektroniczny kontroler monitorujący i chroniący akumulator, najczęściej litowo-jonowy lub LiFePO4 składający się z wielu ogniw połączonych szeregowo i równolegle. Mierzy działanie każdej komórki, oblicza, jak zachowuje się stado jako całość i interweniuje, gdy coś wykracza poza bezpieczne granice.

BMS to nie to samo, co prosta płyta zabezpieczająca (czasami nazywana PCM lub modułem obwodu zabezpieczającego). Płyta zabezpieczająca reaguje na kilka warunków awaryjnych, takich jak przeładowanie, nadmierne-rozładowanie i zwarcie. Prawdziwy BMS robi to wszystko, a także równoważy ogniwa, szacuje stan naładowania i stan zdrowia, zarządza temperaturą i zwykle komunikuje się z resztą systemu za pośrednictwem CAN, RS485, UART lub Bluetooth. To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ rynek swobodnie miesza te dwa terminy, a wiele tanich płyt „BMS” to ukryte płyty zabezpieczające.

Wewnątrz kompletnego produktu do magazynowania energii BMS jest jednym z kilku elementów składowych. Jeśli chcesz zobaczyć, jak wypada obok ogniw, PCS, EMS i sprzętu termicznego, nasz podziałosiem podstawowych elementów systemu magazynowania energii akumulatorówjest dobrą lekturą towarzyszącą.

Jak faktycznie działa BMS

Każdy BMS wykonuje tę samą czteroetapową pętlę-tysiące razy na sekundę.

Sens.Napięcie dociera do każdego ogniwa, czujnik prądu (bocznik lub efekt Halla-) na głównej ścieżce prądowej, a termistory NTC w strategicznych punktach dostarczają nieprzetworzone dane do BMS.

Obliczać.Mikrokontroler przekształca te pomiary w wartości pochodne: stan naładowania, stan zdrowia, dostępna moc, brak równowagi ogniw, średnia temperatura.

Decydować.Oprogramowanie sprzętowe porównuje wszystko z progami bezpieczeństwa i zasadami działania.

Działać.W razie potrzeby BMS otwiera tranzystory MOSFET lub styczniki w celu odcięcia prądu. Może również uruchomić obwód równoważący, poprosić ładowarkę o zwolnienie lub wygenerować flagę błędu w systemie hosta.

Ta zamknięta pętla sprzężenia zwrotnego oddziela zarządzany system akumulatorowy od akumulatora z chipem zabezpieczającym naklejonym na górze.
 

Podstawowe funkcje systemu zarządzania baterią

Różne projekty BMS kładą nacisk na różne zadania. Kompetentny system zarządzania akumulatorami obsługuje większość lub wszystkie z poniższych.

Komórka-Monitorowanie poziomu

BMS w sposób ciągły odczytuje napięcie każdego ogniwa w szeregu szeregowym, prąd wpływający i wypływający z pakietu oraz temperaturę w jednym lub większej liczbie punktów. Widoczność na poziomie-komórki sprawia, że ​​decyzje-na poziomie pakietu są godne zaufania. Uśrednianie na poziomie pakietu ukrywa dokładnie ten rodzaj dryfu pojedynczej-komórki, który powoduje awarie.

Równoważenie komórek

W każdym pakiecie wielo-komórkowym komórki starzeją się nieco inaczej. Bez równoważenia najsłabsze ogniwo jako pierwsze osiąga górną granicę napięcia podczas ładowania, zmuszając BMS do zaprzestania ładowania całego pakietu i pozostawiając użyteczną pojemność bezużyteczną.

Dominują dwa podejścia.Równoważenie pasywnespala nadmiar energii z wyższych ogniw poprzez małe rezystory. Jest prosty, tani i odpowiedni dla większości opakowań konsumenckich i lekkich-przemysłowych.Aktywne równoważenieprzenosi energię z ogniw wyższych do ogniw niższych poprzez kondensatory, cewki indukcyjne lub przetworniki DC-DC. Jest bardziej wydajny i odzyskuje większą pojemność użytkową, ale zwiększa koszty i złożoność. Aktywne równoważenie zwykle procentuje w przypadku dużych pakietów (trakcja pojazdów elektrycznych, magazynowanie-w skali sieci), gdzie liczy się każda kilowatogodzina-.

