Wie man ein BMS, das Gehirn eines Batteriespeichersystems entwirft

Batterieenergiespeichersysteme werden in die in zunehmendem Maße fordernden Marktlagen gelegt und stellen eine breite Palette von Anwendungen bereit. Es würde eine Frage wert die Diskussion das sein, wie man ein Batteriemanagementsystem (BMS) errichtet das lange Lebenszeiten, Vielseitigkeit und Verfügbarkeit sicherstellt.

Jede moderne Batterie benötigt ein Batteriemanagementsystem (BMS), das eine Kombination von Elektronik und von Software ist, und tritt als das Gehirn der Batterie auf. Dieser Artikel konzentriert sich auf BMS-Technologie für stationäre Energiespeichersysteme. Die grundlegendsten Funktionalitäten des BMS sind, zu überprüfen, ob Sammlerzellen ausgeglichen und sicher bleiben, und wichtige Informationen, wie verfügbare Energie, werden an den Benutzer oder die verbundenen Systeme weitergeleitet.

Das Balancieren ist erforderlich, weil Batterieanlagen Hunderte, manchmal Tausenden von den einzelnen Zellen bestehen, denen alle die etwas verschiedenen Kapazitäten und die Widerstände haben. Diese Unterschiede erhöhen sich im Laufe der Zeit, während die Zellen mit unterschiedlicher Rate vermindern. Wenn die Zellen nicht mindestens gelegentlich balanciert werden, treiben ihre Spannungen bald auseinander in einem Umfang, dass die Batteriekapazität unbrauchbar wird.

Sicherheit wird sichergestellt, indem man die Zellen innerhalb der sicheren funktionierenden Grenzen auf Spannung, Strom und Temperatur hält, die für Lithium-Ionen-Batterien besonders wichtig ist. Wenn Zellen überladen herausgestellt erhalten, aufgeladen bei den sehr niedrigen Temperaturen, oder übermäßigen Strom oder Temperaturen, konnten sie Störungen entwickeln, die möglicherweise zu Feuer oder Explosionen führen.

Informationen wie verfügbare Energie und Energie können nicht direkt gemessen werden, die bedeutet, dass das BMS sie berechnen muss basiert auf Maßen der Spannung, des Stroms und der Temperatur. Diese Berechnung wird Zustandsschätzung genannt und die Ergebnisse werden an hochgradige Systeme, einschließlich Benutzerschnittstellen weitergeleitet.

Bevor wir BMS-Entwurfserwägungen ausführlicher betrachten, ist es, die verschiedenen Arten von BMS und von Industrieanforderungen zu beschreiben, die Entwurfswahlen informieren. Die balancierende Annäherung wird gewöhnlich verwendet, um BMS-Arten, obgleich andere Entwurfsaspekte wichtige Rollen spielen, wie verschiedene Ansätze zur Zustandsschätzung und zu den Informationsflüssen zu klassifizieren.

Grundlegender Satz-Bau

Zellen oder elektrochemische Zellen, wie Lithiumionenzellen sind- der kleinste Energieeinheitsspeicher innerhalb eines Satzes. Sie kommen in verschiedene körperliche Größen, die sich direkt auf ihrer Kapazität beziehen. Die Mindestspannung einer Lithium-Ionenzelle kann so niedrig sein, wie 2.5V (für LFP-Zellen) und die maximale Spannung wie so hoch sein können 4.3V für NMC-Chemie.

Zellen werden parallel angeschlossen, um den maximalen Strom zu erhöhen, der vom Satz gezeichnet werden kann. Eine Gruppe Parallelzellen werden eine Superzelle genannt.

Im allgemeinen werden die Zellen innerhalb einer Superzelle Selbstbalance und es gibt keinen Bedarf, sie weiter zu handhaben. Ausnahmen können neue Chemie wie Lithiumschwefel und Chemie mit flachem Ladezustand gegen die Spannungskurven umfassen, die in den extremen Kistenbedingungen wie Lithiumeisenphosphat bearbeitet werden.

Superzellen werden in der Reihe geschaltet, um eine Schnur zu bilden. Ein Batteriesatz besteht normalerweise aus einer einzelnen Schnur. Anschließende Superzellen in den Reihenzunahmen die Spannung des Satzes, der notwendig in den Anwendungen der hohen Leistung ist, um andernfalls extrem hohen Betriebsstrom zu verhindern.

Wenn Zellen einer Batteriesatzkonfiguration, die Energiekapazitätserweiterungen hinzugefügt werden. Deshalb erhöht das Hinzufügen von parallelen Zellen einer Superzelle die Energiekapazität des Satzes, wie tut, eine zusätzliche Superzelle in der Reihe anschließend.

BMS-Arten

Balancierende Annäherung

Das passive Balancieren synchronisiert Zellspannungen am Ende des Gebührenprozesses, indem es Energie, die in völlig belastete Zellen eingestiegen sein würde, als Hitze über Widerstände zerstreut. Der Vorteil dieser Annäherung ist die niedrigen Teilkosten der Elektronik.

Nachteile umfassen, dass alle Zellen dem gleichen Strom ausgesetzt werden, also bedeutet es, dass die schwächsten in Reihe geschalteten Zellen die Energie, die Energie, die Lebenszeit und die Sicherheit der ganzen Batterie begrenzen. Zellverminderung wird beschleunigt, da der Strom auf schwächeren Zellen im Verhältnis zu ihrer Kapazität höher ist, die kann lokalisierte brenzlige Stellen auch verursachen, führen die möglicherweise zu das Herabsetzen der Batterieleistung oder sogar der Sicherheitsfragen. Außerdem wird Energie während des Aufladungsprozesses vergeudet. Das passive BMS kann den gegenwärtigen Satz nur überwachen und ihn über einen Trennungsschalter im Falle einer Störung unterbrechen.

