Vad är ett batterihanteringssystem?

Definition

Batterihanteringssystem (BMS) är teknologi dedikerad till övervakningen av ett batteripaket, som är en sammansättning av battericeller, elektriskt organiserade i en rad x kolumnmatriskonfiguration för att möjliggöra leverans av riktat spännings- och strömområde under en tidsperiod mot förväntade belastningsscenarier.Tillsynen som en BMS tillhandahåller inkluderar vanligtvis:

• Övervakning av batteriet
• Ger batteriskydd
• Uppskattning av batteriets drifttillstånd
• Kontinuerlig optimering av batteriprestanda
• Rapportera driftstatus till externa enheter

Här innebär termen "batteri" hela paketet;dock tillämpas övervaknings- och kontrollfunktionerna specifikt på enskilda celler, eller grupper av celler som kallas moduler i den övergripande batteripaketet.Uppladdningsbara litiumjonceller har den högsta energitätheten och är standardvalet för batteripaket för många konsumentprodukter, från bärbara datorer till elfordon.Även om de presterar utmärkt, kan de vara ganska oförlåtande om de används utanför ett allmänt tätt säkert operationsområde (SOA), med resultat som sträcker sig från att kompromissa med batteriets prestanda till direkt farliga konsekvenser.BMS har förvisso en utmanande arbetsbeskrivning, och dess övergripande komplexitet och tillsyn kan sträcka sig över många discipliner som elektrisk, digital, kontroll, termisk och hydraulisk.

Hur fungerar batterihanteringssystem?

Batterihanteringssystem har inte en fast eller unik uppsättning kriterier som måste antas.Teknikdesignens omfattning och implementerade funktioner korrelerar i allmänhet med:

• Batteripaketets kostnader, komplexitet och storlek
• Applicering av batteriet och eventuella frågor om säkerhet, livslängd och garanti
• Certifieringskrav från olika myndighetsföreskrifter där kostnader och påföljder är avgörande om otillräckliga funktionella säkerhetsåtgärder är på plats

Det finns många BMS-designfunktioner, med batteripaketskyddshantering och kapacitetshantering är två väsentliga funktioner.Vi kommer att diskutera hur dessa två funktioner fungerar här.Batteripaketskyddshantering har två nyckelområden: elektriskt skydd, vilket innebär att inte tillåta batteriet att skadas genom användning utanför dess SOA, och termiskt skydd, som involverar passiv och/eller aktiv temperaturkontroll för att upprätthålla eller föra in packen i dess SOA.

Elledningsskydd: Ström

Övervakning av batteripaketström och cell- eller modulspänningar är vägen till elektriskt skydd.Den elektriska SOA för alla battericeller är bunden av ström och spänning.Figur 1 illustrerar en typisk litiumjoncell SOA, och en väldesignad BMS kommer att skydda förpackningen genom att förhindra drift utanför tillverkarens cellklassificeringar.I många fall kan ytterligare nedsättning tillämpas för att vistas inom SOA-säkerhetszonen i syfte att främja ytterligare batterilivslängd.

Litiumjonceller har andra strömgränser för laddning än för urladdning, och båda lägena kan hantera högre toppströmmar, om än under korta tidsperioder.Battericellstillverkare anger vanligtvis maximala kontinuerliga laddnings- och urladdningsströmgränser, tillsammans med toppladdnings- och urladdningsströmgränser.En BMS som ger strömskydd kommer säkerligen att applicera en maximal kontinuerlig ström.Detta kan dock föregås för att ta hänsyn till en plötslig förändring av belastningsförhållandena;till exempel ett elfordons abrupta acceleration.En BMS kan inkludera toppströmsövervakning genom att integrera strömmen och efter deltatid, besluta att antingen minska den tillgängliga strömmen eller att avbryta packströmmen helt och hållet.Detta gör att BMS kan ha nästan omedelbar känslighet för extrema strömtoppar, såsom ett kortslutningstillstånd som inte har fångat några inbyggda säkringars uppmärksamhet, men också vara förlåtande för höga toppkrav, så länge som de inte är överdrivna lång.

