Система за управление на батерията (BMS)

  За енергетика на завода, който е отговорен за резервната мощност, за когото батерията е последната линия на защита срещу изгчерпване на енергията или прекъсване във веригата за телекомуникация, BMS означава Система за управление на батерията. Такива системи обхващат не само наблюдението и защитата на батерията, но също методи за поддържане в готовност за доставка на пълна мощност при повикване и методи за продължаване на нейния живот. Това включва всичко от управление на зарядния режим до планирана поддръжка.

 За автомобилния механик Системата за управление на батерията е компонент на много по-сложна бързо действаща Система за управление на енергията и трябва да се свързва с други системи на превозното средство като управление на двигателя, управление на климатика, комуникации и системи за безопасност.

Има няколко разновидности на BMS.

Изграждащи блокове на BMS

Има три основни цели, които са общи за всички Системи за управление на батерии

• Да защитават клетките или батериите от повреда

• Да продължат живота на батерията

• Да поддържат батерията в състояние, при което да може да изпълнява функционалните изисквания на приложението, за което е определена.

 За да постигне тези цели, BMS може да включва една или повече от следните функции. (Следвайте линковете, за да видите как тези функции се изпълняват.)

• Cell Protection /Защита на клетката/ Да защитава батерията от недопустими работни условия е основната функция на всички BMS приложения. На практика BMS трябва да осигурява пълна защита на клетката, като покрива почти всички възможни случаи. Когато батерията работи на открито, ограниченията, определени от нейния дизайн, неизбежно ще доведат до отказ на батерията. Освен това неудобство, разходът за смяна на батерията може да бъде непозволен. Това важи особено за батерии с голямо напрежение и акумулатори за автомобили, които трябва да работят при неблагоприятни условия на околната среда и които в същото време са подложени на голямо натоварване от страна на потребителя

• Charge control /Управление на заряда/ Това е важна отличителна черта на BMS. Батериите се повреждат много по-често при неправилно зареждане, отколкото поради някоя друга причина.

• Demand Management /Управление на товара/ Доколкото не е свързано директно с работата на самата батерия, управлението на товара се отнася за приложението, където батерията ще бъде използвана. Неговата цел е да минимизира консумирането на ток на батерията, като проектира енерго-спестяващи техники във веригите на приложенията и по този начин да удължи времето между зарежданията на батерията.

• SOC Determination /Определяне на SOC/ Много приложения изискват да се познава Състоянието на заряда (SOC) на батерията или на отделната клетка във веригата на батерията. Това може да се изисква просто, за да се снабди потребителя с показание за капацитета, останал в батерията, или може да бъде необходимо във верига за управление, за да се осигури оптимално управление на зарядния процес..

• SOH Determination /Определяне на SOH/ Състоянието на здравето (SOH) е мярка за способността на батерията да доставя определената си енергия на изхода. Това е жизнено важно за оценяване готовността на оборудването за аварийно захранване и е индикатор за това, дали са необходими действия за поддръжка.

• Cell Balancing /Балансиране на клетката/ При многоклетъчни вериги на батерии, малки разлики между клетките, дължащи се на допустими отклонения или работни условия, са склонни да се увеличават със всеки цикъл на зареждане/разреждане. По-слабите батерии попадат под пренапрежение по време на зареждането, което ги прави още по-слаби, докато евентуално откажат, причинявайки преждевременно прекъсване на батерията. Балансирането на клетките е начин да се компенсират по-слабите клетки като се изравни зареждането на всички клетки във веригата и по този начин се удължи животът на батерията.

• История – (Функция на дневника) Наблюдаването и съхранението на историята на батерията е друга възможна функция на BMS. Това е необходимо, за да се оцени Състоянието на здравето на батерията, но също за да се определи дали е била подлагана на неправилна употреба. Параметри като брой цикли, максимално и минимално напрежение и температура и максимален ток на зареждане и разреждане могат да бъдат записани за последваща оценка. Това може да бъде важно средство при оценяване претенциите за гаранция.

• Authentication and Identification /Заверка и идентификация/ BMS също дава възможност да се записва информация за клетката като предназначение на типа на производителя и химия на клетката, което може да улесни автоматичното тестване, както и партидата или серийния номер и дата на производство, което улеснява проследимостта в случай на неизправност на клетката.

• Communications /Комуникации/ Повечето BMS системи включват някаква форма на комуникиране между батерията и зарядното устройство или изпитвателното оборудване. Някои имат линкове с други системи, които са свързани с батерията, за да наблюдават нейното състояние или история. Интерфейсите за комуникиране са също необходими, за да осигурят достъп на потребителя до батерията за промяна на контролните параметри на BMS или за диагностициране и изпитание.

