Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σε μπαταρίες βρίσκονται σε όλο και πιο απαιτητικές συνθήκες αγοράς, παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.Θα ήταν ένα ερώτημα που αξίζει να συζητηθεί ότι πώς να κατασκευαστεί ένα σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS) που να εξασφαλίζει μακρά διάρκεια ζωής, ευελιξία και διαθεσιμότητα.
Κάθε σύγχρονη μπαταρία χρειάζεται ένα σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS), το οποίο αποτελεί συνδυασμό ηλεκτρονικών στοιχείων και λογισμικού και λειτουργεί ως ο εγκέφαλος της μπαταρίας.Αυτό το άρθρο επικεντρώνεται στην τεχνολογία BMS για σταθερά συστήματα αποθήκευσης ενέργειαςΟι πιο βασικές λειτουργίες του BMS είναι να διασφαλίζει ότι τα κύτταρα της μπαταρίας παραμένουν ισορροπημένα και ασφαλή, και σημαντικές πληροφορίες, όπως η διαθέσιμη ενέργεια,διαβιβάζεται στον χρήστη ή στα συνδεδεμένα συστήματα.
Η εξισορρόπηση είναι απαραίτητη επειδή τα συστήματα μπαταριών αποτελούνται από εκατοντάδες, μερικές φορές χιλιάδες μεμονωμένα κύτταρα, τα οποία όλα έχουν ελαφρώς διαφορετικές ικανότητες και αντίσταση.Αυτές οι διαφορές αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου καθώς τα κύτταρα υποβαθμίζονται με διαφορετικό ρυθμόΑν οι κυψέλες δεν εξισορροπούνται έστω και περιστασιακά, οι τάσεις τους θα απομακρυνθούν σύντομα σε τέτοιο βαθμό ώστε η χωρητικότητα της μπαταρίας να γίνει αχρησιμοποίητη.
Η ασφάλεια εξασφαλίζεται διατηρώντας τα κύτταρα εντός ασφαλών ορίων λειτουργίας τάσης, ρεύματος και θερμοκρασίας, γεγονός που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.φορτισμένα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ή εκτεθούν σε υπερβολικά ρεύματα ή θερμοκρασίες, θα μπορούσαν να αναπτύξουν σφάλματα που μπορεί να οδηγήσουν σε πυρκαγιές ή εκρήξεις.
Πληροφορίες όπως η διαθέσιμη ενέργεια και η ισχύς δεν μπορούν να μετρηθούν άμεσα, πράγμα που σημαίνει ότι το BMS πρέπει να υπολογίζει Οι υπολογισμοί αυτοί ονομάζονται εκτίμηση κατάστασης και τα αποτελέσματα μεταδίδονται σε συστήματα υψηλότερου επιπέδου, συμπεριλαμβανομένων των διεπαφών χρήστη.
Πριν εξετάσουμε λεπτομερέστερα τις εκτιμήσεις σχεδιασμού BMS, αξίζει να περιγράψουμε τους διαφορετικούς τύπους BMS και τις απαιτήσεις του κλάδου που καθορίζουν τις επιλογές σχεδιασμού.Η προσέγγιση εξισορρόπησης χρησιμοποιείται συνήθως για την ταξινόμηση των τύπων BMS, αν και άλλες πτυχές του σχεδιασμού διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο, όπως οι διαφορετικές προσεγγίσεις για την εκτίμηση της κατάστασης και τις ροές πληροφοριών.
Βασική κατασκευή πακέτου
Τα κύτταρα, ή ηλεκτροχημικά κύτταρα, όπως τα κύτταρα ιόντων λιθίου είναι η μικρότερη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας μέσα σε ένα πακέτο.Η ελάχιστη τάση μιας κυψέλης ιόντων λιθίου μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο 2.5V (για κυψέλες LFP) και η μέγιστη τάση μπορεί να είναι τόσο υψηλή όσο 4,3V για χημικές NMC.
Τα κύτταρα συνδέονται παράλληλα για να αυξήσουν το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αντληθεί από το πακέτο.
