Оптимизиране на енергията: Подробен поглед върху системите за управление на батерии (BMS)

В един все по-електрифициран свят ефективната и безопасна работа на батерийните системи е от първостепенно значение. От електрически превозни средства (ЕПС) и съхранение на възобновяема енергия до преносима електроника и захранване в мрежов мащаб, батериите са крайъгълният камък на нашия съвременен енергиен пейзаж. В основата на всяка високопроизводителна батерийна система се крие критичен компонент: системата за управление на батерии (BMS).

Какво е система за управление на батерии (BMS)?

Системата за управление на батерии (BMS) е електронна система, която управлява акумулаторна батерия (клетка или батериен пакет), като я предпазва от работа извън безопасната й работна зона, следи състоянието й, изчислява вторични данни, докладва тези данни, контролира средата й, удостоверява я и/или я балансира. По същество това е мозъкът на батерийния пакет, който осигурява оптимална производителност, безопасност и дълготрайност. BMS не е просто отделен хардуерен компонент; това е сложна система, която интегрира хардуер и софтуер за управление на различни аспекти на работата на батерията.

Основни функции на BMS

Основните функции на една BMS могат да бъдат най-общо категоризирани, както следва:

• Мониторинг на напрежението: Непрекъснато следи напрежението на отделните клетки и на целия батериен пакет. Открива състояния на пренапрежение и ниско напрежение, които могат да повредят батерията.
• Мониторинг на температурата: Проследява температурата на клетките на батерията и на околната среда. Предотвратява прегряване и замръзване, които могат да влошат производителността и продължителността на живота.
• Мониторинг на тока: Измерва тока, който влиза и излиза от батерийния пакет. Открива състояния на свръхток, които могат да причинят повреда или дори пожар.
• Оценка на състоянието на заряд (SOC): Оценява оставащия капацитет на батерийния пакет. Предоставя на потребителите точна информация за нивото на заряд на батерията. Точната оценка на SOC е от решаващо значение за приложения като електрическите превозни средства, където безпокойството за пробега е основен проблем. За оценка на SOC се използват различни алгоритми, като например броене на Кулони, филтриране на Калман и техники за машинно обучение.
• Оценка на състоянието на изправност (SOH): Оценява цялостното здраве и състояние на батерийния пакет. Показва способността на батерията да осигурява номиналния си капацитет и мощност. SOH е критичен показател за прогнозиране на продължителността на живота на батерията и за планиране на подмяната й. Факторите, които се вземат предвид при оценката на SOH, включват намаляване на капацитета, увеличаване на вътрешното съпротивление и степен на саморазреждане.
• Балансиране на клетки: Изравнява напрежението и заряда на отделните клетки в батерийния пакет. Увеличава максимално капацитета и продължителността на живота на пакета. Балансирането на клетките е особено важно при литиево-йонните батерии, където различията в характеристиките на клетките могат да доведат до дисбаланс с течение на времето. Съществуват два основни вида балансиране на клетки: пасивно и активно.
• Защита: Осигурява защита срещу пренапрежение, ниско напрежение, свръхток, прегряване и късо съединение. Осигурява безопасна работа на батерийния пакет и предотвратява повреди.
• Комуникация: Комуникира с други системи, като например управляващия блок на превозното средство или станция за зареждане. Предоставя информация за състоянието и производителността на батерията. Често използваните комуникационни протоколи включват CAN bus, UART и SMBus.

Типове BMS

Системите BMS могат да бъдат категоризирани въз основа на тяхната архитектура и функционалност:

Централизирана BMS

При централизираната BMS един-единствен контролен блок следи и управлява всички клетки на батерията в пакета. Тази архитектура е сравнително проста и рентабилна, но може да бъде по-малко гъвкава и мащабируема.

Разпределена BMS

При разпределената BMS всяка клетка или модул на батерията има собствен блок за наблюдение и управление. Тези блокове комуникират с централен контролер, за да координират цялостното управление на батерийния пакет. Тази архитектура предлага по-голяма гъвкавост, мащабируемост и резервираност, но обикновено е по-скъпа.

Модулна BMS

Модулната BMS съчетава елементи както на централизираната, така и на разпределената архитектура. Тя се състои от няколко модула, всеки от които управлява група клетки, като централен контролер координира модулите. Тази архитектура предлага добър баланс между цена, гъвкавост и мащабируемост.

Техники за балансиране на клетки

Балансирането на клетките е ключова функция на BMS, която осигурява оптимална производителност и дълъг живот на батерийния пакет. Дисбаланс между клетките може да възникне поради производствени отклонения, температурни градиенти и неравномерни модели на използване. Балансирането на клетките има за цел да изравни напрежението и заряда на отделните клетки, като предотвратява презареждане и прекомерно разреждане, които могат да доведат до деградация и повреда на клетките.