BMS на автомобилни акумулаторни батерии

         Управлението на автомобилните акумулаторни батерии е много по-трудно от предните два примера. То трябва да се свърже с много други системи на превозното средство, трябва да работи в реално време при бързо променящи се условия на зареждане и разреждане, тъй като превозното средство се ускорява и спира, и се налага да работи в една груба и неподлежаща на управление околна среда. Този пример описва една сложна система, като илюстрация на това, което е възможно, обаче не всички приложения ще изискват всички функции, които са показани тук.

Функциите на една BMS, подходящи за едно хибридно електрическо превозно средство са както следва:

• Наблюдаване на условията на отделните клетки, които образуват акумулатора

• Поддържане на всички клетки в работните им граници

• Защита на клетките при излизане от допустимите условия

• Осигуряване на механизъм „Безопасност неизправност”/"Fail Safe"/ в случай на неуправляеми условия или неправилна употреба

• Изолиране на батерията в случай на авария

• Компенсиране при нарушаване на баланса в параметрите на клетките във веригата на акумулатора

• Установяване на работната точка на акумулатора, за да могат зарядите при спиране в генераторен режим да бъдат абсорбирани без презареждане на акумулатора.

• Осигуряване на информация на Състоянието на заряда (SOC) на акумулатора. Тази функция често се отнася като „Разходомер за гориво" или "Показател за бензина"

• Осигуряване на информация на Състоянието на здравето (SOH) на акумулатора. Това измерване дава информация за състоянието на един използван акумулатор спрямо един нов акумулатор.

• Осигуряване на информация за таблото на шофьора и аварийните сигнали

• Предвиждане на обхвата, който е възможен с останалия заряд в акумулатора (Само EVs/електрически превозни средства/ изискват това)

• Приемане и изпълнение на инструкции за контрол от свързани системи на превозното средство

• Осигуряване на оптимален алгоритъм на зареждане за зареждане на клетката

• Осигуряване на предварително зареждане, за да може да се извърши изпитване на импеданса на товара преди включване и двуетапно зареждане, за да се ограничат навлизащите токове

• Осигуряване на средства за достъп за зареждане на отделни клетки

• Реагиране на промените в работния режим на превозното средство

• Записи за употреба и неправилна употреба на акумулатора. (Честотата, величината и продължителността извън допустимите условия), известни като Дневник на функциониране

• Авариен "Limp Home Mode/Режим на затруднено движение/" в случай на неизправност на клетката.

В практическите системи BMS може да включва повече функции на превозното средство, вместо само да управлява акумулатора. Тя може да определи желания за превозното средство работен режим, било той ускоряващ, спиращ, бездействащ или спрял, и да изпълни съответните действия за управление на електрическата мощност.

Защита на клетката

Една от приоритетните функции на Системата за управление на батерията е да осигури необходимото наблюдение и управление, за да защити клетките от условия извън допустимите за околната среда или за работа условия. Това е от особена важност при приложението в автомобилите поради трудните условия на работната среда. Както защитата на отделните клетки, системата в автомобила трябва да бъде проектирана да отговаря на външни аварийни условия чрез изолиране на акумулатора, както и чрез адресиране на причината на аварията. Например могат да бъдат включвани охлаждащи вентилатори, ако акумулатора се прегрее. Ако прегряването стане прекалено голямо, акумулатора трябва да се разедини. Дискутират се методи на защита с подробности в раздел Protection /Защита/.

Състояние на заряда на акумулатора (SOC)

Определянето на Състоянието на заряда (SOC) на акумулатора е втората важна функция на BMS. SOC е необходимо не просто да осигури индикация за разходомера на горивото. BMS наблюдава и изчислява SOC за всяка отделна клетка в акумулатора, за да провери дали заряда е еднакъв във всички клетки и дали отделните клетки не са под пренапрежение.

Индикацията SOC също се използва, за да се определи края на циклите на зареждане и разреждане. Презареждането и преразреждането са двете основни причини за неизправност на акумулатора и BMS трябва да поддържа клетката в желаните DOD /depth of discharge - дълбочина на разряда/ работни граници.

Акумулаторите за хибридни превозни средства /HEV/ изискват способност за зареждане на голяма мощност за спиране в генераторен режим и способност за разреждане на голяма мощност за пускане или усилване. По тази причина, техните батерии трябва да се поддържат при SOC, което може да разрежда необходимата мощност, но да има достатъчно място да приема необходимата регенеративна мощност без опасност от презареждане на клетките. За да се зареди напълно акумулатора на HEV за балансиране на клетката (Вижте по-долу), би намалил способността си за приемане на заряд при спиране в генераторен режим и от тук ефективността си на спиране. По-ниската граница е установена да оптимизира икономията на гориво и също да предотвратява преразреждане, което би скъсило живота на акумулатора. Точна информация за SOC, следователно, е необходима за HEVs, за да се запази работата на акумулатора в необходимите безопасни граници.