Skydd för elledning: Spänning

Figur 2 visar att en litiumjoncell måste arbeta inom ett visst spänningsområde.Dessa SOA-gränser kommer slutligen att bestämmas av den inneboende kemin hos den valda litiumjoncellen och temperaturen hos cellerna vid varje given tidpunkt.Dessutom, eftersom alla batteripaket upplever en betydande mängd strömcykler, urladdning på grund av belastningskrav och laddning från en mängd olika energikällor, är dessa SOA-spänningsgränser vanligtvis ytterligare begränsade för att optimera batteriets livslängd.BMS måste veta vad dessa gränser är och kommer att fatta beslut baserat på närheten till dessa trösklar.Till exempel, när man närmar sig högspänningsgränsen, kan en BMS begära en gradvis minskning av laddningsströmmen, eller kan begära att laddningsströmmen avslutas helt om gränsen nås.Emellertid åtföljs denna gräns vanligtvis av ytterligare överväganden om inre spänningshysteres för att förhindra kontrollprat om avstängningströskeln.Å andra sidan, när den närmar sig lågspänningsgränsen, kommer en BMS att begära att viktiga aktiva störande belastningar minskar deras nuvarande krav.I fallet med ett elfordon kan detta utföras genom att minska det tillåtna vridmomentet som är tillgängligt för dragmotorn.Naturligtvis måste BMS göra säkerhetsöverväganden för föraren högsta prioritet samtidigt som batteripaketet skyddas för att förhindra permanent skada.

Värmehanteringsskydd: Temperatur

Till nominellt värde kan det verka som om litiumjonceller har ett brett temperaturdriftsområde, men den totala batterikapaciteten minskar vid låga temperaturer eftersom kemiska reaktionshastigheter saktar ner anmärkningsvärt.När det gäller kapacitet vid låga temperaturer presterar de mycket bättre än bly-syra- eller NiMh-batterier;Men temperaturhantering är av största vikt eftersom laddning under 0 °C (32 °F) är fysiskt problematisk.Fenomenet med plätering av metalliskt litium kan uppstå på anoden under laddning under frysning.Detta är permanent skada och resulterar inte bara i minskad kapacitet, utan celler är mer känsliga för fel om de utsätts för vibrationer eller andra påfrestande förhållanden.En BMS kan kontrollera temperaturen på batteripaketet genom uppvärmning och kylning.

Realiserad termisk hantering är helt beroende av storleken och kostnaden för batteripaketet och prestandamål, designkriterier för BMS och produktenhet, vilket kan inkludera övervägande av riktad geografisk region (t.ex. Alaska mot Hawaii).Oavsett värmartyp är det generellt sett mer effektivt att hämta energi från en extern växelströmskälla eller ett alternativt batteri för att driva värmaren vid behov.Men om elvärmaren har ett blygsamt strömförbrukning, kan energi från primärbatteripaketet sugas upp för att värma sig själv.Om ett termiskt hydrauliskt system implementeras, används en elektrisk värmare för att värma kylvätskan som pumpas och distribueras genom hela packenheten.

