Akkumulátorkezelő rendszer: funkciók, típusok és választás

A lítium-ion akkumulátor egy drága, energiasűrű{1}} tárgy. Kezelje jól, és egy évtizedig kitart. Kezelje rosszul néhány percig, és véglegesen tönkreteheti a sejteket, vagy legrosszabb esetben tüzet okozhat. Az alkatrész, amely a legrosszabb esetet megakadályozza, az akkumulátorkezelő rendszer, vagyis a BMS.

Akár egy csomagot tervez, akár egy termékbe integrál egyet, akár kiértékeli a szállító specifikációs lapját, ez az útmutató bemutatja, hogy valójában mit csinál a BMS, milyen architektúrák léteznek, miért nem-alkuvható egy valódi, és hogyan választhatja ki a megfelelőt az alkalmazásához.
 

Ezen az oldalon

• Mi az akkukezelő rendszer?
• Hogyan működik a BMS valójában
• A BMS alapvető funkciói
• Fő BMS-architektúrák
• BMS vs Protection Board (PCM)
• Miért számít a BMS?
• A megfelelő BMS kiválasztása alkalmazás alapján
• Egy 7 lépésből álló kiválasztási ellenőrzőlista
• Gyakori hibák BMS vásárlásakor
• GYIK

Mi az akkukezelő rendszer?

A akkumulátor menedzsment rendszeraz az elektronikus vezérlő, amely felügyeli és védi az újratölthető akkumulátorcsomagot, leggyakrabban egy lítium{0}}iont vagy LiFePO4-csomagot, amely több soros és párhuzamos cellából áll. Méri, hogy az egyes cellák mit csinálnak, kiszámítja, hogyan viselkedik a falka egésze, és beavatkozik, ha valami a biztonságos határokon kívülre sodródik.

A BMS nem ugyanaz, mint egy egyszerű védelmi kártya (néha PCM-nek vagy Protection Circuit Module-nak hívják). A védőtábla néhány hibaállapotra reagál, például túltöltésre, túltöltésre, túl-kisütésre és rövidzárlatra. Egy igazi BMS mindezt megteszi, emellett kiegyensúlyozza a cellákat, megbecsüli a töltöttségi állapotot és az egészségi állapotot, kezeli a hőmérsékletet, és általában CAN, RS485, UART vagy Bluetooth kapcsolaton keresztül kommunikál a rendszer többi részével. A különbségtétel azért fontos, mert a piac szabadon keveri a két kifejezést, és sok olcsó "BMS" tábla álcázott védőtábla.

A teljes energiatároló terméken belül a BMS a számos építőelem egyike. Ha látni szeretné, hogyan illeszkedik a cellákhoz, a PCS-hez, az EMS-hez és a termikus hardverekhez, akkor aaz akkumulátor energiatároló rendszerének nyolc fő összetevőjejó társ olvasni.

Hogyan működik a BMS valójában

Minden BMS ugyanazt a négy{0}}lépéses ciklust futtatja, másodpercenként több ezer alkalommal.

Érzék.Feszültségcsapok minden cellán, áramérzékelő (sönt vagy Hall{0}}effektus) a fő árampályán, és a stratégiai pontokon lévő NTC termisztorok nyers adatokat táplálnak be a BMS-be.

Számítsa ki.A mikrokontroller ezeket a méréseket származtatott értékekké alakítja: töltöttségi állapot, egészségi állapot, rendelkezésre álló teljesítmény, cella egyensúlyhiány, átlaghőmérséklet.

Dönt.A firmware mindent összehasonlít a biztonsági küszöbértékekkel és a működési szabályokkal.

törvény.Ha szükséges, a BMS kinyitja a MOSFET-eket vagy a mágneskapcsolókat az áram megszakításához. Kioldhat egy kiegyenlítő áramkört, megkérheti a töltőt, hogy lassítson, vagy hibajelzőt jelezhet a gazdarendszeren.

Ez a zárt visszacsatolási hurok az, ami elválasztja a felügyelt akkumulátorrendszert egy olyan akkumulátortól, amelynek tetejére egy védelmi chip van ragadva.
 

