Como projetar um BMS, o cérebro de um sistema do armazenamento da bateria

May 31, 2022

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Os sistemas do armazenamento de energia da bateria são colocados em condições cada vez mais de exigência do mercado, fornecendo uma vasta gama de aplicações. Seria um valor da pergunta que discute aquele como construir um sistema de gestão da bateria (BMS) que assegurasse vidas, a versatilidade e a disponibilidade longas.

 

 

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Cada bateria moderna precisa um sistema de gestão da bateria (BMS), que é uma combinação de eletrônica e de software, e atua como o cérebro da bateria. Este artigo centra-se sobre a tecnologia de BMS para sistemas estacionários do armazenamento de energia. As funcionalidades as mais básicas do BMS são certificar-se de que as células de bateria permanecem equilibradas e seguras, e a informação importante, tal como a energia disponível, é passada sobre ao usuário ou aos sistemas conectados.

 

Equilibrar é necessário porque os sistemas de bateria são compostos das centenas, às vezes milhares de pilhas individuais, que todos têm capacidades e resistências levemente diferentes. Estas diferenças aumentam ao longo do tempo enquanto as pilhas degradam em taxas diferentes. Se as pilhas não são equilibradas pelo menos ocasionalmente, suas tensões derivarão logo distante a uma extensão que a capacidade da bateria se torna inusável.

 

A segurança é assegurada mantendo as pilhas dentro dos limites de funcionamento seguros de tensão, de corrente e de temperatura, que é particularmente importante para baterias do lítio-íon. Se as pilhas obtêm sobrecarregadas, carregadas em temperaturas muito baixas, ou expostas às correntes excessivas ou às temperaturas, poderiam desenvolver as falhas que podem conduzir aos fogos ou às explosões.

A informação tal como a energia disponível e o poder não pode diretamente ser medida, que significa que o BMS deve o computar baseado em medidas da tensão, da corrente e da temperatura. Estas computações são chamadas avaliação de estado e os resultados são passados sobre aos sistemas de mais alto nível, incluindo interfaces de usuário.

 

 

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Antes que nós olhemos considerações do projeto de BMS com maiores detalhes, vale descrevendo os tipos diferentes de BMS e de exigências da indústria que informam escolhas do projeto. A aproximação de equilíbrio é usada tipicamente para classificar tipos de BMS, embora outros aspectos do projeto joguem papéis importantes, tais como aproximações diferentes à avaliação de estado e aos fluxos de informação.

Construção básica do bloco

As pilhas, ou as pilhas eletroquímicas, como pilhas do lítio-íon são a unidade a menor de armazenamento de energia dentro de um bloco. Vêm nos vários tamanhos físicos que se relacionam diretamente a sua capacidade. A tensão mínima de uma pilha do Lítio-íon pode ser tão baixa quanto 2.5V (para pilhas de LFP) e a tensão máxima podem ser tão altos como 4.3V para química de NMC.

As pilhas são conectadas paralelamente para aumentar a corrente máxima que pode ser selecionada do bloco. Um grupo de pilhas conectadas paralelas é chamado uma pilha super.

Geralmente, as pilhas dentro de uma pilha super auto-equilíbrio e não há nenhuma necessidade de controlá-las mais. As exceções podem incluir química novas como o enxofre do lítio e química com estado liso de carga contra as curvas da tensão operadas em condições extremas da caixa como o fosfato do ferro do lítio.

As pilhas super são conectadas em série para formar uma corda. Um bloco da bateria consiste geralmente em uma única corda. Conectar pilhas super aumenta em série a tensão do bloco, que é necessário em aplicações do poder superior para impedir correntes de funcionamento de outra maneira extremamente altas.

Ao adicionar pilhas a uma configuração do bloco da bateria, os aumentos de capacidade da energia. Consequentemente, adicionar pilhas paralelas a uma pilha super aumenta a capacidade de energia do bloco, como faz conectando uma pilha super adicional em série.

 

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Tipos de BMS

Aproximação de equilíbrio

 

O equilíbrio passivo sincroniza tensões da pilha no fim do processo da carga dissipando a energia, que entraria em pilhas inteiramente carregadas, como o calor através dos resistores. A vantagem desta aproximação é o baixo custo componente da eletrônica.

 

As desvantagens incluem que todas as pilhas estão expostas à mesma corrente, assim que significa que as pilhas série-conectadas as mais fracas limitam a energia, o poder, a vida e a segurança da bateria inteira. A degradação da pilha é acelerada desde que a corrente em umas pilhas mais fracas é mais alta relativo a sua capacidade, que pode igualmente causar os hot spot localizados que podem conduzir a de-rating de edições da bateria ou mesmo de segurança. Além disso, a energia é desperdiçada durante o processo de carregamento. O BMS passivo pode somente monitorar o bloco atual e interrompê-lo através de um interruptor da desconexão no caso de uma falha.