BMS designingenjörer har utan tvekan knep inom designbranschen för att droppa in värmeenergi i packningen.Till exempel kan olika kraftelektronik inuti BMS som är avsedd för kapacitetshantering slås på.Även om den inte är lika effektiv som direktuppvärmning, kan den utnyttjas oavsett.Kylning är särskilt viktig för att minimera prestandaförlusten hos ett litiumjonbatteri.Till exempel kanske ett givet batteri fungerar optimalt vid 20°C;om förpackningstemperaturen ökar till 30°C kan dess prestandaeffektivitet minskas med så mycket som 20 %.Om paketet kontinuerligt laddas och laddas vid 45°C (113°F), kan prestandaförlusten stiga till rejäla 50 %.Batteriets livslängd kan också drabbas av för tidigt åldrande och försämring om det ständigt utsätts för överdriven värmeutveckling, särskilt under snabb laddning och urladdning.Kylning uppnås vanligtvis med två metoder, passiv eller aktiv, och båda teknikerna kan användas.Passiv kylning är beroende av rörelse av luftflödet för att kyla batteriet.När det gäller ett elfordon innebär detta att det helt enkelt rör sig på vägen.Det kan dock vara mer sofistikerat än det verkar, eftersom lufthastighetssensorer kan integreras för att strategiskt automatiskt justera avböjande luftdammar för att maximera luftflödet.Implementering av en aktiv temperaturstyrd fläkt kan hjälpa till vid låga hastigheter eller när fordonet har stannat, men allt detta kan göra är att bara utjämna packningen med den omgivande omgivningstemperaturen.I händelse av en stekheta dag kan detta öka den initiala packtemperaturen.Termisk hydraulisk aktiv kylning kan utformas som ett komplementärt system och använder vanligtvis etylenglykol kylvätska med ett specificerat blandningsförhållande, cirkulerat via en elektrisk motordriven pump genom rör/slangar, fördelningsrör, en korsflödesvärmeväxlare (radiator) , och kylplattan sitter mot batteripaketet.En BMS övervakar temperaturerna över paketet och öppnar och stänger olika ventiler för att hålla temperaturen på det totala batteriet inom ett smalt temperaturintervall för att säkerställa optimal batteriprestanda.

Kapacitetshantering

Att maximera ett batteripakets kapacitet är utan tvekan en av de viktigaste batteriprestandafunktionerna som ett BMS tillhandahåller.Om detta underhåll inte utförs kan ett batteripaket så småningom göra sig oanvändbart.Roten till problemet är att ett batteripaket "stack" (serier av celler) inte är helt lika och har i sig något olika läckage- eller självurladdningshastigheter.Läckage är inte ett tillverkarfel utan en batterikemi, även om det statistiskt kan påverkas av små tillverkningsprocessvariationer.Inledningsvis kan ett batteripaket ha väl matchade celler, men med tiden försämras cell-till-cell-likheten ytterligare, inte bara på grund av självurladdning, utan också påverkad av laddnings-/urladdningscykler, förhöjd temperatur och allmänt åldrande i kalendern.Med det förstått, minns tidigare diskussionen om att litiumjonceller fungerar utmärkt, men kan vara ganska oförlåtande om de används utanför en tät SOA.Vi har tidigare lärt oss om nödvändigt elektriskt skydd eftersom litiumjonceller inte hanterar överladdning så bra.När de är fulladdade kan de inte ta emot mer ström, och all extra energi som trycks in i den omvandlas i värme, med spänningen som potentiellt stiger snabbt, möjligen till farliga nivåer.Det är inte en hälsosam situation för cellen och kan orsaka permanent skada och osäkra driftsförhållanden om det fortsätter.

Batteripaketseriens celluppsättning är det som bestämmer den totala packspänningen, och oöverensstämmelse mellan intilliggande celler skapar ett dilemma när man försöker ladda upp valfri stack.Figur 3 visar varför det är så.Om en har en perfekt balanserad uppsättning celler är allt bra eftersom var och en kommer att laddas upp på samma sätt, och laddningsströmmen kan stängas av när den övre 4,0 spänningströskeln nås.Men i det obalanserade scenariot kommer toppcellen att nå sin laddningsgräns tidigt, och laddningsströmmen måste avslutas för benet innan andra underliggande celler har laddats till full kapacitet.