Az akkumulátorkezelő rendszer alapvető funkciói

A különböző BMS-tervek más-más munkákat hangsúlyoznak. Egy hozzáértő akkumulátor-kezelő rendszer a következők többségét vagy mindegyikét kezeli.

Cell{0}}szint figyelés

A BMS folyamatosan leolvassa a soros lánc minden cellájának feszültségét, a csomagba be- és kiáramló áramot, valamint egy vagy több ponton a hőmérsékletet. A cella-szintű láthatóság az, ami megbízhatóvá teszi a csomag-szintű döntéseket. A csomagszintű átlagolás pontosan azt a fajta egyetlen-cellasodródást rejti el, amely hibákat okoz.

Sejtegyensúlyozás

Bármely több-cellás csomagban a sejtek kissé eltérően öregszenek. Kiegyenlítés nélkül a leggyengébb cella éri el először a felső feszültséghatárt a töltés során, ami arra kényszeríti a BMS-t, hogy hagyja abba a teljes csomag töltését, és a felhasználható kapacitás megakad.

Két megközelítés dominál.Passzív egyensúlyozáskis ellenállásokon keresztül égeti el a felesleges energiát a magasabb cellákból. Egyszerű, olcsó, és megfelelő a legtöbb fogyasztói és{1}}könnyűipari csomaghoz.Aktív egyensúlyozása magasabb cellákból az alacsonyabb cellákba mozgatja az energiát kondenzátorokon, induktorokon vagy DC{0}}DC konvertereken keresztül. Hatékonyabb és több használható kapacitást nyer vissza, de növeli a költségeket és a bonyolultságot. Az aktív kiegyensúlyozás általában nagy csomagokban kifizetődő (EV vonóerő, hálózati-méretű tároló), ahol minden kilowatt-óra számít.

SOC, SOH és SOF becslés

Három állapotérték hasonlónak tűnik, de mást jelent.

• Töltési állapot (SOC): mennyire van megtelt a csomag jelenleg, százalékban kifejezve. A felhasználó által látható tartományt vagy futási idejű jelzőt vezérli.
• Egészségi állapot (SOH): mennyi használható kapacitás marad egy vadonatúj csomaghoz képest. A 80%-os SOH-tartalmú csomag elvesztette eredeti kapacitásának 20%-át.
• Működési állapot (SOF): az aktuális SOC, SOH és hőmérséklet mellett képes-e a csomag leadni az éppen igényelt teljesítményt.

Az olcsó egységek SOC jelentése. A jobb egységek követik az SOH-t. A prémium egységek SOF-ról számolnak be, ami valójában az, amit szeretne, ha megbízható teljesítményt szeretne elérni. A sejtek életük során felhalmozódó kapacitásának növekedéséhez és elvesztéséhez vezető bevezetőhöz aBattery University BU-808 cikkjó egyszerű{0}}nyelvi forrás.

Védelem

A komoly BMS védelmet nyújt a túltöltés, a túl-kisülés, a túláram (mindkét irányban), a rövidzárlat, valamint a magas vagy alacsony hőmérséklet ellen. Minden küszöbértéknek konfigurálhatónak kell lennie, és a válaszidő ugyanolyan fontos, mint maga a küszöb. A rövidzár-reakció jellemzően 100–500 mikroszekundum tartományba esik; az ezredmásodperces tartományban minden túl lassú a nagy-áramú alkalmazásokhoz.

Hőkezelés

Passzívan hűtött csomagoknál a BMS egyszerűen lecsökken vagy lekapcsol, ha a hőmérséklet ingadozó. Az aktívan hűtött csomagoknál ventilátorokat, szivattyúkat vagy fűtőtesteket utasít, hogy a cellákat a munkaablakon belül tartsák. A legtöbb lítium-ion cella nagyjából 0–45 fok között tölt biztonságosan, és szélesebb tartományban kisül, de a legboldogabbak a 15–35 fokos sávban; a ciklus élettartama mindkét végletnél leesik. A konkrét korlátokért lásd a következő hivatkozást:lítium akkumulátor hőmérséklet-tartományoklefedi, hogyan néz ki a gyakorlatban a töltés, kisütés és tárolás. A hardveres oldalonlevegő és folyadékhűtés közötti választásmeghatározza, hogy mennyi munkát kell elvégeznie a BMS-nek termikusan.

