Система за управление на батерията: функции, типове и как да изберете

Пакетът литиево-йонни батерии е скъп обект с висока-енергия. Отнасяйте се добре с него и той издържа десетилетие. Неправилно го третирайте за няколко минути и можете трайно да разградите клетките или в най-лошия случай да предизвикате пожар. Компонентът, който предотвратява най-лошия случай, е системата за управление на батерията или BMS.

Независимо дали проектирате пакет, интегрирате такъв в продукт или оценявате спецификациите на доставчика, това ръководство обхваща какво всъщност прави BMS, какви архитектури съществуват, защо истинската такава не-подлежи на обсъждане и как да изберете правилната за вашето приложение.
 

На тази страница

• Какво е система за управление на батерията?
• Как всъщност работи BMS
• Основни функции на BMS
• Основни BMS архитектури
• BMS срещу платка за защита (PCM)
• Защо BMS има значение
• Избор на правилния BMS по приложение
• Контролен списък за избор в 7 стъпки
• Често срещани грешки при закупуване на BMS
• ЧЗВ

Какво е система за управление на батерията?

A система за управление на батериятае електронният контролер, който наблюдава и защитава акумулаторна батерия, най-често литиево-йонна или LiFePO4 опаковка, направена от множество последователни и паралелни клетки. Той измерва какво прави всяка клетка, изчислява как се държи глутницата като цяло и се намесва, когато нещо излезе извън безопасните граници.

BMS не е същото като обикновена защитна платка (понякога наричана PCM или модул за защитна верига). Защитната платка реагира на няколко състояния на повреда, като презареждане, пре-разреждане и късо съединение. Истинският BMS прави всичко това, а също така балансира клетките, оценява състоянието на зареждане и здравословното състояние, управлява температурата и обикновено комуникира с останалата част от системата през CAN, RS485, UART или Bluetooth. Разграничението има значение, защото пазарът смесва двата термина свободно и много евтини "BMS" платки са маскирани защитни платки.

В рамките на цялостен продукт за съхранение на енергия BMS е един от няколкото градивни елемента. Ако искате да видите как стои заедно с клетките, PCS, EMS и термичния хардуер, нашата разбивка наосем основни компонента на система за съхранение на енергия от батериие добър спътник за четене.

Как всъщност работи BMS

Всеки BMS изпълнява една и съща четири{0}}стъпка, хиляди пъти в секунда.

смисъл.Отводи за напрежение във всяка клетка, сензор за ток (шунт или ефект на Хол) по основния път на тока и NTC термистори в стратегически точки подават необработени данни към BMS.

Изчислете.Микроконтролерът превръща тези измервания в производни стойности: състояние на зареждане, здравословно състояние, налична мощност, клетъчен дисбаланс, средна температура.

Решете.Фърмуерът сравнява всичко спрямо праговете на безопасност и правилата за работа.

действайте.Когато е необходимо, BMS отваря MOSFET транзистори или контактори за прекъсване на тока. Може също така да задейства верига за балансиране, да поиска от зарядното устройство да забави или да задейства флаг за грешка към хост системата.

Тази затворена верига за обратна връзка е това, което разделя управляваната батерийна система от батерия със защитен чип, поставен отгоре.
 

Основни функции на система за управление на батерията

Различните дизайни на BMS акцентират върху различни работни места. Компетентната система за управление на батерията се справя с повечето или всички от следните неща.

Мониторинг-на клетъчно ниво

BMS непрекъснато отчита напрежението на всяка клетка в серийния низ, тока, протичащ в и извън пакета, и температурите в една или повече точки. Видимостта-на ниво клетка е това, което прави решенията-на ниво пакет надеждни. Осредняването на ниво пакет скрива точно вида отклонение на една-клетка, което причинява неуспехи.

Клетъчно балансиране

Във всеки много{0}}клетъчен пакет клетките остаряват малко по-различно. Без балансиране, най-слабата клетка достига горната си граница на напрежението първа по време на зареждане, принуждавайки BMS да спре зареждането на целия пакет и оставяйки използваемия капацитет блокиран.

