Sistem za upravljanje baterije: funkcije, vrste in kako izbrati

Litij-ionski akumulator je drag in energijsko-gost predmet. Z njim ravnajte dobro in traja desetletje. Če z njim ravnate nekaj minut, lahko trajno razgradite celice ali v najslabšem primeru povzročite požar. Komponenta, ki prepreči najslabši primer, je sistem za upravljanje baterije ali BMS.

Ne glede na to, ali načrtujete paket, ga integrirate v izdelek ali ocenjujete specifikacije prodajalca, ta vodnik pokriva, kaj BMS dejansko počne, kakšne arhitekture obstajajo, zakaj o pravem ni-mogoče pogajati in kako izbrati pravega za svojo aplikacijo.
 

Na tej strani

• Kaj je sistem za upravljanje baterije?
• Kako BMS dejansko deluje
• Osnovne funkcije BMS
• Glavne arhitekture BMS
• BMS proti zaščitni plošči (PCM)
• Zakaj je BMS pomemben
• Izbira pravega BMS glede na aplikacijo
• Kontrolni seznam za izbiro v 7 korakih
• Pogoste napake pri nakupu BMS
• pogosta vprašanja

Kaj je sistem za upravljanje baterije?

A sistem za upravljanje baterijeje elektronski krmilnik, ki nadzoruje in ščiti akumulatorsko baterijo, najpogosteje litij-ionsko ali LiFePO4 baterijo, sestavljeno iz več zaporedno in vzporedno povezanih celic. Meri, kaj počne posamezna celica, izračuna, kako se trop obnaša kot celota, in posreduje, ko nekaj odplava izven varnih meja.

BMS ni isto kot preprosta zaščitna plošča (včasih imenovana PCM ali modul zaščitnega vezja). Zaščitna plošča se odzove na nekaj pogojev napake, kot so prenapolnjenost, prekomerna-praznjenost in kratek stik. Pravi BMS naredi vse to in tudi uravnoteži celice, oceni stanje napolnjenosti in zdravstveno stanje, upravlja temperaturo in običajno komunicira s preostalim sistemom prek CAN, RS485, UART ali Bluetooth. Razlika je pomembna, ker trg svobodno meša oba izraza in je veliko poceni plošč "BMS" prikritih zaščitnih plošč.

Znotraj celotnega izdelka za shranjevanje energije je BMS eden izmed več gradnikov. Če želite videti, kako se umešča poleg celic, PCS, EMS in toplotne strojne opreme, naša razčlenitevosem osnovnih komponent sistema za shranjevanje energije baterijeje dober spremljevalec branja.

Kako BMS dejansko deluje

Vsak BMS izvaja isto -zanko štirih korakov, tisočkrat na sekundo.

Smisel.Napetostni odcepi na vsaki celici, tokovni senzor (shunt ali Hall-efekt) na glavni tokovni poti in NTC termistorji na strateških točkah dovajajo neobdelane podatke v BMS.

Izračunaj.Mikrokrmilnik pretvori te meritve v izpeljane vrednosti: stanje napolnjenosti, zdravstveno stanje, razpoložljivo moč, neravnovesje celic, povprečno temperaturo.

Odločite se.Vdelana programska oprema vse primerja z varnostnimi pragovi in ​​pravili delovanja.

dejanjePo potrebi BMS odpre MOSFET ali kontaktorje za prekinitev toka. Lahko tudi sproži vezje za uravnoteženje, zahteva od polnilnika, naj upočasni, ali sproži zastavico napake v gostiteljskem sistemu.

Ta zaprta povratna zanka je tisto, kar ločuje upravljani baterijski sistem od baterije z zaščitnim čipom na vrhu.
 

Osnovne funkcije sistema za upravljanje baterije

Različne zasnove BMS poudarjajo različna delovna mesta. Ustrezen sistem za upravljanje baterije obravnava večino ali vse naslednje.

Spremljanje ravni-celice

BMS neprekinjeno odčitava napetost vsake celice v nizu nizov, tok, ki teče v ohišje in iz njega, ter temperature na eni ali več točkah. Vidnost-na ravni celice je tisto, zaradi česar so odločitve-na ravni paketa vredne zaupanja. Povprečenje na ravni paketa skrije točno tisto vrsto eno-celičnega premika, ki povzroča napake.

Uravnoteženje celic

V katerem koli več-celičnem paketu se celice starajo nekoliko drugače. Brez uravnoteženja najšibkejša celica med polnjenjem najprej doseže svojo zgornjo mejo napetosti, zaradi česar mora BMS prenehati polniti celoten paket in pusti uporabno kapaciteto na cedilu.