Szacowanie SOC, SOH i SOF

Trzy wartości stanu wyglądają podobnie, ale oznaczają różne rzeczy.

• Stan naładowania (SOC): stopień zapełnienia opakowania, wyrażony w procentach. Steruje wskaźnikiem zasięgu lub czasu działania widocznym dla użytkownika.
• Stan zdrowia (SOH): pozostała pojemność użytkowa w porównaniu-z zupełnie nowym pakietem. Opakowanie o 80% SOH straciło 20% swojej pierwotnej pojemności.
• Stan funkcji (SOF): czy pakiet jest w stanie dostarczyć aktualnie wymaganą moc, biorąc pod uwagę aktualne SOC, SOH i temperaturę.

Tanie jednostki raportują SOC. Lepsze jednostki śledzą SOH. Jednostki premium zgłaszają SOF, czyli to, czego tak naprawdę potrzebujesz, gdy w grę wchodzi niezawodna wydajność. Aby zapoznać się z wprowadzeniem do tego, jak komórki zyskują i tracą pojemność w ciągu swojego życia, ptArtykuł Uniwersytetu Baterii BU-808to dobre źródło-w prostym języku.

Ochrona

Poważny BMS chroni przed przeładowaniem, nadmiernym-rozładowaniem, przetężeniem (w obu kierunkach), zwarciem oraz wysoką lub niską temperaturą. Każdy próg powinien być konfigurowalny, a czas reakcji jest równie ważny jak sam próg. Reakcja na zwarcie-zazwyczaj mieści się w zakresie 100–500 mikrosekund; wszystko w zakresie milisekund jest zbyt wolne dla-wysokoprądowych aplikacji.

Zarządzanie ciepłem

W przypadku pakietów chłodzonych pasywnie BMS po prostu obniża wartości znamionowe lub wyłącza się, gdy temperatura odbiega od normy. W przypadku pakietów aktywnie chłodzonych steruje wentylatorami, pompami lub grzejnikami, aby utrzymać ogniwa w ich oknie roboczym. Większość ogniw litowo--jonowych ładuje się bezpiecznie w temperaturze około 0–45 stopni i rozładowuje w szerszym zakresie, ale najlepiej radzą sobie w zakresie 15–35 stopni; cykl życia spada w obu skrajnościach. W przypadku określonych limitów nasze odniesienie dotzakresy temperatur baterii litowejopisuje, jak ładowanie, rozładowywanie i przechowywanie faktycznie wyglądają w praktyce. Po stronie sprzętuwybór pomiędzy chłodzeniem powietrzem a ciecząkształtuje ilość pracy, jaką BMS musi wykonać termicznie.

Komunikacja

Większość nowoczesnych BMS-ów rozmawia ze światem zewnętrznym. Magistrala CAN jest standardem w pojazdach i systemach przemysłowych, RS485 dominuje w stacjonarnych magazynach energii, UART lub I²C jest powszechne w małych pakietach konsumenckich, a Bluetooth jest coraz bardziej powszechny w-rowerach elektrycznych i przenośnych źródłach zasilania. W systemie stacjonarnym BMS koordynuje także działania na wyższym-poziomiesystem zarządzania energią (EMS), który obsługuje decyzje dotyczące wysyłki, taryfy i sygnały sieciowe. Często są one mylone, ale zajmują różne warstwy.

Rejestrowanie danych i diagnostyka

Wyższe-systemy BMS rejestrują zdarzenia usterek, liczbę cykli i wartości ekstremalne w przeszłości. Dziennik ten staje się nieoceniony przy diagnozowaniu zwracanych opakowań, potwierdzaniu roszczeń gwarancyjnych i ulepszaniu kolejnej wersji produktu. W naszej pracy związanej z RMA dziennik BMS jest zwykle pierwszą rzeczą, którą czytamy; paczka bez użytecznej historii to paczka, której nie można obronić.