Wenn bidirektionaler Informationsfluss eingeführt wird, System-stufige Parameter wie Betriebseinstellungen werden geändert möglicherweise, um entweder der Batterielebenszeit oder -leistung zu geben. der Lebenszeit wird gegeben, indem man das Betriebsfenster auf Kosten von verfügbarer Energie oder Energie, während der Leistung gegeben wird, indem man das Betriebsfenster verbreitert, auf Kosten von Batteriedauer verringert.

Das aktive Balancieren wird gewöhnlich über niedrig-gegenwärtige Reserveversorgungsventile eingeführt, die direkte niedrige Ladeströme zu den Zellen, die nicht noch aufgeladen werden, eher als, die Energie als Hitze zerstreuend. Der Hauptnutzen dieser Annäherung ist, Aufladungsleistungsfähigkeit zu verbessern, die möglicherweise wichtig ist, wenn die verfügbare Aufladungsenergie so leistungsfähig verwendet werden muss, wie möglich. Für die meisten Anwendungen jedoch rechtfertigt das aktive Balancieren nicht die zusätzlichen Teilkosten für den Nutzen, den sie erbringen. Wie mit dem passiven Balancieren wird Zellverminderung durch höhere relative Strom auf schwächeren Zellen beschleunigt und brenzlige Stellen möglicherweise bilden sich.

Zustandsschätzung

Schätzung des Ladezustandes (Soc) und des Gesundheitszustandes (SoH) basiert auf einer Kombination von Körperverletzungsmodellen und von Schätzungsalgorithmen. Das Entwicklungsniveau und Genauigkeit, die für Zustandsschätzung und zugrunde liegende Körperverletzungsmodelle möglich ist, hängt stark von der Hardware ab, der wir hier pflegen, um verschiedene Ansätze zu unterscheiden.

Integrierte Schaltungen (IC) werden im meisten herkömmlichen BMSs für Zustandsschätzung benutzt, die gekennzeichnet häufig als ‚Tankanzeige‘. IC werden mit Chemie-spezifischen Batteriemodellen und Zustandsschätzungsalgorithmen ‚fest verdrahtet‘. Der Vorteil von IC ist, dass sie niedrig Kosten. Die Nachteile umfassen begrenzte Systemdesignflexibilität und -genauigkeit. Das letztere neigt, schlechter im Laufe der Zeit zu erhalten. Entwurfsflexibilität ist begrenzt, weil IC gewöhnlich für eine bestimmte Batteriechemie mit bestimmten Spezifikationen geschaffen werden.

Wenn die Batteriechemie oder -spezifikationen ändern, muss IC auch geändert werden und der Entwurf passte sich an. Die Gründe für die begrenzte und verschlechternde Genauigkeit sind (i) Zustandsschätzung auf IC basiert auf generalisierten Darstellungen der Batteriechemie und worden gefangennimmt nicht das nuancierte thermodynamische und dynamische Eigenschaften von Zellen, die zwischen Hersteller, Formate und Reihen sich unterscheiden können, sogar für die gleiche begrenzte Rechenleistung der Chemie (ii) auf IC begrenzt die Komplexität und die Treue von Zustandsschätzungsalgorithmen und von zugrunde liegenden Batteriemodellen, und (iii) Zelleigenschaften ändern im Laufe der Zeit, die nicht durch fest verdrahtete IC-Algorithmen gefangen genommen werden können und im Laufe der Zeit führen zu zunehmende Ungenauigkeit.

Mikroprozessoren können mit Batteriemodellen den komplexeren, der Hochtreue und den Zustandsschätzungsalgorithmen programmiert werden, die eingestellt werden können, um bestimmte Zelleigenschaften und -spezifikationen zu erklären. Die ändernden Zelleigenschaften können untergebracht werden, indem man die Parameter der Zustandsschätzungsalgorithmen und der Batteriemodelle aktualisiert, der Ertrag genauer im Laufe der Zeit hält. Die gleiche Hardware kann für irgendeine Art Batteriechemie oder -hersteller benutzt werden und entscheidende Entwurfsflexibilität zulassen. Der Nachteil kann höhere Teilkosten, abhängig von der erforderlichen Funktionalität und der Rechenleistung sein.

Informationsfluss

Informationsfluss in einer Richtung ist in den meisten Batterieanlagen allgemein: Informationsflüsse vom BMS zu den hochgradigen Systemen und zu den Benutzerschnittstellen. Wenn das BMS vom Zellhersteller zur Verfügung gestellt wird, neigen weniger niedrige Informationen, verfügbar zu sein, da diese Informationen als empfindlich gelten können. Die wichtigsten Informationen sind Sicherheit und leistungssteigerndes und umfassen Metrik wie Soc und SoH.

Bidirektionaler Informationsfluss ist möglich, wenn das BMS Prozessinput kann um wie Änderungen an den Betriebseinstellungen (zum Beispiel maximale und minimale zulässige Zellspannung oder Soc), oder sogar Aktualisierungen zu den Batteriemodellen oder zu den Zustandsschätzungsalgorithmen, ihre Genauigkeit beizubehalten, wenn Mikroregler benutzt werden.