Работен обхват на акумулатора на HEV /хибридно електрическо превозно средство/

Методи за определяне на SOC са описани в раздел State of Charge /Състояние на заряда/.

Система за управление на акумулатора

Диаграмата по-долу представя концепция за първичните фукции на BMS. Тя показва трите главни конструктивни блока на BMS, Устройството за наблюдение на батерията (BMU), Устройството за управление на батерията (BCU) и комуникативната мрежа на превозно средство CAN и как те се свързват с останалите системи за управление на енергията на превозното средство. Възможни са и други конфигурации в разпределената BMS, положена в клетката на акумулатора към вътрешните връзки на клетката.

На практика BMS може да бъде свързана с други системи на превозното средство, които комуникират в BMS чрез CAN (вижте по-долу) както Системата за управление на термичните процеси или устройствата срещу кражба с взлом, които обездействат батерията. Може да има изисквания към наблюдението и програмирането на системата, и за регистриране на данни с използване на една серийна шина RS232.

Устройство за наблюдение на батерията

Устройството за наблюдение на батерията е микропроцесорно устройство, включващо три функции или подмодули. Тези подмодули не са задължително отделни физически устройства, но са показани тук по отделно за яснота.

Модел на акумулатора

Моделът на акумулатора характеризира в софтуерен алгоритъм поведението на акумулатора като реакция на различни външни и вътрешни условия. Моделът може да използва тези входни величини, за да изчисли състоянието на акумулатора във всеки момент от време.

Важна функция на модела на акумулатора е да изчисли SOC на акумулатора за функциите, отбелязани по-горе. SOC се определя чрез интегриране на потока на тока върху времето, видоизменен да отчита многото фактори, които оказват влияние на функционалността на клетките, след това резултатът се изважда от известния капацитет на напълно заредения акумулатор. Това е описано в подробности в раздела SOC. Моделът на акумулатора може да се използва, за да се отбележи в дневника миналата история за целите на поддръжката или да се предскаже колко мили може да измине превозното средство преди акумулаторът да трябва да бъде зареден отново. Оставащият обхват, на базата на скорошно шофиране или образци за употреба, се изчислява от текущото SOC и консумираната енергия и милите, покрити от предишното зареждане (или алтернативно от предишна средна стойност, получена за по-продължителен период). Изминатото разстояние се получава от данни, осигурени от други датчици на шината CAN (вижте по-долу). Точността на изчислението на обхвата е по-важно за EVs /електрически превозни средства/, чийто единствен източник на мощност е акумулатора. HEVs /хибридните електрически превозни средства/ и велосипедите имат алтернативен източник "Get you home/Да те отведе в къщи/" на мощност, ако батерията остане напълно разредена.

Проблемът от загубване на цялата енергия, когато една единствена клетка е неизправна, може да бъде смекчен с цената на добавяне на четири по-скъпи контактора, които ефективно разделят акумулатора на два отделни блока. Ако една клетка е неизправна, контакторите могат да изолират и да шунтират половината от акумулатора, която съдържа неизправния акумулатора, позволявайки на превозното средство да "докуцука” до в къщи с половин мощност, като използва другата (добра) част на акумулатора.

Изходните сигнали от модела се изпращат на дисплея на превозното средство, което използва шината CAN.

Мултиплексиране
За да се намалят разходите, вместо да се наблюдава всяка клетка паралелно, Устройството за наблюдение на акумулатора включва мултиплексираща архитектура с превключватели на напрежение от всяка клетка (входни двойки) под ред до една единствена аналогова или цифрова изходна линия (виж по-долу). Спестяване на разходи могат да бъдат реализирани като се намали броя аналогови управляващи и/или цифрови вериги и следователно да се сведе броя на компонентите до минимум. Недостък е, че може да се наблюдава напрежението само на една клетка. Необходим е високоскоростен механизъм за превключване, за да се включи изходната линия към всяка клетка, за да могат да се наблюдават всички клетки последователно. 
 

Устройството за наблюдение на акумулатора BMU осигурява също входни сигнали за изчисление на Състоянието на здравето SOH на батерията, обаче тъй като промените на SOH се използват само за да се определи състоянието на здравето SOH, интервалите за вземане на сигнали могат да бъдат сведени до един на ден. Измерванията на импеданса например може даже да бъдат направени, когато превозното средство не е в движение. Броенето на циклите, разбира се, може се извърши, когато превозното средство е в действие.  


Автора на статията е Woodbank Communications Ltd - консултантска фирма, осигуряваща обучение за батерии и системи за управление на батерии за електрически транспортни средства, както и за приложения със съхранение на енергия с голям капацитет.