BMS är det som går in och räddar dagen, eller batteripaketet i det här fallet.För att visa hur detta fungerar behöver en nyckeldefinition förklaras.Laddningsläget (SOC) för en cell eller modul vid en given tidpunkt är proportionell mot den tillgängliga laddningen i förhållande till den totala laddningen när den är fulladdad.Således innebär ett batteri som ligger på 50 % SOC att det är 50 % laddat, vilket är besläktat med en bränslemätare.BMS-kapacitetshantering handlar om att balansera variationen av SOC över varje stack i packsammansättningen.Eftersom SOC inte är en direkt mätbar storhet kan den uppskattas med olika tekniker, och själva balanseringsschemat delas i allmänhet in i två huvudkategorier, passiv och aktiv.Det finns många varianter av teman, och varje typ har för- och nackdelar.Det är upp till BMS-designingenjören att bestämma vilket som är optimalt för det givna batteripaketet och dess tillämpning.Passiv balansering är lättast att implementera, samt att förklara det allmänna balanskonceptet.Den passiva metoden gör att varje cell i stapeln har samma laddade kapacitet som den svagaste cellen.Genom att använda en relativt låg ström, transporterar den en liten mängd energi från celler med hög SOC under laddningscykeln så att alla celler laddar till sin maximala SOC.Figur 4 illustrerar hur detta åstadkommes av BMS.Den övervakar varje cell och använder en transistoromkopplare och ett urladdningsmotstånd av lämplig storlek parallellt med varje cell.När BMS känner av att en given cell närmar sig sin laddningsgräns, kommer den att styra överskottsström runt den till nästa cell nedanför på ett top-down sätt.

Balanseringsprocessens ändpunkter, före och efter, visas i figur 5. Sammanfattningsvis balanserar en BMS en batteristack genom att låta en cell eller modul i en stack se en annan laddningsström än packströmmen på något av följande sätt:

• Avlägsnande av laddning från de mest laddade cellerna, vilket ger utrymme för ytterligare laddningsström för att förhindra överladdning, och tillåter de mindre laddade cellerna att ta emot mer laddningsström
• Omdirigering av en del eller nästan all laddningsström runt de mest laddade cellerna, vilket gör att de mindre laddade cellerna kan ta emot laddningsström under en längre tid

Typer av batterihanteringssystem

Batterihanteringssystem sträcker sig från enkla till komplexa och kan omfatta ett brett utbud av olika tekniker för att uppnå sitt främsta direktiv att "ta hand om batteriet."Dessa system kan dock kategoriseras baserat på deras topologi, som relaterar till hur de installeras och fungerar på cellerna eller modulerna över batteripaketet.

Centraliserad BMS-arkitektur

Har en central BMS i batteripaketet.Alla batteripaket är anslutna till det centrala BMS direkt.Strukturen för en centraliserad BMS visas i figur 6. Den centraliserade BMS har vissa fördelar.Den är mer kompakt och tenderar att vara den mest ekonomiska eftersom det bara finns en BMS.Det finns dock nackdelar med ett centraliserat BMS.Eftersom alla batterier är anslutna till BMS direkt, behöver BMS många portar för att ansluta till alla batteripaket.Detta innebär massor av ledningar, kablar, kontakter etc. i stora batteripaket, vilket komplicerar både felsökning och underhåll.

Modulär BMS-topologi

I likhet med en centraliserad implementering är BMS uppdelad i flera duplicerade moduler, var och en med en dedikerad bunt av ledningar och anslutningar till en intilliggande tilldelad del av en batteristapel.Se figur 7. I vissa fall kan dessa BMS-undermoduler ligga under en primär BMS-modulövervakning vars funktion är att övervaka undermodulernas status och kommunicera med kringutrustning.Tack vare den dubblerade modulariteten är felsökning och underhåll enklare, och förlängning till större batteripaket är enkel.Nackdelen är att de totala kostnaderna är något högre, och det kan finnas dubblerade oanvända funktioner beroende på applikationen.

Primär/Underordnad BMS

Konceptuellt liknar den modulära topologin, men i det här fallet är slavarna mer begränsade till att bara vidarebefordra mätinformation, och mastern är dedikerad till beräkning och kontroll, såväl som extern kommunikation.Så även om kostnaderna likt de modulära typerna kan vara lägre eftersom funktionaliteten hos slavarna tenderar att vara enklare, med sannolikt mindre omkostnader och färre oanvända funktioner.