Prevladujeta dva pristopa.Pasivno uravnoteženjeprek majhnih uporov izgoreva odvečno energijo iz višjih celic. Je preprost, poceni in primeren za večino potrošniških in lahkih-industrijskih paketov.Aktivno uravnoteženjeprenaša energijo iz višjih celic v nižje prek kondenzatorjev, induktorjev ali pretvornikov DC-DC. Je učinkovitejši in povrne več uporabne zmogljivosti, vendar poveča stroške in kompleksnost. Aktivno uravnoteženje se običajno izplača v velikih sklopih (pogon EV, shranjevanje-na omrežju), kjer je pomembna vsaka-kilovatna ura.

Ocena SOC, SOH in SOF

Tri državne vrednosti so videti podobne, vendar pomenijo različne stvari.

• Stanje napolnjenosti (SOC): kako poln je paket trenutno, izraženo v odstotkih. Poganja indikator obsega ali časa delovanja, ki ga vidi uporabnik.
• Zdravstveno stanje (SOH): koliko uporabne zmogljivosti ostane v primerjavi s popolnoma-novim paketom. Paket z 80 % SOH je izgubil 20 % svoje prvotne kapacitete.
• Stanje delovanja (SOF): ali lahko paket zagotovi trenutno zahtevano moč glede na trenutni SOC, SOH in temperaturo.

Poceni enote poročajo SOC. Boljše enote sledijo SOH. Premium enote poročajo o SOF, kar si dejansko želite, ko je na vrsti zanesljivo delovanje. Za uvod v to, kako celice pridobivajo in izgubljajo zmogljivost v svoji življenjski dobi, jeČlanek Battery University BU-808je dober-vir v preprostem jeziku.

Zaščita

Resni BMS ščiti pred prenapolnjenostjo, pre-praznjenjem, previsokim tokom (v obe smeri), kratkim stikom ter visoko ali nizko temperaturo. Vsak prag mora biti nastavljiv, odzivni čas pa je pomemben enako kot sam prag. Odziv-kratkega stika je običajno v območju 100–500 mikrosekund; karkoli v območju milisekunde je prepočasno za visoko{6}}trenutne aplikacije.

Toplotno upravljanje

Pri pasivno hlajenih paketih BMS preprosto zmanjša ali prekine, ko temperature zaidejo. Za aktivno hlajene pakete ukazuje ventilatorjem, črpalkam ali grelcem, da zadržijo celice v njihovem delovnem oknu. Večina litij-ionskih celic se varno polni med približno 0–45 stopinjami in se prazni v širšem razponu, vendar so najsrečnejše v pasu 15–35 stopinj; življenjska doba cikla pade v obeh skrajnostih. Za posebne omejitve, naša referenca natemperaturna območja litijeve baterijepokriva, kako polnjenje, praznjenje in shranjevanje dejansko izgledajo v praksi. Na strani strojne opreme,izbira med zračnim in tekočinskim hlajenjemoblikuje, koliko toplotnega dela mora BMS opraviti.

Komunikacija

Večina sodobnih BMS se pogovarja z zunanjim svetom. Vodilo CAN je standardno za vozila in industrijske sisteme, RS485 prevladuje pri stacionarnem shranjevanju energije, UART ali I²C je pogost v majhnih potrošniških paketih, Bluetooth pa je vse pogostejši v e-kolesih in prenosnih napajalnikih. V stacionarnem sistemu se BMS usklajuje tudi z višjo-nivojosistem upravljanja z energijo (EMS), ki obravnava odločitve o odpremi, tarife in omrežne signale. Oba sta pogosto zmedena, vendar se nahajata na različnih ravneh.

Beleženje podatkov in diagnostika

Vi-BMS-ji beležijo dogodke napak, štetje ciklov in zgodovinske ekstreme. Ta dnevnik postane neprecenljiv za diagnosticiranje vrnjenih paketov, potrjevanje garancijskih zahtevkov in izboljšanje naslednje revizije izdelka. Pri našem lastnem delu RMA je dnevnik BMS običajno prva stvar, ki jo preberemo; paket brez uporabne zgodovine je paket, ki ga ne morete braniti.

Glavne vrste arhitektur BMS

Obstajajo tri klasične arhitekture za sistem upravljanja baterije. Izbira pravega je večinoma vprašanje velikosti in kompleksnosti paketa.