Kommunikáció

A legtöbb modern BMS beszél a külvilággal. A CAN-busz szabványos a járművek és az ipari rendszerek számára, az RS485 dominál a helyhez kötött energiatárolókban, az UART vagy az I²C gyakori a kis fogyasztói csomagokban, a Bluetooth pedig egyre gyakoribb az e-kerékpárokban és a hordozható áramellátásban. Stacionárius rendszerben a BMS egy magasabb-szinttel is koordinálenergiamenedzsment rendszer (EMS), amely kezeli a feladási döntéseket, a tarifákat és a hálózati jeleket. A kettőt gyakran összekeverik, de különböző rétegeken helyezkednek el.

Adatnaplózás és diagnosztika

A magasabb szintű-BMS-ek naplózzák a hibaeseményeket, a ciklusszámokat és a történelmi szélsőségeket. Ez a napló felbecsülhetetlen értékűvé válik a visszaküldött csomagok diagnosztizálásához, a garanciális igények érvényesítéséhez és a termék következő verziójának javításához. Saját RMA munkánkban általában a BMS-napló az első, amit elolvasunk; a használható előzmények nélküli csomag olyan csomag, amelyet nem tudsz megvédeni.

A BMS-architektúrák fő típusai

Három klasszikus architektúra létezik az akkumulátorkezelő rendszerekhez. A megfelelő kiválasztása leginkább a csomagolás méretétől és összetettségétől függ.

Hasznos működési szabály, amelyet az új buildek hatókörének meghatározásakor alkalmazunk: körülbelül 16 soros cella alatt a központosítás megfelelő. 16 és 100 között a moduláris rendszer általában nyeri a telepítés költségét-a-a megbízhatósággal szemben. 100 cella felett az elosztott megtérül a kábelezési költségek, a jelintegritás és a helyszíni szervizelhetőség tekintetében. Ezek kiindulópontok, nem törvények; konkrét projektek mindkét irányba húzhatnak.
 

BMS vs Protection Board (PCM): mi a különbség?

Ez a legnagyobb zavart okozó forrás a BMS-piacon.

Ha egy eladó egy 10 cellás csomaghoz tartozó 5 dolláros táblát "BMS-nek" nevez, kérdezze meg, hogy végzi-e a cellakiegyenlítést, adatbuszon keresztül jelenti-e az SOC-t, és kiírja a valódi mikrokontroller cikkszámát. Ha a válasz nem, akkor ez egy védőtábla.

Miért számít a BMS: A nélkülözés valós kockázatai

A "fontos" szót lazán használják. Íme, mi történik valójában egy olyan lítiumcsomagban, ahol nincs megfelelő akkumulátor-kezelő rendszer, vagy ha a feladathoz alulméretezett.

Biztonság.A lítium{0}}ionsejtek a termikus kifutónak nevezett láncreakció révén tönkremennek. A belső rövidzárlat vagy túltöltés megemeli az egyik cella hőmérsékletét, ami felgyorsítja a meghibásodást, ami tovább emeli a hőmérsékletet, amíg a cella ki nem engedi a gyúlékony elektrolitot. A prekurzort elkapó BMS (rendellenes feszültség, abnormális áram, rendellenes hőmérsékleti trend) megszakíthatja a láncot, mielőtt tűz keletkezne.

Élettartam.Még a sejtek között fennálló, több tíz millivoltos egyensúlyhiány is jelentősen lerövidíti a csomag élettartamát. A legerősebb cella fejezi be először a töltést, és egy keskeny sávon halad át; a leggyengébb sejt végzi a nehéz terheket, és még gyorsabban öregszik. Kiegyensúlyozás nélkül a csomag felhasználható kapacitása aszimmetrikusan csökken hónapok, nem pedig évek alatt. A garanciális visszaküldés után felnyitott csomagokban a kiegyensúlyozó áramkör, amely soha nem kapcsolódott be, az egyik leggyakoribb kiváltó oka az idő előtti kapacitásvesztésnek.