Główne typy architektur BMS

Istnieją trzy klasyczne architektury systemu zarządzania baterią. Wybór odpowiedniego zależy głównie od wielkości opakowania i jego złożoności.

Przydatna zasada działania, którą stosujemy podczas określania zakresu nowych kompilacji: poniżej około 16 komórek szeregowo, centralizacja jest w porządku. W przedziale od 16 do 100 modułowość zwykle wygrywa pod względem kosztów-instalacji- w porównaniu z niezawodnością. Powyżej 100 ogniw, dystrybucja zwraca się kosztem okablowania, integralnością sygnału i możliwością serwisowania w terenie. To są punkty wyjścia, a nie prawa; konkretne projekty mogą pociągać w obie strony.
 

BMS a płyta ochronna (PCM): jaka jest różnica?

Jest to największe źródło zamieszania na rynku BMS.

Jeśli sprzedawca nazywa płytkę za 5 dolarów za pakiet 10 ogniw „BMS”, zapytaj, czy wykonuje ona równoważenie komórek, raportuje SOC przez magistralę danych i podaje prawdziwy numer części mikrokontrolera. Jeśli odpowiedź brzmi nie, jest to płyta ochronna.

Dlaczego BMS ma znaczenie: realne ryzyko obejścia się bez niego

Słowo „ważne” jest używane luźno. Oto, co właściwie dzieje się nie tak w pakiecie litowym bez odpowiedniego systemu zarządzania akumulatorem lub z akumulatorem, który jest za mały do ​​tego zadania.

Bezpieczeństwo.Ogniwa litowo-jonowe- ulegają uszkodzeniu w wyniku reakcji łańcuchowej zwanej niekontrolowaną utratą ciepła. Wewnętrzne zwarcie lub przeładowanie podnosi temperaturę jednego ogniwa, co przyspiesza awarię, co powoduje dalszy wzrost temperatury, aż do momentu, w którym z ogniwa wycieknie łatwopalny elektrolit. BMS, który wyłapie prekursor (nieprawidłowe napięcie, nieprawidłowy prąd, nieprawidłowy trend temperatury) może przerwać łańcuch, zanim stanie się pożarem.

Długość życia.Nawet utrzymująca się niezrównoważenie kilkudziesięciu miliwoltów pomiędzy ogniwami zauważalnie skraca żywotność pakietu. Najsilniejsze ogniwo kończy ładowanie jako pierwsze i przechodzi przez wąskie pasmo; najsłabsza komórka wykonuje najcięższe prace i starzeje się jeszcze szybciej. Bez równoważenia użyteczna pojemność pakietu zmniejsza się asymetrycznie w ciągu miesięcy, a nie lat. W pakietach, które otwieraliśmy po zwrotach gwarancyjnych, obwód równoważący, który nigdy się nie załączył, jest jedną z najczęstszych przyczyn przedwczesnej utraty pojemności.

Wydajność.Bez dokładnych SOC i SOH system albo nie wykorzystuje pakietu w wystarczającym stopniu (pojemność pozostawiona na stole), albo go nadużywa (twierdzenia dotyczące zasięgu lub czasu działania, które nie odpowiadają rzeczywistości). Dla użytkowników końcowych „moja bateria wyczerpuje się znacznie szybciej niż wskazuje wskaźnik” prawie zawsze oznacza problem z BMS, a nie z ogniwem.