Koristno delovno pravilo, ki ga uporabljamo pri določanju obsega novih gradenj: pod približno 16 celicami v seriji je centralizirano v redu. Med 16 in 100 modularno običajno zmaga pri stroških-namestitve-v primerjavi z zanesljivostjo. Nad 100 celicami se porazdeljeni poplačajo s stroški kablov, celovitostjo signala in možnostjo servisiranja na terenu. To so izhodišča, ne zakoni; specifični projekti lahko potegnejo v obe smeri.
 

BMS proti zaščitni plošči (PCM): Kakšna je razlika?

To je največji vir zmede na trgu BMS.

Če prodajalec imenuje ploščo za 5 USD za paket z 10 celicami "BMS", vprašajte, ali izvaja uravnoteženje celic, poroča SOC prek podatkovnega vodila in navaja pravo številko dela mikrokrmilnika. Če je odgovor ne, je to zaščitna plošča.

Zakaj je BMS pomemben: Resnična tveganja brez njega

Beseda "pomemben" se ohlapno uporablja. Tukaj je tisto, kar gre dejansko narobe pri litijevem paketu brez ustreznega sistema za upravljanje baterije ali pri takem, ki je premajhen za to delo.

Varnost.Litij{0}}ionske celice odpovejo zaradi verižne reakcije, imenovane toplotni beg. Notranji kratki stik ali prekomerno polnjenje zviša temperaturo ene celice, kar pospeši okvaro, ki dodatno zviša temperaturo, dokler celica ne odzrači vnetljivega elektrolita. BMS, ki ujame predhodnik (nenormalna napetost, nenormalen tok, nenormalen temperaturni trend), lahko prekine verigo, preden postane požar.

Življenjska doba.Tudi vztrajna neravnovesja več deset milivoltov med celicami opazno skrajšajo življenjsko dobo paketa. Najmočnejša celica se prva konča s polnjenjem in se kroži po ozkem pasu; najšibkejša celica opravi težka dela in se stara še hitreje. Brez uravnoteženja se uporabna zmogljivost paketa asimetrično zmanjšuje v mesecih in ne letih. V paketih, ki smo jih odprli po garancijskih vračilih, je ravnotežno vezje, ki se nikoli ne vključi, eden najpogostejših temeljnih vzrokov za prezgodnjo izgubo zmogljivosti.

Učinkovitost.Brez natančnih SOC in SOH sistem premalo izkorišča paket (kapaciteta, ki je ostala na mizi) ali ga pretirano (obseg ali trditve o času izvajanja, ki se ne ujemajo z resničnostjo). Za končne uporabnike je "moja baterija izpraznjena veliko hitreje, kot kaže indikator" skoraj vedno problem BMS, ne problem celice.

Skladnost.Izdelki z litijevimi baterijami so danes potegnjeni v kup standardov in pravi BMS je običajno tisto, zaradi česar so sprejemljivi. Preskok enega dejansko zapre resne trge. Najpogostejši, ki jih morate vedeti:

• ZN 38.3: niz-varnostnih preizkusov prevoza, ki jih morajo prestati litijeve celice in paketi za pošiljanje po zraku, morju ali cesti. Opredeljeno zPriročnik testov in meril ZN.
• UL 2271: zajema baterije za lahka električna vozila, kot so e-kolesa in e-skuterji.
• UL 1973: zajema stacionarne in pogonske baterijske sisteme, vključno z večino izdelkov ESS. Zahteva dokumentirano zaščitno logiko BMS.
• IEC 62619: mednarodni varnostni standard za industrijske litijeve sekundarne celice in baterije.
• ISO 26262: funkcionalna varnost cestnih vozil. Zahtevano, če proizvajalec originalne opreme to določi za pogonske baterije.

Za podrobnejši vpogled v to, kaj vključuje certificiranje UL na strani ESS, glejte našo opombo ozakaj izdelki BESS potrebujejo UL certifikat. Lahko tudi brskate po samih standardihUL rešitve.

Izbira pravega BMS glede na aplikacijo

Različne aplikacije obremenjujejo sistem za upravljanje baterije na popolnoma različne načine. Ista oznaka "100A" pomeni zelo različne stvari v električnem orodju in v solarnem nosilcu.

Električna vozila in e-mobilnost

EV in e-kolesa potrebujejo visok trajni tok, hiter odziv na največje vrednosti, natančen SOC za oceno dosega, komunikacijo CAN in (kjer proizvajalec originalne opreme to zahteva) funkcionalno{2}}varnostno zasnovo ISO 26262. Na višjem koncu prevladujejo modularne ali porazdeljene arhitekture.