Teljesítmény.Pontos SOC és SOH nélkül a rendszer vagy alulhasználja a csomagot (az asztalon maradt kapacitás), vagy túlhasználja (tartomány vagy futásidejű követelések, amelyek nem egyeznek a valósággal). A végfelhasználók számára „az akkumulátor sokkal gyorsabban lemerül, mint a jelzőfény” szinte mindig BMS-probléma, nem cellaprobléma.

Megfelelés.A lítium akkumulátoros termékek manapság a szabványok halmazaként szerepelnek, és általában az igazi BMS teszi elfogadhatóvá őket. Az egyik kihagyása gyakorlatilag komoly piacokat zár be. A leggyakrabban tudnivalók:

• ENSZ 38.3: egy szállítási-biztonsági tesztsorozat, amelyen a lítiumcelláknak és csomagoknak át kell menniük ahhoz, hogy légi, tengeri vagy közúti szállításra kerüljenek. Határozza meg aENSZ tesztek és kritériumok kézikönyve.
• UL 2271: a könnyű elektromos járművek, például az e-kerékpárok és az e-robogók akkumulátoraira vonatkozik.
• UL 1973: lefedi a helyhez kötött és mozgató akkumulátor-rendszereket, beleértve a legtöbb ESS-terméket. Dokumentált BMS védelmi logikát igényel.
• IEC 62619: nemzetközi biztonsági szabvány ipari lítium másodlagos cellákra és akkumulátorokra.
• ISO 26262: közúti járművek funkcionális biztonsága. Kötelező, ha az OEM ezt a vontatási akkumulátorokhoz írja elő.

Ha mélyebbre szeretné tekinteni, hogy az UL-tanúsítvány mit foglal magában az ESS-oldalon, olvassa el a következő megjegyzésünketmiért kell a BESS termékeknek UL tanúsítvány. A szabványok között is böngészhetUL megoldások.

A megfelelő BMS kiválasztása alkalmazás alapján

A különböző alkalmazások teljesen eltérő módon terhelik az akkumulátorkezelő rendszert. Ugyanaz a „100A” címke nagyon különböző dolgokat jelent az elektromos kéziszerszámokban és a napelemes tárolóállványokban.

Elektromos járművek és E{0}}mobilitás

Az elektromos járművekhez és az elektromos kerékpárokhoz nagy folyamatos áramerősségre, gyors csúcsreakcióra, pontos SOC-ra van szükség a hatótávolság becsléséhez, CAN-kommunikációra és (ahol az OEM-nek szüksége van) ISO 26262 funkcionális-biztonsági tervezésre. A moduláris vagy elosztott architektúrák dominálnak a magasabb végén.

Energiatároló rendszerek (ESS)

A helyhez kötött tárolók előnyben részesítik a hosszú naptári élettartamot, a magas ciklusszámot, a pontos SOH-követést és az inverterekkel való tiszta integrációt a Modbus vagy CAN helyett. A sejtek általában LiFePO4 a biztonság kedvéért. A széles feszültségablakok (48 V és 800 V+ között) a moduláris vagy elosztott BMS-ek felé tolják a kialakításokat. A legtöbbünkkonténeres BESSprojektek például egy moduláris master{0}}slave BMS-t használnak, így bármelyik rack szervizelhető anélkül, hogy az egész webhelyet offline állapotba helyezné.

Elektromos szerszámok

Az elektromos kéziszerszámok mindenekelőtt a csúcsáramra és a rövidzár{0}}reakciókra számítanak. A motor indításkor és leálláskor hatalmas tranziens áramokat von le. Itt a BMS-teljesítmény a MOSFET-választáson (alacsony Rds(on)) és a rövid csúcscsúcsok leküzdésének képességén múlik, zavaró leállások nélkül.

Hordozható és szórakoztató elektronika

A kompakt méret, az alacsony költség és a szoros integráció a legfontosabb. Általában elég egy kis központi BMS passzív kiegyensúlyozással és alapvédelemmel.

Tengerészeti és induló energiarendszerek

A forgatós{0}}stílusú alkalmazások nagyon nagy csúcskisülési áramot igényelnek a rövid sorozatokhoz, valamint védelmet nyújtanak a vibráció, a nedvesség és a só ellen. Keresse a zárt kialakításokat, a magas csúcs--folyamatos áramarányt- és a robusztus hővédelmet.