Zgodność.Obecnie produkty z bateriami litowymi podlegają stosowi standardów, a prawdziwy BMS zwykle sprawia, że ​​są one zadowalające. Pominięcie jednego skutecznie zamyka poważne rynki. Najczęściej spotykane:

• ONZ 38.3: seria-testów bezpieczeństwa transportowego, które muszą przejść ogniwa i pakiety litowe, aby mogły zostać wysłane drogą powietrzną, morską lub drogową. Zdefiniowany przezPodręcznik ONZ dotyczący testów i kryteriów.
• UL2271: obejmuje akumulatory do lekkich pojazdów elektrycznych, takich jak-rowery i-elektryczne hulajnogi.
• UŁ 1973: obejmuje stacjonarne i napędowe systemy akumulatorów, w tym większość produktów ESS. Wymaga udokumentowanej logiki ochrony BMS.
• IEC 62619: międzynarodowa norma bezpieczeństwa dla przemysłowych ogniw i akumulatorów litowych.
• ISO26262: bezpieczeństwo funkcjonalne pojazdów drogowych. Wymagane, jeśli producent OEM określa to dla akumulatorów trakcyjnych.

Aby uzyskać głębsze spojrzenie na to, co wiąże się z certyfikacją UL po stronie ESS, zobacz naszą notatkę na tematdlaczego produkty BESS wymagają certyfikatu UL. Możesz także przeglądać same standardyRozwiązania UL.

Wybór odpowiedniego BMS według aplikacji

Różne aplikacje obciążają system zarządzania baterią w zupełnie inny sposób. Ta sama etykieta „100A” oznacza zupełnie co innego w przypadku elektronarzędzia i stojaka do przechowywania energii słonecznej.

Pojazdy elektryczne i-elektroniczna mobilność

Pojazdy elektryczne i-rowery elektryczne wymagają wysokiego prądu ciągłego, szybkiej reakcji szczytowej, dokładnego SOC do szacowania zasięgu, komunikacji CAN i (jeśli wymaga tego producent OEM) funkcjonalnego-bezpieczeństwa projektowego zgodnego z ISO 26262. Na wyższym poziomie dominują architektury modułowe lub rozproszone.

Systemy magazynowania energii (ESS)

W przypadku pamięci stacjonarnych priorytetem jest długi okres kalendarzowy, duża liczba cykli, dokładne śledzenie SOH i czysta integracja z falownikami poprzez Modbus lub CAN. Ze względów bezpieczeństwa ogniwa są zwykle LiFePO4. Szerokie zakresy napięć (od 48 V do 800 V+) skłaniają projekty w stronę modułowych lub rozproszonych systemów BMS. Większość naszychkontenerowy BESSprojekty wykorzystują na przykład modułowy system BMS typu master-slave, dzięki czemu można serwisować dowolną szafę bez przełączania całej witryny w tryb offline.

Elektronarzędzia

Elektronarzędziom zależy przede wszystkim na prądzie szczytowym i reakcji na zwarcie. Silnik pobiera ogromne prądy przejściowe podczas uruchamiania i przeciągnięcia. W tym przypadku wydajność BMS sprowadza się do wyboru MOSFET-u (niskie Rds(wł.)) i możliwości pokonywania krótkich szczytów bez uciążliwych wyłączeń.

Elektronika przenośna i użytkowa

Najważniejsze są kompaktowe rozmiary, niski koszt i ścisła integracja. Zwykle wystarczy mały, scentralizowany BMS z pasywnym równoważeniem i podstawową ochroną.

Morskie i rozruchowe systemy zasilania

Zastosowania związane z rozruchem- wymagają bardzo wysokich szczytowych prądów wyładowczych w przypadku krótkich impulsów, a także ochrony przed wibracjami, wilgocią i solą. Szukaj szczelnych konstrukcji, wysokich współczynników prądu szczytowego-do-prądu ciągłego i solidnej ochrony termicznej.

Wybór składu chemicznego wpływa również na konfigurację BMS. Nasz przeglądróżne typy akumulatorów do magazynowania energiianalizuje zachowanie LFP, NMC i innych, co z kolei zmienia progi napięcia, strategię równoważenia i limity termiczne, które BMS musi egzekwować.

Jak wybrać BMS

Użyj tego w kolejności. Pominięcie kroku to błąd w przypadku większości zakupów w systemie BMS.