Доминират два подхода.Пасивно балансиранеизгаря излишната енергия от по-високите клетки чрез малки резистори. Той е прост, евтин и подходящ за повечето потребителски и леки{1}}промишлени опаковки.Активно балансиранепремества енергията от по-високи клетки към по-ниски чрез кондензатори, индуктори или DC-DC преобразуватели. Той е по-ефективен и възстановява повече използваем капацитет, но добавя разходи и сложност. Активното балансиране има тенденция да се изплаща в големи пакети (електрическо сцепление, мрежови-съхранение), където всеки киловат-час има значение.

Оценка на SOC, SOH и SOF

Три държавни стойности изглеждат подобни, но означават различни неща.

• Състояние на заряда (SOC): колко пълен е пакетът в момента, изразено като процент. Задвижва обхвата или индикатора за време на изпълнение, който потребителят вижда.
• Здравословно състояние (SOH): колко използваем капацитет остава в сравнение с чисто-нова опаковка. Опаковка с 80% SOH е загубила 20% от първоначалния си капацитет.
• Състояние на функцията (SOF): дали пакетът може да достави необходимата мощност в момента, като се има предвид текущата SOC, SOH и температура.

Евтините единици отчитат SOC. По-добрите единици проследяват SOH. Премиум модулите отчитат SOF, което всъщност искате, когато надеждната производителност е на линия. За въведение в това как клетките придобиват и губят капацитет през целия си живот,Battery University статия BU-808е добър ресурс на-обикновен език.

защита

Сериозният BMS предпазва от презареждане, пре-разреждане, свръхток (и в двете посоки), късо съединение и висока или ниска температура. Всеки праг трябва да може да се конфигурира и времето за реакция е толкова важно, колкото и самият праг. Реакцията на късо- съединение обикновено е в диапазона 100–500 микросекунди; всичко в диапазона от милисекунди е твърде бавно за приложения с висок-ток.

Топлинно управление

За пакети с пасивно охлаждане BMS просто намалява мощността или прекъсва, когато температурите се отклонят. За активно охлаждани пакети той командва вентилатори, помпи или нагреватели, за да задържат клетките в работния им прозорец. Повечето литиево-йонни клетки се зареждат безопасно между приблизително 0–45 градуса и се разреждат в по-широк диапазон, но те са най-щастливи в диапазона 15–35 градуса; животът на цикъла пада и в двете крайности. За конкретни ограничения, нашата справка натемпературни диапазони на литиевата батерияобхваща как всъщност изглеждат на практика зареждането, разреждането и съхранението. От страна на хардуера,избор между въздушно и течно охлажданеопределя колко работа BMS трябва да извърши термично.

Комуникация

Повечето съвременни BMS говорят с външния свят. CAN шината е стандартна за превозни средства и промишлени системи, RS485 доминира при стационарно съхранение на енергия, UART или I²C са често срещани в малки потребителски опаковки, а Bluetooth е все по-често срещан в електронни -велосипеди и преносимо захранване. В стационарна система BMS също координира с по-високо-нивосистема за управление на енергията (EMS), който обработва решения за изпращане, тарифи и мрежови сигнали. Двамата често се бъркат, но седят на различни нива.

Регистриране на данни и диагностика

BMS от по-висок клас регистрират събития за неизправности, брой цикли и исторически крайни стойности. Този дневник става безценен за диагностициране на върнати пакети, валидиране на гаранционни искове и подобряване на следващата версия на продукта. В нашата собствена RMA работа BMS дневникът обикновено е първото нещо, което четем; пакет без използваема история е пакет, който не можете да защитите.

Основни типове BMS архитектури

Има три класически архитектури за система за управление на батерията. Избирането на правилния е най-вече въпрос на размера и сложността на опаковката.