Σε γενικές γραμμές, τα κύτταρα μέσα σε ένα υπερκύτταρο ισορροπούν από μόνα τους και δεν υπάρχει ανάγκη περαιτέρω διαχείρισής τους.Οι εξαιρέσεις μπορούν να περιλαμβάνουν νέες χημικές ουσίες όπως θείο λιθίου και χημικές ουσίες με επίπεδη κατάσταση φορτίου έναντι καμπυλών τάσης που λειτουργούν σε ακραίες συνθήκες C-rate όπως φωσφορικό λιθιοσιδή.
Τα υπερκύτταρα συνδέονται σε σειρά για να σχηματίσουν μια χορδή.που είναι απαραίτητο σε εφαρμογές υψηλής ισχύος για την αποτροπή διαφορετικά εξαιρετικά υψηλών ρεύματος λειτουργίας.
Όταν προστίθενται κύτταρα σε μια διαμόρφωση μπαταρίας, η ενεργειακή χωρητικότητα αυξάνεται.όπως και η σύνδεση ενός επιπλέον υπερκύτταρου σε σειρά.
Τύποι BMS
Προσέγγιση εξισορρόπησης
Η παθητική εξισορρόπηση συγχρονίζει τις τάσεις των κυττάρων στο τέλος της διαδικασίας φόρτισης διαλύοντας την ενέργεια, η οποία θα είχε πάει σε πλήρως φορτισμένα κύτταρα, ως θερμότητα μέσω αντίστοιχων.Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι το χαμηλό κόστος των εξαρτημάτων του ηλεκτρονικού εξοπλισμού..
Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν το γεγονός ότι όλα τα κύτταρα εκτίθενται στο ίδιο ρεύμα, πράγμα που σημαίνει ότι τα πιο αδύναμα κυψέλια που συνδέονται σε σειρά περιορίζουν την ενέργεια, την ισχύ, τη διάρκεια ζωής και την ασφάλεια ολόκληρης της μπαταρίας.Η αποδόμηση των κυττάρων επιταχύνεται, δεδομένου ότι το ρεύμα στα ασθενέστερα κύτταρα είναι υψηλότερο σε σχέση με την ικανότητά τους, η οποία μπορεί επίσης να προκαλέσει τοπικά σημεία καύσης που μπορεί να οδηγήσουν σε μείωση της ισχύος της μπαταρίας ή ακόμη και σε ζητήματα ασφάλειας.Το παθητικό BMS μπορεί μόνο να παρακολουθεί το ρεύμα του πακέτου και να το διακόπτει μέσω ενός διακόπτη αποσύνδεσης σε περίπτωση βλάβης.
Εάν εφαρμόζεται αμφίδρομη ροή πληροφοριών, οι παραμέτροι σε επίπεδο συστήματος, όπως οι ρυθμίσεις λειτουργίας, μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να δοθεί προτεραιότητα είτε στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας είτε στις επιδόσεις.Η διάρκεια ζωής δίνεται προτεραιότητα μειώνοντας το λειτουργικό παράθυρο σε βάρος της διαθέσιμης ενέργειας ή ισχύος, ενώ η απόδοση δίνεται προτεραιότητα με τη διεύρυνση του παράθυρου λειτουργίας, εις βάρος της διάρκειας ζωής της μπαταρίας.
Η ενεργητική εξισορρόπηση εφαρμόζεται συνήθως μέσω κυκλωμάτων παράκαμψης χαμηλού ρεύματος, τα οποία κατευθύνουν χαμηλά ρεύματα φόρτισης σε κύτταρα που δεν είναι ακόμη φορτισμένα, αντί να εξαλείφουν την ενέργεια ως θερμότητα.Το κύριο όφελος αυτής της προσέγγισης είναι η βελτίωση της αποδοτικότητας της φόρτισης, η οποία μπορεί να είναι σημαντική εάν η διαθέσιμη ενέργεια φόρτισης πρέπει να χρησιμοποιείται με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο.η ενεργή εξισορρόπηση δεν δικαιολογεί το πρόσθετο κόστος του συστατικού για τα οφέλη που αποφέρειΌπως και με την παθητική εξισορρόπηση, η αποδόμηση των κυττάρων επιταχύνεται από υψηλότερα σχετικά ρεύματα στα ασθενέστερα κύτταρα και μπορεί να σχηματιστούν καυτά σημεία.