A kémia választása szintén befolyásolja a BMS konfigurációját. Áttekintésünk akülönböző típusú akkumulátorok az energia tárolásáravégigvezeti az LFP, az NMC és mások viselkedését, ami viszont megváltoztatja a feszültségküszöböket, a kiegyenlítési stratégiát és a hőkorlátokat, amelyeket a BMS-nek be kell tartania.

Hogyan válasszunk BMS-t

Használja ezt sorrendben. Egy lépés kihagyása az, hogy a legtöbb BMS-vásárlás rosszul sül el.

1. Erősítse meg a sejtszámot és a kémiát.Hány cella van sorozatban (az "S" szám)? Lítium--ion (3,7 V névleges), LiFePO4 (3,2 V névleges) vagy valami más? A BMS-nek pontosan meg kell egyeznie.
2. Számítsa ki a folyamatos és csúcsáramot.Használja a legrosszabb-eset terhelést. Folyamatos áramkör a termikus méretezéshez; csúcsáram számít a MOSFET és a nyomkövetés kiválasztásánál.
3. Válasszon folyamatos áramot margóval.Törekedjen arra, hogy a tényleges folyamatos terheléshez képest legalább 25–30%-os mozgástér álljon rendelkezésre (egy gyakori-mérnöki ökölszabály, nem kemény szám). A pontosan az Ön üzemi áramának megfelelő névleges BMS felforrósodik és gyorsan öregszik.
4. Ellenőrizze a védelmi készletet.A túltöltésnek, a túl-kisütésnek, a túláramnak (töltés és kisütés), a rövidzárlatnak és a hőmérsékletnek egyaránt jelen kell lennie és konfigurálhatónak kell lennie.
5. Válassza ki a kiegyenlítés típusát.A passzív a legtöbb körülbelül 10 kWh alatti csomaghoz megfelelő. Csak akkor válassza az aktív kiegyensúlyozást, ha a kapacitás helyreállítása és a hosszú élettartam indokolja a többletköltséget.
6. Illessze a kommunikációs felületet.CAN az autóiparhoz, RS485 az ESS-hez, BLE a hordozhatóhoz, vagy nincs az önálló tápegységhez.
7. Ellenőrizze a MOSFET-eket és a felépítési minőséget.Kérje meg a MOSFET cikkszámát, és nézze meg az adatlapját. Az alacsony Rds(on) névre keresztelt MOSFET márka az egyik legerősebb mutatója a komoly BMS-nek.

Gyakori hibák és piros zászlók BMS vásárlásakor

• Bízva a címsor aktuális értékelésében.A „100A” címkével ellátott kártya olyan MOSFET-eket használhat, amelyek valós hőviszonyok között 60 A-re csökkennek. Ellenőrizze az adatlapot.
• Zavaros csúcs a folytonossal.Az a BMS, amely egy másodpercig kezeli a 200 A-t, nem egy 200 A-es BMS.
• A protokoll figyelmen kívül hagyása.A márkás elektromos{0}}szerszámcsomagok (Dewalt, Milwaukee stb.) gyakran használnak szabadalmaztatott kézfogásokat; egy általános BMS egyszerűen megtagadhatja a szerszám áramellátását.
• Hőmérséklet-érzékelők átugrása.Egy teljes 20S csomag egyetlen NTC-je sem tudja megmondani, ha az egyik sarok túlmelegszik.
• Vásárlás csak ár alapján.A legolcsóbb „BMS” a több{0}}cellás csomagokhoz szinte mindig egy védelmi tábla, amely a marketinggel a tetején van.

GYIK

Használhatok lítium akkumulátort BMS nélkül?
Egy cellára alacsony áram mellett műszakilag igen. Bármely több-cellás lítiumcsomag esetében, és különösen ott, ahol emberek vannak a közelben, nem. A termikus elszabadulás, a sejtegyensúly felborulásának és a gyors lebomlásnak a kockázata gyakorlatilag kötelezővé teszi a BMS-t.