Пасивно балансиране

Пасивното балансиране е проста и рентабилна техника, която използва резистори за разсейване на излишната енергия от по-силните клетки. Когато една клетка достигне определен праг на напрежение, към нея се свързва резистор, който разсейва излишната енергия под формата на топлина. Пасивното балансиране е ефективно за изравняване на клетките по време на процеса на зареждане, но може да бъде неефективно поради загубата на енергия.

Активно балансиране

Активното балансиране е по-сложна техника, която прехвърля заряд от по-силни към по-слаби клетки. Това може да се постигне с помощта на кондензатори, индуктори или DC-DC преобразуватели. Активното балансиране е по-ефективно от пасивното и може да балансира клетките както по време на зареждане, така и по време на разреждане. То обаче е и по-сложно и по-скъпо.

Ключови компоненти на BMS

Типичната BMS се състои от следните ключови компоненти:

• Микроконтролер: Мозъкът на BMS, отговорен за обработката на данни, изпълнението на алгоритми и управлението на различните функции на системата.
• Сензори за напрежение: Измерват напрежението на отделните клетки и на целия батериен пакет.
• Температурни сензори: Измерват температурата на клетките на батерията и на околната среда. За измерване на температурата обикновено се използват термистори.
• Сензори за ток: Измерват тока, който влиза и излиза от батерийния пакет. За измерване на ток обикновено се използват сензори с ефект на Хол и шунтови резистори.
• Схеми за балансиране на клетки: Прилагат стратегията за балансиране на клетките - пасивна или активна.
• Комуникационен интерфейс: Позволява комуникация с други системи, като например управляващия блок на превозното средство или станция за зареждане.
• Защитни схеми: Осигуряват защита срещу пренапрежение, ниско напрежение, свръхток, прегряване и късо съединение. За защита обикновено се използват предпазители, прекъсвачи и MOSFET транзистори.
• Контактор/Реле: Превключвател, който се използва за изключване на батерийния пакет от товара в случай на повреда или аварийна ситуация.

Приложения на BMS

Системите BMS са от съществено значение в широк спектър от приложения, включително:

Електрически превозни средства (ЕПС)

В електромобилите BMS играе решаваща роля за осигуряване на безопасността, производителността и дълготрайността на батерийния пакет. Тя следи напрежението, температурата и тока на клетките на батерията, оценява SOC и SOH и извършва балансиране на клетките. BMS също така комуникира с управляващия блок на автомобила, за да предостави информация за състоянието и производителността на батерията. Tesla, BYD и Volkswagen са примери за компании, които разчитат в голяма степен на усъвършенствани BMS за своите паркове от електромобили.

Съхранение на възобновяема енергия

Системите BMS се използват в системите за съхранение на слънчева и вятърна енергия за управление на зареждането и разреждането на батериите. Те гарантират, че батериите се експлоатират в рамките на безопасните им работни граници и увеличават максимално продължителността на живота им. Интегрирането на възобновяеми енергийни източници често изисква мащабни решения за съхранение на батерии, което прави BMS още по-критични. Компании като Sonnen и LG Chem са значими играчи в този сектор.

Съхранение на енергия в мрежов мащаб

Мащабни системи за съхранение на енергия от батерии се внедряват за стабилизиране на мрежата, подобряване на качеството на електроенергията и осигуряване на резервно захранване. Системите BMS са от съществено значение за управлението на тези големи батерийни пакети и за осигуряването на тяхната безопасна и надеждна работа. Примери за това са проекти на Fluence и Tesla Energy. Мащабното съхранение на енергия от батерии може да спомогне за намаляване на зависимостта от изкопаеми горива и за подобряване на цялостната устойчивост на енергийната мрежа.

Преносима електроника

BMS се използват в лаптопи, смартфони, таблети и други преносими електронни устройства за управление на зареждането и разреждането на батериите. Те предпазват батериите от презареждане, прекомерно разреждане и прегряване, като осигуряват тяхната безопасна и надеждна работа. Макар и по-малки по мащаб в сравнение с приложенията за ЕПС или за съхранение в мрежата, BMS в преносимата електроника са жизненоважни за безопасността на потребителите и за дълготрайността на устройствата. Apple и Samsung са известни компании в този сектор.

Аерокосмическа промишленост

В аерокосмическите приложения BMS са от решаващо значение за управлението на батериите в самолети и сателити. Тези системи изискват висока надеждност и производителност при екстремни условия, което прави проектирането на BMS особено предизвикателно. Строгите разпоредби за безопасност и изискванията за производителност са от първостепенно значение в аерокосмическите приложения. Компании като Boeing и Airbus използват усъвършенствани BMS технологии.