Distribuerad BMS-arkitektur

Skiljer sig avsevärt från de andra topologierna, där den elektroniska hårdvaran och mjukvaran är inkapslade i moduler som gränssnitt till cellerna via buntar av anslutna ledningar.En distribuerad BMS innehåller all elektronisk hårdvara på ett styrkort placerat direkt på cellen eller modulen som övervakas.Detta minskar huvuddelen av kablarna till ett fåtal sensorledningar och kommunikationskablar mellan intilliggande BMS-moduler.Följaktligen är varje BMS mer fristående och hanterar beräkningar och kommunikation efter behov.Men trots denna uppenbara enkelhet gör denna integrerade form felsökning och underhåll potentiellt problematisk, eftersom den finns djupt inuti en sköldmodul.Kostnaderna tenderar också att vara högre eftersom det finns fler BMS i den övergripande batteripaketstrukturen.

Vikten av batterihanteringssystem

Funktionssäkerhet är av högsta vikt i ett BMS.Det är avgörande under laddning och urladdning för att förhindra att spänningen, strömmen och temperaturen för en cell eller modul under övervakande kontroll överskrider definierade SOA-gränser.Om gränsvärdena överskrids under en längre tid, äventyras inte bara ett potentiellt dyrt batteripaket, utan även farliga termiska rusningsförhållanden kan uppstå.Dessutom övervakas lägre spänningströskelgränser också noggrant för skydd av litiumjonceller och funktionell säkerhet.Om Li-ion-batteriet förblir i detta lågspänningstillstånd, kan koppardendriter så småningom växa på anoden, vilket kan resultera i förhöjda självurladdningshastigheter och ge upphov till eventuella säkerhetsproblem.Den höga energitätheten hos litiumjondrivna system kommer till ett pris som lämnar lite utrymme för batterihanteringsfel.Tack vare BMS och litiumjonförbättringar är detta en av de mest framgångsrika och säkra batterikemierna som finns idag.

Batteripaketets prestanda är den näst högsta viktiga egenskapen hos ett BMS, och detta involverar elektrisk och termisk hantering.För att elektriskt optimera den totala batterikapaciteten måste alla celler i paketet vara balanserade, vilket innebär att SOC för intilliggande celler i hela aggregatet är ungefär lika.Detta är exceptionellt viktigt eftersom inte bara optimal batterikapacitet kan uppnås, utan det hjälper till att förhindra allmän försämring och minskar potentiella hotspots från överladdning av svaga celler.Litiumjonbatterier bör undvika urladdning under lågspänningsgränser, eftersom detta kan resultera i minneseffekter och betydande kapacitetsförlust.Elektrokemiska processer är mycket känsliga för temperatur, och batterier är inget undantag.När omgivningstemperaturen sjunker, rullar kapacitet och tillgänglig batterienergi avsevärt.Följaktligen kan en BMS koppla in en extern in-line-värmare som sitter på t.ex. vätskekylsystemet i ett batteripaket för ett elfordon, eller påslagna inbyggda värmeplattor som är installerade under moduler i ett paket inbyggt i en helikopter eller annan flygplan.Dessutom, eftersom laddning av kyliga litiumjonceller är skadligt för batteriets livslängd, är det viktigt att först höja batteritemperaturen tillräckligt.De flesta litiumjonceller kan inte snabbladdas när de är lägre än 5°C och bör inte laddas alls när de är under 0°C.För optimal prestanda under typisk operativ användning säkerställer BMS termisk hantering ofta att ett batteri fungerar inom ett smalt Goldilocks-område (t.ex. 30 – 35°C).Detta säkrar prestanda, främjar längre livslängd och främjar ett hälsosamt, pålitligt batteripaket.

Fördelarna med batterihanteringssystem

Ett helt batterienergilagringssystem, ofta kallat BESS, kan bestå av tiotals, hundratals eller till och med tusentals litiumjonceller strategiskt packade, beroende på applikation.Dessa system kan ha en spänning på mindre än 100V, men kan vara så hög som 800V, med packmatningsströmmar som sträcker sig så högt som 300A eller mer.All misskötsel av ett högspänningspaket kan utlösa en livshotande, katastrofal katastrof.Därför är BMS helt avgörande för att säkerställa säker drift.Fördelarna med BMS kan sammanfattas enligt följande.

