Les systèmes de stockage d'énergie par batterie sont placés dans des conditions de marché de plus en plus exigeantes, offrant un large éventail d'applications.Il serait intéressant de discuter de la façon de construire un système de gestion de la batterie (BMS) qui assure une longue durée de vie., polyvalence et disponibilité.
Chaque batterie moderne a besoin d'un système de gestion de la batterie (BMS), qui est une combinaison d'électronique et de logiciel, et agit comme le cerveau de la batterie.Cet article se concentre sur la technologie BMS pour les systèmes de stockage d'énergie stationnaireLes fonctions les plus élémentaires du BMS sont de s'assurer que les cellules de la batterie restent équilibrées et sûres, et des informations importantes, telles que l'énergie disponible,est transmis à l'utilisateur ou aux systèmes connectés.
L'équilibre est nécessaire parce que les systèmes de batteries sont constitués de centaines, parfois de milliers de cellules individuelles, qui ont toutes des capacités et des résistances légèrement différentes.Ces différences augmentent avec le temps à mesure que les cellules se dégradent à des vitesses différentes.Si les cellules ne sont pas équilibrées au moins de temps en temps, leur tension va bientôt s'éloigner à un point tel que la capacité de la batterie devient inutilisable.
La sécurité est assurée en maintenant les cellules dans des limites de fonctionnement sûres de tension, de courant et de température, ce qui est particulièrement important pour les batteries lithium-ion.chargés à très basse température, ou exposés à des courants ou des températures excessifs, ils pourraient développer des failles pouvant entraîner des incendies ou des explosions.
Les informations telles que l'énergie et la puissance disponibles ne peuvent pas être mesurées directement, ce qui signifie que le BMS doit calculer Ces calculs sont appelés estimation d'état et les résultats sont transmis aux systèmes de niveau supérieur, y compris les interfaces utilisateur.
Avant d'examiner plus en détail les considérations de conception des BMS, il convient de décrire les différents types de BMS et les exigences de l'industrie qui influent sur les choix de conception.L'approche d'équilibrage est généralement utilisée pour classer les types de BMS, bien que d'autres aspects de conception jouent un rôle important, tels que des approches différentes de l'estimation des états et des flux d'information.
Construction de base du paquet
Les cellules, ou cellules électrochimiques, comme les cellules lithium-ion, sont la plus petite unité de stockage d'énergie dans un paquet.La tension minimale d'une cellule lithium-ion peut être aussi basse que 2.5V (pour les cellules LFP) et la tension maximale peut atteindre 4,3V pour les produits chimiques NMC.
Les cellules sont connectées en parallèle pour augmenter le courant maximum qui peut être tiré du paquet.
En général, les cellules d'une supercellule s'auto-équilibrent et il n'est pas nécessaire de les gérer davantage.Les exceptions peuvent inclure des produits chimiques novateurs tels que le soufre de lithium et des produits chimiques avec des courbes d'état plat de charge par rapport à la tension fonctionnant dans des conditions extrêmes de taux de C comme le phosphate de fer de lithium.
Une batterie est généralement constituée d'une seule chaîne.qui est nécessaire dans les applications à haute puissance pour éviter des courants de fonctionnement extrêmement élevés.
Lorsque des cellules sont ajoutées à une configuration de batterie, la capacité énergétique augmente.tout comme la connexion d'une supercellule supplémentaire en série.
Types de BMS
Approche équilibrée
L'équilibrage passif synchronise les tensions de la cellule à la fin du processus de charge en dissipant l'énergie, qui serait allée dans les cellules complètement chargées, sous forme de chaleur via des résistances.L'avantage de cette approche est le faible coût des composants de l'électronique.
Les inconvénients sont notamment que toutes les cellules sont exposées au même courant, ce qui signifie que les cellules connectées en série les plus faibles limitent l'énergie, la puissance, la durée de vie et la sécurité de l'ensemble de la batterie.La dégradation cellulaire est accélérée puisque le courant sur les cellules plus faibles est plus élevé par rapport à leur capacité, ce qui peut également provoquer des points chauds localisés pouvant entraîner une diminution de la puissance de la batterie ou même des problèmes de sécurité.Le BMS passif peut seulement surveiller le courant de la batterie et l'interrompre par un interrupteur de déconnexion en cas de panne.
