Comment concevoir un BMS, le cerveau d'un système de stockage par batterie

Des systèmes de stockage de l'énergie de batterie sont placés dans des conditions de marché de plus en plus exigeantes, fournissant un large éventail d'applications. Ce serait une question intéressant discuter cela comment établir un système de gestion de batterie (BMS) qui assure de longues vies, polyvalence et disponibilité.

Chaque batterie moderne a besoin d'un système de gestion de batterie (BMS), qui est une combinaison de l'électronique et de logiciel, et agit en tant que cerveau de la batterie. Cet article se concentre sur la technologie de BMS pour les systèmes stationnaires de stockage de l'énergie. Les fonctionnalités les plus fondamentales du BMS sont de s'assurer que les cellules de batterie restent équilibrées et sûres, et l'information importante, telle que l'énergie disponible, est transmise à l'utilisateur ou aux systèmes reliés.

L'équilibrage est nécessaire parce que des installations de batterie se composent des centaines, parfois milliers de différentes cellules, que toutes ont des capacités et des résistances légèrement différentes. Ces différences augmentent au fil du temps pendant que les cellules dégradent à différents taux. Si les cellules ne sont pas équilibrées au moins de temps en temps, leurs tensions dériveront bientôt à part jusqu'à un degré que la capacité de batterie devient inutilisable.

La sécurité est assurée en gardant les cellules dans des limites de fonctionnement sûres de tension, de courant et de température, qui est particulièrement importante pour des batteries lithium-ion. Si les cellules obtiennent surchargées, chargées aux températures très basses, ou exposées aux courants excessifs ou aux températures, elles pourraient développer les défauts qui peuvent mener aux incendies ou aux explosions.

L'information telle que l'énergie disponible et une puissance ne peut pas être directement mesurée, qui signifie que le BMS doit la calculer basée sur des mesures de tension, de courant et de température. Ces calculs s'appellent l'évaluation d'état et les résultats sont transmis aux systèmes de plus haut niveau, y compris des interfaces utilisateurs.

Avant que nous regardions des considérations de conception de BMS plus en détail, il vaut de décrire les différents types de BMS et de conditions d'industrie qui informent des choix de conception. L'approche de équilibrage est typiquement employée pour classifier des types de BMS, bien que d'autres aspects de conception jouent des rôles importants, tels que différentes approches à l'évaluation d'état et aux circulations de l'information.

Construction de base de paquet

Les cellules, ou les cellules électrochimiques, comme des cellules de lithium-ion sont la plus petite unité du stockage de l'énergie dans un paquet. Elles viennent dans diverses tailles physiques qui se rapportent directement à leur capacité. La tension minimum d'une cellule de Lithium-ion peut être aussi basse que 2.5V (pour des cellules de LFP) et la tension maximum peuvent être aussi hauts comme 4.3V pour des chimies de NMC.

Des cellules sont reliées en parallèle pour augmenter le courant maximum qui peut être tiré du paquet. Un groupe de cellules connectées en parallele s'appellent une cellule superbe.

Généralement les cellules dans une cellule superbe auto-équilibre et il n'y a aucun besoin de les contrôler plus loin. Les exceptions peuvent inclure des chimies nouvelles comme le soufre de lithium et des chimies avec l'état plat de charge contre des courbes de tension actionnées dans des conditions extrêmes de caisse comme le phosphate de fer de lithium.

Des cellules superbes sont reliées en série pour former une ficelle. Un paquet de batterie se compose habituellement d'une ficelle simple. Relier des cellules superbes augmente en série la tension du paquet, qui est nécessaire dans des applications de puissance élevée pour empêcher les courants autrement extrêmement élevés de fonctionnement.

En ajoutant des cellules à une configuration de paquet de batterie, les augmentations de capacité d'énergie. Par conséquent, ajouter les cellules parallèles à une cellule superbe augmente la capacité d'énergie du paquet, de même que fait reliant une cellule superbe supplémentaire en série.

Types de BMS

Approche de équilibrage

L'équilibrage passif synchronise des tensions de cellules à la fin du processus de charge en absorbant l'énergie, qui serait entrée dans les cellules entièrement chargées, comme chaleur par l'intermédiaire des résistances. L'avantage de cette approche est le bas coût composant de l'électronique.

Les inconvénients incluent que toutes les cellules sont exposées au même courant, ainsi il signifie que les cellules connectées en série les plus faibles limitent l'énergie, la puissance, la vie et la sécurité de la batterie entière. La dégradation de cellules est accélérée puisque le courant sur des cellules plus faibles est plus haut relativement à leur capacité, qui peut également causer les points chauds localisés qui peuvent mener à la sous-sollicitation de la puissance de batterie ou même des questions de sécurité. D'ailleurs, de l'énergie est gaspillée pendant le processus de remplissage. Le BMS passif peut seulement surveiller le paquet actuel et l'interrompre par l'intermédiaire d'un commutateur de débranchement en cas d'un défaut.