• Funktionell säkerhet.Utan tvekan, för storformat litiumjonbatterier är detta särskilt försiktigt och viktigt.Men även mindre format som används i till exempel bärbara datorer har varit kända för att fatta eld och orsaka enorma skador.Personlig säkerhet för användare av produkter som innehåller litiumjondrivna system lämnar lite utrymme för batterihanteringsfel.
• Livslängd och tillförlitlighet.Batteripaketskyddshantering, elektriskt och termiskt, säkerställer att alla celler används inom de deklarerade SOA-kraven.Denna känsliga tillsyn säkerställer att cellerna tas om hand mot aggressiv användning och snabb laddning och urladdning, och resulterar oundvikligen i ett stabilt system som potentiellt kommer att ge många år av tillförlitlig service.
• Prestanda och räckvidd.BMS-batteripaketkapacitetshantering, där cell-till-cell-balansering används för att utjämna SOC för intilliggande celler över packaggregatet, tillåter optimal batterikapacitet att realiseras.Utan denna BMS-funktion för att ta hänsyn till variationer i självurladdning, laddnings-/urladdningscykler, temperatureffekter och allmänt åldrande, skulle ett batteripaket så småningom kunna göra sig oanvändbart.
• Diagnostik, datainsamling och extern kommunikation.Tillsynsuppgifter inkluderar kontinuerlig övervakning av alla battericeller, där dataloggning kan användas av sig själv för diagnostik, men är ofta avsedd för uppgiften för beräkning att uppskatta SOC för alla celler i sammansättningen.Denna information används för att balansera algoritmer, men kan kollektivt vidarebefordras till externa enheter och skärmar för att indikera den tillgängliga energin i boendet, uppskatta förväntad räckvidd eller räckvidd/livslängd baserat på aktuell användning och ge batteripaketets hälsotillstånd.
• Kostnads- och garantireduktion.Införandet av en BMS i en BESS ökar kostnader, och batteripaket är dyra och potentiellt farliga.Ju mer komplicerat systemet är, desto högre säkerhetskrav, vilket resulterar i behovet av mer BMS-övervakning.Men skyddet och det förebyggande underhållet av ett BMS avseende funktionell säkerhet, livslängd och tillförlitlighet, prestanda och räckvidd, diagnostik etc. garanterar att det kommer att sänka de totala kostnaderna, inklusive de som är relaterade till garantin.

Batterihanteringssystem och Synopsys

Simulering är en värdefull allierad för BMS-design, särskilt när den används för att utforska och hantera designutmaningar inom hårdvaruutveckling, prototypframställning och testning.Med en exakt litiumjoncellmodell i spel är simuleringsmodellen för BMS-arkitekturen den körbara specifikationen som erkänns som den virtuella prototypen.Dessutom möjliggör simulering smärtfri undersökning av varianter av BMS-övervakningsfunktioner mot olika batteri- och miljöscenarier.Implementeringsproblem kan upptäckas och undersökas mycket tidigt, vilket gör att prestanda- och funktionssäkerhetsförbättringar kan verifieras innan implementering på den verkliga hårdvaruprototypen.Detta minskar utvecklingstiden och hjälper till att säkerställa att den första hårdvaruprototypen blir robust.Dessutom kan många autentiseringstester, inklusive värsta scenarier, utföras av BMS och batteripaket när de utövas i fysiskt realistiska inbyggda systemapplikationer.

Synopsys SaberRDerbjuder omfattande elektriska, digitala, kontroll- och termiska hydrauliska modellbibliotek för att ge ingenjörer som är intresserade av BMS och batteripaketdesign och utveckling.Det finns verktyg för att snabbt generera modeller från grundläggande databladsspecifikationer och mätkurvor för många elektroniska enheter och olika batterikemityper.Statistiska, stress- och felanalyser tillåter verifiering över spektrum av verksamhetsområdet, inklusive gränsområden, för att säkerställa övergripande BMS-tillförlitlighet.Dessutom erbjuds många designexempel för att göra det möjligt för användare att kickstarta ett projekt och snabbt nå de svar som behövs från simulering.