1. Potwierdź liczbę i skład chemiczny komórek.Ile ogniw jest połączonych szeregowo (liczba „S”)? Lit-jonowy (nominalny 3,7 V), LiFePO4 (nominalny 3,2 V) czy coś innego? BMS musi dokładnie pasować.
2. Oblicz prąd ciągły i szczytowy.Użyj najgorszego-obciążenia. Prąd ciągły ma znaczenie dla wymiarowania termicznego; Maksymalny prąd ma znaczenie dla MOSFET-u i wyboru ścieżki.
3. Wybierz prąd ciągły z marginesem.Staraj się zapewnić co najmniej 25–30% zapasu w stosunku do rzeczywistego ciągłego obciążenia (typowa-praktykowa zasada inżynierii pakietów, a nie sztywna liczba). BMS o wartości znamionowej dokładnie odpowiadającej Twojemu prądowi roboczemu będzie się nagrzewał i szybko się starzał.
4. Sprawdź zestaw zabezpieczeń.Przeładowanie, nadmierne-rozładowanie, przetężenie (ładowanie i rozładowanie), zwarcie i temperatura powinny być obecne i możliwe do skonfigurowania.
5. Wybierz rodzaj równoważenia.Tryb pasywny jest odpowiedni dla większości pakietów poniżej około 10 kWh. Wybieraj aktywne równoważenie tylko wtedy, gdy odzyskiwanie wydajności i długa żywotność uzasadniają dodatkowy koszt.
6. Dopasuj interfejs komunikacyjny.CAN dla motoryzacji, RS485 dla ESS, BLE dla urządzeń przenośnych lub brak dla samodzielnego zasilacza.
7. Sprawdź tranzystory MOSFET i jakość wykonania.Poproś o numer części MOSFET i sprawdź jego arkusz danych. Markowy-markowy MOSFET o niskim Rds(on) jest jednym z najsilniejszych wskaźników poważnego BMS.

Typowe błędy i sygnały ostrzegawcze przy zakupie BMS

• Ufając głównemu aktualnemu ratingowi.Płytka oznaczona „100A” może wykorzystywać tranzystory MOSFET, które w rzeczywistych warunkach termicznych obniżają wartość znamionową do 60A. Sprawdź arkusz danych.
• Mylenie wartości szczytowej z ciągłą.BMS, który obsługuje 200 A przez jedną sekundę, nie jest BMS 200 A.
• Ignorowanie protokołu.Markowe pakiety-narzędzi (Dewalt, Milwaukee itp.) często korzystają z zastrzeżonych uścisków dłoni; ogólny BMS może po prostu odmówić zasilania narzędzia.
• Pomijam czujniki temperatury.Pojedynczy NTC dla całego pakietu 20S nie jest w stanie stwierdzić, czy któryś róg się przegrzewa.
• Kupuję kierując się wyłącznie ceną.Najtańszy „BMS” w przypadku pakietu zawierającego-ogniwa to prawie zawsze płyta zabezpieczająca z dodatkowymi elementami marketingowymi.

Często zadawane pytania

Czy mogę używać baterii litowej bez BMS?
Dla pojedynczego ogniwa przy niskim prądzie, technicznie rzecz biorąc, tak. W przypadku każdego wieloogniwowego pakietu litowego, a zwłaszcza wszędzie tam, gdzie w pobliżu znajdują się ludzie, nie. Ryzyko niekontrolowanej temperatury, braku równowagi komórek i szybkiej degradacji sprawia, że ​​BMS jest faktycznie obowiązkowy.

Jaka jest różnica między BMS a ładowarką akumulatorów?
Ładowarka wpycha energię do pakietu. BMS decyduje, czy jest to bezpieczne i informuje ładowarkę, kiedy ma się zatrzymać. Wiele systemów ma jedno i drugie, współpracując ze sobą za pośrednictwem magistrali komunikacyjnej.