Mi a különbség a BMS és az akkumulátortöltő között?
A töltő energiát tol a csomagba. A BMS eldönti, hogy ez biztonságos-e, és közli a töltővel, hogy mikor álljon meg. Sok rendszer rendelkezik mindkettővel, kommunikációs buszon keresztül együtt.

A BMS meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát?
Igen, értelmesen. A túltöltés, a túl-kisülés és a cellakiegyensúlyozatlanság megakadályozásával a hozzáértő BMS jelentősen meghosszabbíthatja a lítiumcsomag élettartamát a védelem nélküli használathoz képest. A pontos arány a kémiától, a kisülési mélységtől és a hőmérséklettől függ.

Mit csinál valójában a sejtkiegyensúlyozás?
A sorozat minden celláját közel azonos töltöttségi állapotban tartja, így a csomag teljesen feltölthető és kisüthető anélkül, hogy egy cella idő előtt elérné a határt.

SOC vs SOH: mi a különbség?
Az SOC megmondja, hogy jelenleg mennyire van tele az akkumulátor. Az SOH megmutatja, mennyi kapacitást veszített az akkumulátor élettartama során. Egy csomag lehet 100% SOC, és csak 70% SOH, ha régi.

A BMS és a PCM ugyanaz?
Nem. A PCM (védőtábla) csak a hibaállapotokra reagál. A BMS hozzáadja a kiegyensúlyozást, az állapotbecslést, a kommunikációt és gyakran a hőkezelést.

Mekkora áramot kell támogatnia a BMS-emnek?
Törekedjen arra, hogy legalább 25–30%-kal magasabb legyen a valós-folyamatos áramerőssége felett, és az indítási vagy leállási események csúcskezelése legyen. Mindig ellenőrizze a tényleges MOSFET specifikációkat, ne csak a forgalmazott minősítést.

Központosított, moduláris vagy elosztott: melyikre van szükségem?
Kis csomagok (kb. 16S alatt): központosított. Közepes és könnyű elektromos járművek: moduláris. Nagy EV vagy rács-lépték: elosztott.

A BMS-t utólag telepítsem egy meglévő akkumulátorra?
Az eredetileg anélkül szállított csomag esetében a válasz attól függ, hogy mi van már benne. Ha csak egy alap védelmi tábla van, a valódi BMS-ben való csere meghosszabbíthatja a hasznos élettartamot és hozzáadhatja a felügyeletet, de az utólagos felszerelésnek meg kell egyeznie az eredeti cellaszámmal, kémiával és áramúttal. A meghibásodott BMS-hez már vezetékezett csomagok esetében a csere egyszerű. A lezárt OEM-csomagok (különösen a nagyobb márkák) esetében az utólagos felszerelések gyakran meghiúsulnak a csomag és a gazdaberendezés közötti szabadalmaztatott kézfogások miatt, és általában nem ajánljuk.

A lényeg

Az akkumulátorkezelő rendszer az, ami a lítium{0}}ion akkumulátorokat nagy méretekben használhatóvá teszi. Érzékeli, kiszámítja és a sejtek tevékenységét befolyásolja, egyensúlyba hozza őket, nyomon követi egészségi állapotukat, és beszél a rendszer többi tagjával. Ha kihagyja az igazi BMS-t, vagy megelégszik egy ilyennek öltözött védőtáblával, akkor biztonsági tartalékba, élettartamba és végső soron pénzbe kerül.

Vásárlás előtt zároljon le négy dolgot: a cellaszámot és a kémiát, a folyamatos és csúcsáramot árrésszel, a pontos védelmi készletet, amelyre szüksége van, és a kommunikációs interfészt, amelyet a rendszer beszél. Párosítsa ezeket a csomagméretének megfelelő architektúrához, és elkerülheti a lítium akkumulátor tervezésének legdrágább hibáit.

Ha egy BMS-t egy adott alkalmazáshoz méretez (EV vontatás, energiatárolás, elektromos kéziszerszámok, tengeri indítás vagy hordozható energia), akkor induljon ki az alkalmazás aktuális és protokollkövetelményeiből, és dolgozzon visszafelé. Ez a különbség az öt évig tartó csomag és az öt hónap alatt meghibásodott csomag között.