Медицински изделия

Медицинските изделия, като пейсмейкъри и дефибрилатори, разчитат на батерии за работа. BMS са от съществено значение за осигуряване на надеждната работа на тези батерии и за защита на пациентите от увреждане. Високите стандарти за надеждност и безопасност са от решаващо значение в медицинските приложения. Компании като Medtronic и Boston Scientific използват специализирани BMS за своите медицински устройства.

Предизвикателства при проектирането на BMS

Проектирането на BMS е сложно инженерно предизвикателство. Някои от основните предизвикателства включват:

• Точност на оценката на SOC и SOH: Точната оценка на SOC и SOH е от решаващо значение за оптимизиране на производителността на батерията и прогнозиране на продължителността на живота й. Тези оценки обаче са предизвикателство поради сложното електрохимично поведение на батериите и влиянието на различни фактори, като температура, ток и стареене.
• Сложност на балансирането на клетките: Прилагането на ефективни стратегии за балансиране на клетките може да бъде сложно, особено при големи батерийни пакети. Техниките за активно балансиране предлагат по-добра производителност, но са по-сложни и по-скъпи от пасивното балансиране.
• Термично управление: Поддържането на батерийния пакет в оптимален температурен диапазон е от решаващо значение за производителността и продължителността на живота. Термичното управление обаче може да бъде предизвикателство, особено при приложения с висока мощност. BMS често се интегрира със системи за термично управление за контрол на охлаждането или отоплението.
• Безопасност: Осигуряването на безопасността на батерийния пакет е от първостепенно значение. BMS трябва да предпазва от различни аварийни състояния, като пренапрежение, ниско напрежение, свръхток, прегряване и късо съединение.
• Цена: Балансирането между производителност, безопасност и цена е ключово предизвикателство при проектирането на BMS. BMS трябва да бъде рентабилна, като същевременно отговаря на изискваните спецификации за производителност и безопасност.
• Стандартизация: Липсата на стандартизирани протоколи и интерфейси затруднява интегрирането на BMS с други системи. В ход са усилия за стандартизация за решаване на този проблем.

Бъдещи тенденции при BMS

Областта на BMS непрекъснато се развива. Някои от основните тенденции, които оформят бъдещето на BMS, включват:

• Усъвършенствани алгоритми за оценка на SOC и SOH: Машинното обучение и изкуственият интелект (ИИ) се използват за разработване на по-точни и надеждни алгоритми за оценка на SOC и SOH. Тези алгоритми могат да се учат от данните за батерията и да се адаптират към променящите се работни условия.
• Безжична BMS: Разработват се безжични BMS, за да се намали сложността на окабеляването и да се подобри гъвкавостта. Тези системи използват безжична комуникация за предаване на данни от клетките на батерията към централния контролер.
• Облачно-базирана BMS: Облачно-базираните BMS позволяват дистанционно наблюдение и управление на батерийни системи. Това дава възможност на операторите на автопаркове да проследяват работата на своите батерии и да оптимизират стратегиите си за зареждане и разреждане.
• Интегрирана BMS: Интегрираните BMS комбинират функционалността на BMS с други функции, като например термично управление и преобразуване на енергия. Това може да намали общите разходи и сложността на системата.
• Твърдотелни батерии: С навлизането на твърдотелните батерии, BMS ще трябва да се адаптират към техните уникални характеристики и изисквания. Твърдотелните батерии предлагат по-висока енергийна плътност и подобрена безопасност в сравнение с традиционните литиево-йонни батерии.
• Предсказуема поддръжка, задвижвана от ИИ: ИИ може да анализира данните от BMS, за да предвиди потенциални повреди на батерията и да планира поддръжката проактивно. Това свежда до минимум времето на престой и удължава живота на батерията.

Заключение

Системите за управление на батерии са незаменими за осигуряване на безопасна, ефективна и надеждна работа на съвременните батерийни системи. С непрекъснатото развитие на технологиите за батерии ще се развива и сложността и значението на BMS. От електрическите превозни средства до съхранението на възобновяема енергия, BMS играят решаваща роля за осъществяването на по-чисто и по-устойчиво енергийно бъдеще. Разбирането на основните функции, видове, предизвикателства и бъдещи тенденции в BMS е от съществено значение за всеки, който участва в проектирането, разработването или внедряването на системи, захранвани с батерии. Възприемането на иновациите в технологията на BMS ще бъде от решаващо значение за максималното оползотворяване на потенциала на батериите и за ускоряване на прехода към по-електрифициран свят. Разработването на стабилни и интелигентни BMS ще бъде ключов фактор за успеха на бъдещите технологии за съхранение на енергия.

Отказ от отговорност: Тази публикация в блога е само с информационна цел и не представлява професионален инженерен съвет. Консултирайте се с квалифицирани специалисти за конкретно проектиране и внедряване на системи за управление на батерии.