Si la circulation de l'information bidirectionnelle est mise en application, des paramètres au niveau système tels que les arrangements opérationnels peuvent être changés pour donner la priorité à la vie ou aux performances de batterie. La vie est donnée la priorité en réduisant la fenêtre opérationnelle aux dépens de l'énergie disponible ou de la puissance, alors que des performances sont données la priorité en élargissant la fenêtre opérationnelle, aux dépens de la vie de batterie.

L'équilibrage actif est typiquement mis en application par l'intermédiaire des circuits de by-pass à faible intensité, qui de bas courants continus de remplissage aux cellules qui ne sont pas encore chargées, plutôt qu'absorbant l'énergie comme chaleur. L'avantage principal de cette approche est d'améliorer l'efficacité de remplissage, qui peut être importante si l'énergie de remplissage disponible doit ser aussi efficacement possible. Pour la plupart des applications, cependant, l'équilibrage actif ne justifie pas le coût composant supplémentaire pour les avantages qu'ils rapportent. Comme avec l'équilibrage passif, la dégradation de cellules est accélérée par des courants relatifs plus élevés sur des cellules plus faibles et les points chauds peuvent former.

Évaluation d'état

L'évaluation de l'état de la charge (SoC) et de l'état de santé (SoH) est basée sur une combinaison des modèles de batterie et des algorithmes d'évaluation. Le niveau de la sophistication et de l'exactitude qui est possible à l'évaluation d'état et aux modèles étant à la base de batterie dépend fortement du matériel, que nous employons ici pour différencier différentes approches.

Des circuits intégrés (IC) sont utilisés dans la plupart de BMSs conventionnel pour l'évaluation d'état, qui désigné souvent sous le nom de la “jauge de carburant”. Des IC “sont câblés” avec les modèles de batterie et les algorithmes chimie-spécifiques d'évaluation d'état. L'avantage des IC est qu'ils sont coût bas. Les inconvénients incluent la flexibilité et l'exactitude limitées de conception de système. Ce dernier tend à devenir plus mauvais au fil du temps. La flexibilité de conception est limitée parce que des IC sont typiquement créés pour une chimie particulière de batterie avec des caractéristiques particulières.

Si la chimie ou les caractéristiques de batterie changent, IC doit également être changé et la conception s'est adaptée. Les raisons de l'exactitude limitée et détériorante sont (i) évaluation d'état sur des IC est basées sur les représentations généralisées de la chimie de batterie et ne capture pas le thermo-dynamique diversifié et les propriétés dynamiques des cellules, qui peuvent varier entre les fabricants, les formats et les groupes, même pour la même puissance de calcul limitée de la chimie (ii) sur des IC contraint la complexité et la fidélité des algorithmes d'évaluation d'état et des modèles sous-jacents de batterie, et (iii) les caractéristiques de cellules changent au fil du temps, qui ne peuvent pas être capturées par des algorithmes câblés d'IC, menant à l'inexactitude croissante au fil du temps.

Des microprocesseurs peuvent être programmés avec des modèles de batterie et des algorithmes plus complexes et plus de haute fidélité d'évaluation d'état, qui peuvent être réglés avec précision pour expliquer des caractéristiques et des caractéristiques particulières de cellules. Les caractéristiques changeantes de cellules peuvent être adaptées en mettant à jour les paramètres des algorithmes d'évaluation d'état et des modèles de batterie, qui maintient des sorties plus précises au fil du temps. Le même matériel peut être utilisé pour n'importe quel type de chimie ou de fabricant de batterie, tenant compte de la flexibilité finale de conception. L'inconvénient peut être un coût composant plus élevé, selon la fonctionnalité exigée et la puissance informatique.

Circulation de l'information

La circulation de l'information unidirectionnelle est commune dans la plupart des installations de batterie : circulations de l'information du BMS aux systèmes et aux interfaces utilisateurs de plus haut niveau. Si le BMS est fourni par le fabricant de cellules, l'information moins de bas niveau tend à être disponible, car cette information peut être considérée sensible. L'information la plus importante est sécurité et reliée à la performance et inclut la métrique telle que le SoC et le SoH.

La circulation de l'information bidirectionnelle est possible si le BMS peut les entrées de processus, telles que des changements aux arrangements opérationnels (par exemple tension de cellules ou SoC permise maximale et minimale), ou même des mises à jour aux modèles de batterie ou aux algorithmes d'évaluation d'état pour maintenir leur exactitude, si des microcontrôleurs sont utilisés.