Czy BMS wydłuża żywotność baterii?
Tak, znacząco. Zapobiegając przeładowaniu, nadmiernemu{{1}rozładowaniu i brakowi równowagi ogniw, kompetentny BMS może znacznie wydłużyć cykl życia pakietu litowego w porównaniu z pracą bez zabezpieczenia. Dokładny stosunek zależy od składu chemicznego, głębokości wyładowania i temperatury.

Co właściwie robi równoważenie komórek?
Utrzymuje każde ogniwo w szeregu w niemal tym samym stanie naładowania, dzięki czemu pakiet może być w pełni naładowany i rozładowany bez przedwczesnego osiągnięcia limitu przez jedno ogniwo.

SOC vs SOH: jaka jest różnica?
SOC informuje, jaki poziom naładowania baterii jest obecnie. SOH informuje, ile pojemności utraciła bateria w ciągu swojego życia. Pakiet może mieć 100% SOC i tylko 70% SOH, jeśli jest stary.

Czy BMS i PCM to to samo?
Nie. PCM (karta zabezpieczająca) reaguje tylko na warunki awaryjne. BMS dodaje równoważenie, ocenę stanu, komunikację i często zarządzanie temperaturą.

Jaki prąd powinien obsługiwać mój BMS?
Staraj się uzyskać prąd ciągły o wartości co najmniej 25–30% wyższej-od rzeczywistego{2}}świata, przy maksymalnej obsłudze w przypadku rozruchu lub przeciągnięcia. Zawsze sprawdzaj rzeczywistą specyfikację MOSFET-u, a nie tylko parametry oferowane na rynku.

Scentralizowany, modułowy czy rozproszony: którego potrzebuję?
Małe paczki (poniżej około 16S): scentralizowane. Średnie paczki i lekkie pojazdy elektryczne: modułowe. Duża skala EV lub siatka-: rozproszona.

Czy powinienem doposażyć BMS w istniejący zestaw akumulatorów?
W przypadku paczki, która została pierwotnie wysłana bez niej, odpowiedź zależy od tego, co już znajduje się w środku. Jeśli dostępna jest tylko podstawowa płytka zabezpieczająca, wymiana prawdziwego BMS może wydłużyć żywotność i dodać monitorowanie, ale modernizacja musi odpowiadać oryginalnej liczbie ogniw, składowi chemicznemu i ścieżce prądowej. W przypadku pakietów już podłączonych do systemu BMS, który uległ awarii, wymiana jest prosta. W przypadku zapieczętowanych pakietów OEM (szczególnie od głównych marek) modernizacje często kończą się niepowodzeniem z powodu zastrzeżonych uzgodnień między pakietem a sprzętem hosta i generalnie tego nie zalecamy.

Konkluzja

System zarządzania akumulatorami sprawia, że ​​akumulatory litowo-jonowe- nadają się do wykorzystania na dużą skalę. Wyczuwa, oblicza i oddziałuje na to, co robią komórki, równoważy je, śledzi ich stan zdrowia i komunikuje się z resztą systemu. Pominięcie prawdziwego BMS lub korzystanie z płyty zabezpieczającej udającej taką, kosztuje Cię margines bezpieczeństwa, żywotność i ostatecznie pieniądze.

Zanim kupisz, zablokuj cztery rzeczy: liczbę ogniw i ich skład chemiczny, prąd ciągły i szczytowy z marginesem, dokładnie taki zestaw zabezpieczeń, jakiego potrzebujesz oraz interfejs komunikacyjny, z którym współpracuje Twój system. Dopasuj je do odpowiedniej architektury dla rozmiaru pakietu, a unikniesz najkosztowniejszych błędów w projektowaniu baterii litowych.

Jeśli dobierasz BMS do konkretnego zastosowania (trakcja pojazdów elektrycznych, magazynowanie energii, elektronarzędzia, rozruch morski lub zasilanie przenośne), zacznij od bieżących wymagań aplikacji i protokołu, a następnie cofaj się. Na tym polega różnica między opakowaniem, które wytrzymuje pięć lat, a takim, które psuje się po pięciu miesiącach.