Полезно работно правило, което прилагаме при обхват на нови компилации: под около 16 клетки в серия, централизираното е добре. Между 16 и 100 модулните обикновено печелят от цената-на-инсталация срещу надеждността. Над 100 клетки, разпределеното изплаща себе си като разходи за окабеляване, цялост на сигнала и възможност за обслужване на място. Това са отправни точки, а не закони; конкретни проекти могат да се дърпат и в двете посоки.
 

BMS срещу платка за защита (PCM): Каква е разликата?

Това е най-големият източник на объркване на пазара на BMS.

Ако продавачът нарича платка за $5 за 10-клетъчен пакет "BMS", попитайте дали прави балансиране на клетките, отчита ли SOC по шина за данни и изброява номера на частта на реалния микроконтролер. Ако отговорът е не, това е защитна дъска.

Защо BMS има значение: Истинските рискове да останете без такъв

Думата „важно“ се използва свободно. Ето какво всъщност се обърка в литиев пакет без подходяща система за управление на батерията или с такъв, който не е подходящ за тази работа.

Безопасност.Литиево-йонните клетки се повреждат чрез верижна реакция, наречена термично бягане. Вътрешно късо или презареждане повишава температурата на една клетка, което ускорява повредата, което повишава допълнително температурата, докато клетката изпусне запалим електролит. BMS, който улавя прекурсора (ненормално напрежение, необичаен ток, необичайна температурна тенденция), може да прекъсне веригата, преди да се превърне в пожар.

Продължителност на живота.Дори постоянните дисбаланси от десетки миливолта между клетките съкращават значително живота на опаковката. Най-силната клетка приключва зареждането първа и преминава през тясна лента; най-слабата клетка върши тежката работа и остарява още по-бързо. Без балансиране, използваемият капацитет на опаковката се свива асиметрично в продължение на месеци, а не години. В пакетите, които отворихме след гаранционно връщане, балансираща верига, която никога не се включва, е една от най-честите първопричини за преждевременна загуба на капацитет.

Изпълнение.Без точни SOC и SOH, системата или използва недостатъчно пакета (капацитет, останал на масата), или го използва прекомерно (претенции за обхват или време на изпълнение, които не отговарят на реалността). За крайните потребители „батерията ми умира много по-бързо, отколкото показва индикаторът“ почти винаги е проблем на BMS, а не на клетка.

Съответствие.Продуктите с литиеви батерии днес са включени в набор от стандарти и истинската BMS обикновено е това, което ги прави приемливи. Пропускането на един ефективно затваря сериозните пазари. Най-често срещаните, които трябва да знаете:

• ООН 38.3: серия-тестове за транспортна безопасност, които литиевите клетки и пакети трябва да преминат, за да бъдат изпратени по въздух, море или шосе. Определено отНаръчник на ООН за тестове и критерии.
• UL 2271: обхваща батерии за леки електрически превозни средства като електро-велосипеди и електро-скутери.
• UL 1973: обхваща стационарни и задвижващи акумулаторни системи, включително повечето ESS продукти. Изисква документирана логика за защита на BMS.
• IEC 62619: международен стандарт за безопасност за индустриални литиеви вторични клетки и батерии.
• ISO 26262: функционална безопасност за пътни превозни средства. Изисква се, когато OEM го определя за тягови батерии.

За по-задълбочен поглед върху това какво включва UL сертифицирането от страна на ESS, вижте нашата бележка зазащо продуктите на BESS се нуждаят от UL сертификат. Можете също да разглеждате самите стандартиUL решения.

Избор на правилния BMS по приложение

Различните приложения натоварват системата за управление на батерията по напълно различни начини. Един и същи етикет "100A" означава много различни неща в електроинструмент и в соларен стелаж за съхранение.

Електрически превозни средства и електро-мобилност

Електромобилите и електронните -велосипеди се нуждаят от висок постоянен ток, бърз пиков отговор, точен SOC за оценка на пробега, CAN комуникация и (където OEM изисква) дизайн за функционална -безопасност ISO 26262. Модулните или разпределените архитектури доминират в по-високия край.

