Batteriespeichersysteme sind in immer anspruchsvolleren Marktbedingungen angesiedelt und bieten eine Vielzahl von Anwendungen.Es wäre eine Diskussionsfrage, wie man ein Batteriemanagementsystem (BMS) aufbaut, das eine lange Lebensdauer gewährleistet., Vielseitigkeit und Verfügbarkeit.
Jede moderne Batterie benötigt ein Batterie-Management-System (BMS), das eine Kombination aus Elektronik und Software darstellt und das Gehirn der Batterie ist.Dieser Artikel konzentriert sich auf die BMS-Technologie für stationäre EnergiespeichersystemeDie grundlegendsten Funktionen des BMS bestehen darin, sicherzustellen, daß die Batteriezellen ausgeglichen und sicher bleiben, und wichtige Informationen, wie z.B. verfügbare Energie,wird an den Benutzer oder die angeschlossenen Systeme weitergeleitet.
Eine Balance ist notwendig, denn Batteriesysteme bestehen aus Hunderten, manchmal Tausenden einzelner Zellen, die alle leicht unterschiedliche Kapazitäten und Widerstände aufweisen.Diese Unterschiede nehmen im Laufe der Zeit zu, da sich die Zellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abbauenWenn die Zellen zumindest gelegentlich nicht ausgeglichen werden, werden ihre Spannungen bald so weit auseinander geraten, daß die Batteriekapazität unbrauchbar wird.
Die Sicherheit wird gewährleistet, indem die Zellen innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen von Spannung, Strom und Temperatur gehalten werden, was für Lithium-Ionen-Batterien besonders wichtig ist.bei sehr niedrigen Temperaturen geladen, oder übermäßigen Strömungen oder Temperaturen ausgesetzt sind, könnten Fehler entstehen, die zu Bränden oder Explosionen führen können.
Informationen wie verfügbare Energie und Leistung können nicht direkt gemessen werden, was bedeutet, dass das BMS berechnen muss Diese Berechnungen werden als Zustandsschätzung bezeichnet und die Ergebnisse werden an die höheren Systeme, einschließlich Benutzeroberflächen, weitergegeben.
Bevor wir uns mit BMS-Konstruktionsüberlegungen ausführlicher befassen, ist es sinnvoll, die verschiedenen Arten von BMS und die Anforderungen der Branche zu beschreiben, die die Konstruktionsentscheidungen beeinflussen.Der Ausgleichsansatz wird typischerweise zur Einstufung von BMS-Typen verwendet., obwohl andere Gestaltungsaspekte eine wichtige Rolle spielen, wie z. B. unterschiedliche Ansätze für staatliche Schätzungen und Informationsströme.
Grundlegende Packkonstruktion
Zellen oder elektrochemische Zellen wie Lithium-Ionen-Zellen sind die kleinste Energie speichernde Einheit in einem Pack. Sie haben verschiedene physikalische Größen, die direkt mit ihrer Kapazität zusammenhängen.Die Mindestspannung einer Lithium-Ionen-Zelle kann so niedrig sein wie 2.5V (für LFP-Zellen) und die maximale Spannung kann bei NMC-Chemikalien bis zu 4,3V betragen.
Zellen werden parallel miteinander verbunden, um den maximalen Strom zu erhöhen, der aus dem Paket gezogen werden kann.
Im Allgemeinen werden die Zellen innerhalb einer Superzelle sich selbst ausbalancieren und es besteht keine Notwendigkeit, sie weiter zu verwalten.Ausnahmen können neuartige Chemikalien wie Lithiumsulfur und Chemikalien mit flachen Ladungszuständen gegenüber Spannungskurven sein, die unter extremen C-Rate-Bedingungen wie Lithium-Eisenphosphat betrieben werden.
Die Superzellen werden in Serie verbunden, um eine Schnur zu bilden.die in Hochleistungsanwendungen notwendig ist, um sonst extrem hohe Betriebsströme zu verhindern.
Wenn Zellen zu einer Batteriepackung hinzugefügt werden, erhöht sich die Energiekapazität.wie auch das Anschließen einer zusätzlichen Superzelle in Serie.
BMS-Typen
Ausgleichsansatz
Das passive Ausgleichssystem synchronisiert die Zellspannungen am Ende des Ladeprozesses, indem Energie, die in voll geladene Zellen gegangen wäre, als Wärme über Widerstände abgeführt wird.Der Vorteil dieses Ansatzes ist die geringe Komponentenkosten der Elektronik..