 

Se o fluxo de informação bidirecional é executado, os parâmetros do sistema-nível tais como ajustes operacionais podem ser mudados para dar a prioridade à vida ou ao desempenho da bateria. A vida é dada a prioridade reduzindo a janela operacional às expensas da energia disponível ou do poder, quando o desempenho for dado a prioridade alargando a janela operacional, às expensas da vida da bateria.

 

O equilíbrio ativo é executado tipicamente através dos circuitos de desvio baixo-atuais, que baixas correntes de carregamento diretas às pilhas que não são carregadas ainda, um pouco do que dissipando a energia como o calor. O benefício principal desta aproximação é melhorar a eficiência de carregamento, que pode ser importante se a energia de carregamento disponível deve ser utilizada tão eficientemente como possível. Para a maioria de aplicações, contudo, o equilíbrio ativo não justifica o custo componente adicionado para os benefícios que rendem. Como com o equilíbrio passivo, a degradação da pilha é acelerada por umas correntes relativas mais altas em umas pilhas mais fracas e os hot spot podem formar.

 

 

 

 

Avaliação de estado

 

A avaliação do estado da carga (SoC) e dos estados da saúde (SoH) é baseada em uma combinação de modelos da bateria e de algoritmos da avaliação. O nível de sofisticação e de precisão que é possível para a avaliação de estado e modelos sendo a base da bateria depende fortemente do hardware, que nós nos usamos aqui para diferenciar aproximações diferentes.

 

Os circuitos integrados (IC) são usados na maioria de BMSs convencional para a avaliação de estado, que são referidos frequentemente como de ‘o calibre combustível’. Os CI ‘hardwired’ com modelos da bateria e algoritmos química-específicos da avaliação de estado. A vantagem dos CI é que estão custados baixo. As desvantagens incluem flexibilidade e precisão limitadas do projeto de sistema. O último tende a obter ao longo do tempo mais mau. A flexibilidade do projeto é limitada porque os CI são criados tipicamente para uma química particular da bateria com as especificações particulares.

 

Se a química ou as especificações da bateria mudam, IC igualmente precisa de ser mudado e o projeto adaptou-se. As razões para a precisão limitada e deteriorando-se são (i) avaliação de estado em CI são baseadas em representações generalizadas da química da bateria e não capturam o termodinâmica ligeiramente alterado e as propriedades dinâmicas das pilhas, que podem variar entre fabricantes, formatos e grupos, mesmo para a mesma potência informática limitada da química (ii) em CI forçam a complexidade e a fidelidade de algoritmos da avaliação de estado e de modelos subjacentes da bateria, e (iii) as características da pilha mudam ao longo do tempo, que não podem ser capturadas por algoritmos hardwired de IC, conduzindo à irregularidade crescente ao longo do tempo.

 

Os microprocessadores podem ser programados com modelos das mais complexos, alto-fidelidade da bateria e algoritmos da avaliação de estado, que podem ser ajustados para esclarecer características e especificações particulares da pilha. As características em mudança da pilha podem ser acomodadas atualizando os parâmetros dos algoritmos da avaliação de estado e dos modelos da bateria, que mantém saídas mais exatas ao longo do tempo. O mesmo hardware pode ser usado para qualquer tipo de química ou de fabricante da bateria, permitindo a flexibilidade final do projeto. A desvantagem pode ser um custo componente mais alto, segundo a funcionalidade exigida e o poder computacional.

 

 

Fluxo de informação

 

O fluxo de informação unidirecional é comum na maioria de sistemas de bateria: fluxos de informação do BMS aos sistemas e às interfaces de usuário de mais alto nível. Se o BMS é fornecido pelo fabricante da pilha, a informação menos de baixo nível tende a estar disponível, porque esta informação pode ser considerada sensível. A informação a mais importante é segurança e desempenho relativos e inclui o medidor tal como o SoC e o SoH.

 

O fluxo de informação bidirecional é possível se o BMS pode entradas do processo, tais como mudanças aos ajustes operacionais (por exemplo tensão da pilha ou SoC permissível máximo e mínimo), ou mesmo atualizações aos modelos da bateria ou aos algoritmos da avaliação de estado para manter sua precisão, se os microcontroladores são usados.

 

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Se você quer conhecer mais detalhes sobre GCE BMS, boa vinda a contactar com cara Li.

 

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