Si le flux d'information bidirectionnel est mis en œuvre, les paramètres au niveau du système tels que les paramètres de fonctionnement peuvent être modifiés pour donner la priorité à la durée de vie ou aux performances de la batterie.La durée de vie est privilégiée en réduisant la fenêtre opérationnelle au détriment de l'énergie ou de la puissance disponibles, tandis que la performance est prioritaire en élargissant la fenêtre de fonctionnement, au détriment de la durée de vie de la batterie.
L'équilibrage actif est généralement mis en œuvre via des circuits de dérivation à faible courant, qui dirigent de faibles courants de charge vers des cellules qui ne sont pas encore chargées, plutôt que de dissiper l'énergie sous forme de chaleur.L'avantage principal de cette approche est d'améliorer l'efficacité de la recharge, ce qui peut être important si l'énergie de charge disponible doit être utilisée de la manière la plus efficace possible.l'équilibrage actif ne justifie pas le coût additionnel des composantes pour les avantages qu'elles procurentComme pour l'équilibrage passif, la dégradation cellulaire est accélérée par des courants relatifs plus élevés sur les cellules plus faibles et des points chauds peuvent se former.
Estimation de l'État
L'estimation de l'état de charge et de l'état de santé est basée sur une combinaison de modèles de batterie et d'algorithmes d'estimation.Le niveau de sophistication et de précision possible pour l'estimation de l'état et les modèles de batterie sous-jacents dépend fortement du matériel, que nous utilisons ici pour différencier les différentes approches.
Les circuits intégrés (IC) sont utilisés dans la plupart des BMS conventionnels pour l'estimation de l'état, qui sont souvent appelés "indicateur de carburant".Les circuits intégrés sont " câblés " avec des modèles de batteries spécifiques à la chimie et des algorithmes d'estimation de l'étatL'avantage des circuits intégrés est qu'ils sont peu coûteux. Les inconvénients comprennent une flexibilité et une précision limitées de la conception du système. Ce dernier a tendance à s'aggraver avec le temps.La flexibilité de conception est limitée car les circuits intégrés sont généralement créés pour une chimie de batterie particulière avec des spécifications particulières.
Si la composition chimique ou les spécifications de la batterie changent, le CI doit également être modifié et la conception adaptée. 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, qui peuvent varier selon les fabricants, les formats et les lots,même pour la même chimie (ii) la puissance de calcul limitée sur les circuits intégrés limite la complexité et la fidélité des algorithmes d'estimation de l'état et des modèles de batterie sous-jacents, et (iii) les caractéristiques des cellules changent au fil du temps, ce qui ne peut pas être capturé par des algorithmes de circuits intégrés câblés, ce qui entraîne une inexactitude croissante au fil du temps.
Les microprocesseurs peuvent être programmés avec des modèles de batterie plus complexes et de plus grande fidélité et des algorithmes d'estimation d'état,qui peut être affiné pour tenir compte des caractéristiques et spécifications particulières des cellulesLes caractéristiques changeantes des cellules peuvent être prises en compte en mettant à jour les paramètres des algorithmes d'estimation de l'état et des modèles de batterie, ce qui permet de maintenir des sorties plus précises au fil du temps.Le même matériel peut être utilisé pour tout type de batterie chimique ou fabricantL'inconvénient peut être un coût des composants plus élevé, en fonction de la fonctionnalité et de la puissance de calcul requises.
Flux d'information
Le flux d'information unidirectionnel est courant dans la plupart des systèmes de batteries: les flux d'information du BMS vers les systèmes de niveau supérieur et les interfaces utilisateur.moins d'informations de bas niveau sont disponiblesLes informations les plus importantes sont celles relatives à la sécurité et aux performances et incluent des mesures telles que SoC et SoH.
Le flux d'information bidirectionnel est possible si le BMS peut traiter les entrées, telles que les modifications des paramètres de fonctionnement (par exemple, la tension maximale et minimale admissible de la cellule ou SoC),ou même des mises à jour des modèles de batteries ou des algorithmes d'estimation de l'état pour maintenir leur précision, si des microcontrôleurs sont utilisés.