Системи за съхранение на енергия (ESS)

Стационарното съхранение дава приоритет на дългия календарен живот, голям брой цикли, точно проследяване на SOH и чиста интеграция с инвертори над Modbus или CAN. Клетките обикновено са LiFePO4 за безопасност. Широките прозорци на напрежение (48V до 800V+) тласкат дизайните към модулни или разпределени BMS. Повечето от нашитеконтейнерни BESSпроекти, например, използват модулна главна-подчинена BMS, така че всеки един стелаж да може да се обслужва, без целият сайт да бъде офлайн.

Електрически инструменти

Електрическите инструменти се грижат преди всичко за пиковия ток и-отговора при късо съединение. Моторът дърпа огромни преходни токове при стартиране и при спиране. Тук производителността на BMS се свежда до избор на MOSFET (нисък Rds(on)) и способността да се преодолеят кратки пикове без неудобни изключвания.

Преносима и потребителска електроника

Компактният размер, ниската цена и тясната интеграция са най-важни. Обикновено е достатъчна малка централизирана BMS с пасивно балансиране и основна защита.

Морски и стартови енергийни системи

Приложенията в стил-задвижване изискват много високи пикови разрядни токове за кратки изблици плюс защита срещу вибрации, влага и сол. Потърсете запечатани конструкции, високи съотношения на пиков-към-продължителен ток и здрава термична защита.

Изборът на химия също води до конфигурацията на BMS. Нашият преглед наразлични видове батерии за съхранение на енергияразглежда как се държат LFP, NMC и други, което от своя страна променя праговете на напрежението, стратегията за балансиране и топлинните ограничения, които BMS трябва да наложи.

Как да изберем BMS

Използвайте това по ред. Пропускането на стъпка е начинът, по който повечето покупки на BMS се объркват.

1. Потвърдете броя на клетките и химията.Колко клетки в серия (числото "S")? Литиево-йонни (3,7 V номинално), LiFePO4 (3,2 V номинално) или нещо друго? BMS трябва да съвпада точно.
2. Изчислете непрекъснат и пиков ток.Използвайте най-лошия-случай на натоварване. Непрекъснатият ток има значение за термично оразмеряване; пиковият ток има значение за MOSFET и избор на следа.
3. Изберете непрекъснат ток с резерв.Стремете се към поне 25–30% свободна височина над реалното си непрекъснато натоварване (често срещано инженерно правило за пакет-, а не твърдо число). BMS, оценен точно на вашия работен ток, ще работи горещо и ще старее бързо.
4. Проверете защитния комплект.Презареждане, пре-разреждане, свръхток (зареждане и разреждане), късо съединение и температура трябва да присъстват и да могат да се конфигурират.
5. Изберете типа на балансиране.Пасивното е добре за повечето пакети под около 10 kWh. Изберете активно балансиране само когато възстановяването на капацитета и дългият живот оправдават добавената цена.
6. Съвпадение на комуникационния интерфейс.CAN за автомобилни, RS485 за ESS, BLE за преносими или нито един за самостоятелен захранващ блок.
7. Проверете MOSFET-ите и качеството на изработката.Попитайте за номера на частта на MOSFET и потърсете неговия лист с данни. MOSFET с име-марка с нисък Rds(on) е един от най-силните показатели за сериозен BMS.

Често срещани грешки и сигнали при закупуване на BMS

• Доверявайки се на текущата оценка на заглавието.Платка с надпис "100A" може да използва MOSFET, които намаляват до 60A при реални топлинни условия. Проверете листа с данни.
• Объркващ пик с непрекъснат.BMS, който обработва 200A за една секунда, не е 200A BMS.
• Пренебрегване на протокола.Пакетите с маркови мощни -инструменти (Dewalt, Milwaukee и др.) често използват патентовани ръкостискания; генеричен BMS може просто да откаже да захранва инструмента.
• Пропускане на температурни сензори.Един единствен NTC за цял пакет 20S не може да ви каже дали единият ъгъл прегрява.
• Купуване само на цена.Най-евтиният „BMS“ за много{0}}клетъчен пакет е почти винаги защитна платка с маркетинг отгоре.