Εκτίμηση του κράτους
Η εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης (SoC) και της κατάστασης υγείας (SoH) βασίζεται σε συνδυασμό μοντέλων μπαταρίας και αλγορίθμων εκτίμησης.Το επίπεδο πολυπλοκότητας και ακρίβειας που είναι δυνατό για την εκτίμηση της κατάστασης και τα υποκείμενα μοντέλα μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό, που χρησιμοποιούμε εδώ για να διαφοροποιήσουμε διαφορετικές προσεγγίσεις.
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) χρησιμοποιούνται στα περισσότερα συμβατικά BMS για την εκτίμηση της κατάστασης, τα οποία συχνά αναφέρονται ως "μέτρο καυσίμου".Τα IC είναι καλωδιωμένα με χημικά ειδικά μοντέλα μπαταριών και αλγόριθμους εκτίμησης κατάστασηςΤο πλεονέκτημα των IC είναι ότι είναι χαμηλού κόστους. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν περιορισμένη ευελιξία και ακρίβεια σχεδιασμού συστήματος. Το τελευταίο τείνει να επιδεινώνεται με την πάροδο του χρόνου.Η ευελιξία του σχεδιασμού είναι περιορισμένη, επειδή τα IC δημιουργούνται συνήθως για μια συγκεκριμένη χημεία μπαταρίας με συγκεκριμένες προδιαγραφές..
Εάν αλλάξει η χημεία ή οι προδιαγραφές της μπαταρίας, πρέπει επίσης να αλλάξει το διασταυρωτικό σύστημα και να προσαρμοστεί ο σχεδιασμός. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, που μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τον κατασκευαστή, τις μορφές και τις παρτίδες,Ακόμη και για την ίδια χημεία (ii) η περιορισμένη ισχύς υπολογιστών στα διακόσμια κυκλώματα περιορίζει την πολυπλοκότητα και την πιστότητα των αλγορίθμων εκτίμησης κατάστασης και των υποκείμενων μοντέλων μπαταριών, και (iii) τα χαρακτηριστικά των κυττάρων αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, τα οποία δεν μπορούν να συλληφθούν από αλγόριθμους σκληροσύνδεσης IC, οδηγώντας σε αυξανόμενη ανακρίβεια με την πάροδο του χρόνου.
Οι μικροεπεξεργαστές μπορούν να προγραμματιστούν με πιο περίπλοκα μοντέλα μπαταριών υψηλότερης πιστότητας και αλγόριθμους εκτίμησης κατάστασης,που μπορούν να προσαρμοστούν για να λαμβάνουν υπόψη ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και προδιαγραφές κυττάρωνΟι μεταβαλλόμενες ιδιότητες των κυψελών μπορούν να προσαρμοστούν με την ενημέρωση των παραμέτρων των αλγορίθμων εκτίμησης της κατάστασης και των μοντέλων μπαταρίας, γεγονός που διατηρεί τις εξόδους πιο ακριβείς με την πάροδο του χρόνου.Το ίδιο υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάθε τύπο χημείας μπαταρίας ή κατασκευαστήΤο μειονέκτημα μπορεί να είναι το υψηλότερο κόστος των εξαρτημάτων, ανάλογα με την απαιτούμενη λειτουργικότητα και την υπολογιστική ισχύ.
Η ροή πληροφοριών
Η ενιαία ροή πληροφοριών είναι κοινή στα περισσότερα συστήματα μπαταριών: οι ροές πληροφοριών από το BMS σε συστήματα υψηλότερου επιπέδου και διεπαφές χρήστη.λιγότερες πληροφορίες χαμηλού επιπέδου είναι διαθέσιμεςΟι σημαντικότερες πληροφορίες αφορούν την ασφάλεια και την απόδοση και περιλαμβάνουν μετρήσεις όπως το SoC και το SoH.
Η αμφίδρομη ροή πληροφοριών είναι δυνατή εάν το BMS μπορεί να επεξεργαστεί εισροές, όπως αλλαγές στις ρυθμίσεις λειτουργίας (για παράδειγμα, μέγιστη και ελάχιστη επιτρεπόμενη τάση κυψελών ή SoC),ή ακόμη και ενημερώσεις σε μοντέλα μπαταριών ή αλγόριθμους εκτίμησης κατάστασης για τη διατήρηση της ακρίβειας τους, εάν χρησιμοποιούνται μικροελεγκτές.