Sistemi za shranjevanje energije (ESS)

Stacionarno shranjevanje daje prednost dolgi koledarski življenjski dobi, visokemu številu ciklov, natančnemu sledenju SOH in čisti integraciji z pretvorniki prek Modbusa ali CAN. Zaradi varnosti so celice običajno LiFePO4. Široka napetostna okna (48 V do 800 V+) potiskajo zasnove k modularnim ali porazdeljenim BMS. Večina našihzabojnik BESSprojekti na primer uporabljajo modularni glavni-podrejeni BMS, tako da je mogoče servisirati katero koli omaro, ne da bi celotno spletno mesto onemogočilo.

Električna orodja

Električna orodja skrbijo predvsem za vršni tok in odziv na kratek-stik. Motor potegne ogromne prehodne tokove ob zagonu in zaustavitvi. Tu se zmogljivost BMS zniža na izbiro MOSFET (nizka Rds(vklopljena)) in zmožnost premaganja kratkih konic brez motečih izklopov.

Prenosna in potrošniška elektronika

Najpomembnejši so kompaktna velikost, nizki stroški in tesna integracija. Običajno zadostuje majhen centraliziran BMS s pasivnim uravnoteženjem in osnovno zaščito.

Pomorski in zagonski sistemi napajanja

Aplikacije v stilu zagona-zahtevajo zelo visoke konične razelektritvene tokove za kratke izbruhe ter zaščito pred vibracijami, vlago in soljo. Poiščite zaprte oblike, visoka razmerja med-tokom-zveznega toka in robustno toplotno zaščito.

Izbira kemije vpliva tudi na konfiguracijo BMS. Naš pregled nadrazlične vrste baterij za shranjevanje energijesprehodi skozi način obnašanja LFP, NMC in drugih, kar posledično spremeni napetostne pragove, strategijo uravnoteženja in toplotne omejitve, ki jih mora uveljaviti BMS.

Kako izbrati BMS

Uporabite to po vrstnem redu. Preskok koraka je način, kako gre večina nakupov BMS narobe.

1. Potrdite število celic in kemijo.Koliko celic v seriji (številka "S")? Litij-ion (3,7 V nominalno), LiFePO4 (3,2 V nominalno) ali kaj drugega? BMS se mora natančno ujemati.
2. Izračunajte trajni in vršni tok.Uporabite obremenitev-v najslabšem primeru. Stalni tok je pomemben za toplotno dimenzioniranje; vrhovni tok je pomemben za MOSFET in izbiro sledi.
3. Izberite trajni tok z rezervo.Prizadevajte si za vsaj 25–30 % prostora nad vašo dejansko neprekinjeno obremenitvijo (običajno inženirsko pravilo za pakete, ne trdna številka). BMS, ocenjen točno na vaš obratovalni tok, se bo segreval in hitro staral.
4. Preverite zaščitni komplet.Prekomerno polnjenje, pre-praznjenje, previsoki tok (polnjenje in praznjenje), kratek stik in temperatura morajo biti prisotni in nastavljivi.
5. Izberite vrsto uravnoteženja.Pasivno je primerno za večino paketov pod približno 10 kWh. Aktivno uravnoteženje izberite le, če obnovitev zmogljivosti in dolga življenjska doba upravičujeta dodatne stroške.
6. Ujemanje komunikacijskega vmesnika.CAN za avtomobile, RS485 za ESS, BLE za prenosnike ali brez za samostojen napajalnik.
7. Preverite MOSFET-je in kakovost izdelave.Vprašajte za številko dela MOSFET in poiščite njegov podatkovni list. MOSFET-znamke z nizkim Rds(on) je eden najmočnejših pokazateljev resnega BMS.

Pogoste napake in opozorila pri nakupu BMS

• Zaupati naslovni trenutni oceni.Plošča z oznako "100A" lahko uporablja MOSFET-je, ki se v realnih toplotnih pogojih zmanjšajo na 60A. Preverite podatkovni list.
• Zamenjajoč vrh z neprekinjenim.BMS, ki obdeluje 200 A za eno sekundo, ni 200 A BMS.
• Ignoriranje protokola.Paketi močnih{0}}orodij blagovnih znamk (Dewalt, Milwaukee itd.) pogosto uporabljajo lastniško rokovanje; generični BMS lahko preprosto zavrne napajanje orodja.
• Preskakovanje temperaturnih senzorjev.En sam NTC za celoten paket 20S vam ne more povedati, ali se en vogal pregreva.
• Nakup samo po ceni.Najcenejši »BMS« za paket z več-celicami je skoraj vedno zaščitna plošča s trženjem na vrhu.

pogosta vprašanja

Ali lahko uporabljam litijevo baterijo brez BMS?
Za eno celico pri nizkem toku, tehnično da. Za kateri koli več-celični litijev paket, še posebej kjer koli v bližini ljudi, ne. Zaradi tveganja toplotnega pobega, celičnega neravnovesja in hitre razgradnje je BMS dejansko obvezen.