Zu den Nachteilen gehört, dass alle Zellen demselben Strom ausgesetzt sind, was bedeutet, dass die schwächsten seriell angeschlossenen Zellen die Energie, Leistung, Lebensdauer und Sicherheit der gesamten Batterie begrenzen.Der Zellabbau beschleunigt sich, da der Strom auf schwächeren Zellen im Verhältnis zu ihrer Kapazität höher ist, die auch zu lokalisierten Hotspots führen können, die zu einer Verringerung der Batterieleistung oder sogar zu Sicherheitsproblemen führen können.Das passive BMS kann nur den Packstrom überwachen und ihn im Falle eines Fehlers über einen Trennschalter unterbrechen..
Wird ein bidirektionaler Informationsfluss implementiert, können Systemparameter wie Betriebseinstellungen so geändert werden, dass entweder die Akkulaufzeit oder die Leistung priorisiert werden.Die Lebensdauer wird durch Verringerung des Betriebsfensters auf Kosten der verfügbaren Energie oder Leistung priorisiert, während die Leistung durch die Erweiterung des Betriebsfensters auf Kosten der Akkulaufzeit priorisiert wird.
Das aktive Balancieren wird typischerweise über Niedrigstrom-Bypass-Schaltungen durchgeführt, die niedrige Ladeströme an Zellen leiten, die noch nicht geladen sind, anstatt die Energie als Wärme zu zerstreuen.Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, die Ladeeffizienz zu verbessern, die wichtig sein kann, wenn die verfügbare Ladeenergie so effizient wie möglich genutzt werden soll.die aktive Ausgleichsregelung rechtfertigt nicht die Mehrkosten für die von ihr erzielten VorteileWie bei der passiven Balancierung wird der Zellabbau durch höhere relative Ströme auf schwächere Zellen beschleunigt und es können sich heiße Punkte bilden.
Schätzung des Staates
Die Schätzung des Ladezustands (SoC) und des Gesundheitszustands (SoH) beruht auf einer Kombination von Batteriemodellen und Schätzalgorithmen.Das Niveau der Verfeinerung und Genauigkeit, die für die Zustandsschätzung und die zugrunde liegenden Batteriemodelle möglich sind, hängt stark von der Hardware ab., die wir hier verwenden, um unterschiedliche Ansätze zu unterscheiden.
Integrierte Schaltkreise (IC) werden in den meisten herkömmlichen BMSs zur Zustandsschätzung verwendet, die oft als "Brennstoffmessgerät" bezeichnet werden.Die ICs sind mit chemisch spezifischen Batteriemodellen und Zustandsschätzungsalgorithmen hardwiredDer Vorteil von ICs besteht darin, dass sie kostengünstig sind. Zu den Nachteilen gehören eine begrenzte Flexibilität und Genauigkeit des Systemdesigns. Letzteres neigt dazu, sich im Laufe der Zeit zu verschlechtern.Die Designflexibilität ist begrenzt, da ICs typischerweise für eine bestimmte Batteriechemie mit bestimmten Spezifikationen entwickelt werden.
Ändert sich die Batteriechemie oder die Spezifikationen, muss auch der IC geändert und das Design angepasst werden. 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, die je nach Hersteller, Format und Charge variieren können,Auch für die gleiche Chemie (ii) begrenzte Rechenleistung auf ICs schränkt die Komplexität und Treue von Zustandsschätzungsalgorithmen und zugrunde liegenden Batteriemodellen ein, und (iii) Zellmerkmale ändern sich im Laufe der Zeit, was nicht durch hardwired IC-Algorithmen erfasst werden kann, was im Laufe der Zeit zu einer zunehmenden Ungenauigkeit führt.
Mikroprozessoren können mit komplexeren Batteriemodellen mit höherer Zuverlässigkeit und Algorithmen zur Zustandsschätzung programmiert werden.mit einer Breite von mehr als 20 mm,Die sich ändernden Zellmerkmale können durch die Aktualisierung der Parameter der Zustandsschätzungsalgorithmen und Batteriemodelle berücksichtigt werden, wodurch die Ausgänge im Laufe der Zeit genauer bleiben.Dieselbe Hardware kann für jede Art von Batteriechemie oder Hersteller verwendet werdenDer Nachteil kann in Abhängigkeit von der erforderlichen Funktionalität und Rechenleistung höhere Komponentenkosten sein.
Informationsfluss
Einrichtungsinformationsfluss ist in den meisten Batteriesystemen üblich: Informationen fließen vom BMS zu höheren Systemen und Benutzeroberflächen.weniger niedrigwertige Informationen verfügbar sindDie wichtigsten Informationen beziehen sich auf Sicherheit und Leistung und umfassen Kennzahlen wie SoC und SoH.
Der bidirektionale Informationsfluss ist möglich, wenn das BMS Eingaben wie Änderungen der Betriebseinstellungen (z. B. maximale und minimale zulässige Zellspannung oder SoC) verarbeiten kann.oder sogar Aktualisierungen von Batteriemodellen oder Algorithmen zur Zustandsschätzung, um ihre Genauigkeit zu erhalten, wenn Mikrocontroller verwendet werden.