ЧЗВ

Мога ли да използвам литиева батерия без BMS?
За единична клетка при нисък ток, технически да. За всеки много-клетъчен литиев пакет и особено навсякъде, където хората са наблизо, не. Рискът от термично бягство, клетъчен дисбаланс и бързо разграждане прави BMS ефективно задължителен.

Каква е разликата между BMS и зарядно устройство за батерии?
Зарядно устройство вкарва енергия в пакета. BMS решава дали това е безопасно и казва на зарядното устройство кога да спре. Много системи имат и двете, като работят заедно през комуникационна шина.

BMS удължава ли живота на батерията?
Да, смислено. Чрез предотвратяване на презареждане, пре-разреждане и дисбаланс на клетките, компетентният BMS може значително да удължи живота на цикъла на литиев пакет в сравнение с работата му без защита. Точното съотношение зависи от химията, дълбочината на изхвърляне и температурата.

Какво всъщност прави клетъчното балансиране?
Той поддържа всяка клетка в серийния низ в почти едно и също състояние на заряд, така че пакетът да може да бъде напълно зареден и разреден, без нито една клетка да достигне лимита си преждевременно.

SOC срещу SOH: каква е разликата?
SOC ви казва колко е пълна батерията в момента. SOH ви казва колко капацитет е загубила батерията през живота си. Една опаковка може да бъде със 100% SOC и само 70% SOH, ако е стара.

BMS и PCM едно и също нещо ли са?
Не. PCM (защитна платка) реагира само на условия на повреда. BMS добавя балансиране, оценка на състоянието, комуникация и често топлинно управление.

Колко ток трябва да поддържа моят BMS?
Стремете се към поне 25–30% над вашия реален -постоянен ток, с пиково управление при стартиране или спиране. Винаги проверявайте действителните спецификации на MOSFET, а не само обявената на пазара оценка.

Централизирано, модулно или разпределено: кое ми трябва?
Малки опаковки (под около 16S): централизирани. Средни пакети и леки електромобили: модулни. Голям EV или решетка-мащаб: разпределен.

Трябва ли да модернизирам BMS към съществуваща батерия?
За пакет, който първоначално е бил изпратен без такъв, отговорът зависи от това какво вече има вътре. Ако има само основна защитна платка, смяната в истинска BMS може да удължи полезния живот и да добави мониторинг, но преоборудването трябва да съответства на оригиналния брой клетки, химията и текущия път. За пакети, които вече са свързани към BMS, който е повреден, подмяната е лесна. За запечатани OEM пакети (особено от големи марки), преоборудването често се проваля поради патентовани ръкостискания между пакета и хост оборудването и ние обикновено не го препоръчваме.

Долната линия

Системата за управление на батерията прави литиево-йонните батерии приложими в мащаб. Той усеща, изчислява и действа спрямо това, което клетките правят, балансира ги, проследява здравето им и говори с останалата част от системата. Пропускането на истинска BMS или задоволяването със защитна платка, облечена като такава, ви струва запас на безопасност, продължителност на живота и в крайна сметка пари.

Преди да купите, заключете четири неща: брой клетки и химия, непрекъснат и пиков ток с резерв, точния набор за защита, от който се нуждаете, и комуникационния интерфейс, който говори вашата система. Съпоставете ги с правилната архитектура за вашия размер на опаковката и ще избегнете най-скъпите грешки в дизайна на литиевата батерия.

Ако оразмерявате BMS за конкретно приложение (EV сцепление, съхранение на енергия, електрически инструменти, морско стартиране или преносимо захранване), започнете от текущите изисквания и изискванията на протокола на приложението и работете назад. Това е разликата между опаковка, която издържа пет години, и такава, която се проваля след пет месеца.