Kakšna je razlika med BMS in polnilnikom baterij?
Polnilnik potiska energijo v paket. BMS se odloči, ali je to varno, in pove polnilniku, kdaj naj se ustavi. Številni sistemi imajo oboje in delujejo skupaj prek komunikacijskega vodila.

Ali BMS podaljša življenjsko dobo baterije?
Ja, pomenljivo. S preprečevanjem prekomernega polnjenja, prekomerne{1}}praznjenosti in neravnovesja celic lahko kompetenten BMS znatno podaljša življenjsko dobo litijevega paketa v primerjavi z delovanjem nezaščitenega. Točno razmerje je odvisno od kemije, globine praznjenja in temperature.

Kaj pravzaprav naredi uravnoteženje celic?
Vse celice v nizu ohranja v skoraj enakem stanju napolnjenosti, tako da je paket mogoče popolnoma napolniti in izprazniti, ne da bi ena celica prezgodaj dosegla svojo mejo.

SOC proti SOH: kakšna je razlika?
SOC vam pove, kako polna je baterija v tem trenutku. SOH vam pove, koliko kapacitete je baterija izgubila v svoji življenjski dobi. Embalaža ima lahko 100 % SOC in le 70 % SOH, če je stara.

Ali sta BMS in PCM ista stvar?
Ne. PCM (zaščitna plošča) se odzove samo na napake. BMS dodaja uravnoteženje, oceno stanja, komunikacijo in pogosto toplotno upravljanje.

Kolikšen tok naj podpira moj BMS?
Prizadevajte si za vsaj 25–30 % nad vašim-resničnim neprekinjenim tokom, z največjo obdelavo za zagon ali zastoj. Vedno preverite dejanske specifikacije MOSFET-a, ne samo tržne ocene.

Centraliziran, modularen ali porazdeljen: katerega potrebujem?
Majhna pakiranja (pod približno 16S): centralizirana. Srednji paketi in lahka električna vozila: modularno. Veliko EV ali mrežno-merilo: porazdeljeno.

Ali naj naknadno vgradim BMS v obstoječo baterijo?
Za paket, ki je bil prvotno poslan brez njega, je odgovor odvisen od tega, kaj je že notri. Če je na voljo samo osnovna zaščitna plošča, lahko zamenjava v pravem BMS podaljša življenjsko dobo in doda nadzor, vendar se mora naknadna vgradnja ujemati s prvotnim številom celic, kemijo in trenutno potjo. Za pakete, ki so že priključeni na BMS, ki je odpovedal, je zamenjava enostavna. Pri zapečatenih paketih OEM (zlasti večjih blagovnih znamk) naknadne vgradnje pogosto ne uspejo zaradi lastniškega rokovanja med paketom in gostiteljsko opremo, zato tega na splošno ne priporočamo.

Bottom Line

Sistem za upravljanje baterij je tisto, zaradi česar so litij{0}}ionske baterije uporabne v velikem obsegu. Zaznava, izračunava in deluje glede na to, kaj počnejo celice, jih uravnoveša, spremlja njihovo zdravje in se pogovarja s preostalim sistemom. Če preskočite pravi BMS ali se zadovoljite z zaščitno ploščo, oblečeno v eno, vas stane varnostna rezerva, življenjska doba in na koncu denar.

Pred nakupom zaklenite štiri stvari: število celic in kemijo, trajni in vršni tok z rezervo, natančen nabor zaščite, ki ga potrebujete, in komunikacijski vmesnik, ki ga govori vaš sistem. Uskladite jih s pravo arhitekturo za vašo velikost paketa in izognili se boste najdražjim napakam pri oblikovanju litijeve baterije.

Če določate velikost BMS za določeno aplikacijo (vleka električnih vozil, shranjevanje energije, električna orodja, ladijski zagon ali prenosna moč), začnite s trenutnimi zahtevami in zahtevami protokola aplikacije in pojdite nazaj. To je razlika med paketom, ki traja pet let, in tistim, ki pokvari v petih mesecih.