Systém správy baterií (BMS) je elektronický systém nebo obvod, který monitoruje nabíjení, vybíjení, teplotu a další faktory ovlivňující stav baterie nebo sady baterií. Používá se ke sledování a udržování stavu a kapacity baterie.
Dnešní BMS zařízení jsou pokročilá a často poskytují vyskakovací upozornění, jak jste to pravděpodobně zažili na notebooku nebo smartphonu. Tyto systémy by měly poskytovat minimálně:
- Monitorování napětí (stav nabití)
- Výdrž baterie a celkový zdravotní stav (stav zdraví)
- Monitorování teploty a stavu (bezpečná provozní oblast)
- doba nabíjení
Systém správy baterie může také nabízet další funkce v závislosti na aplikaci. Například u elektrických vozidel může displej BTS hlásit, kolik mil nebo kilometrů může vozidlo bezpečně ujet před dalším nabitím.
V tomto článku se dozvíme, jak funguje systém správy baterie, včetně toho, jak vypočítává a monitoruje životnost baterie.
Typická indikace životnosti baterie u notebooku před tím, než je nutné ji dobít, laskavě poskytnuto BMS.
Pochopení BMS
Systém správy baterie předpovídá stav a kapacitu baterie s celkovým cílem přesně indikovat zbývající čas, který je k dispozici pro použití. Často také monitoruje nabíjení a vybíjení baterie.
BMS obvykle přijímá vstup z baterie, jeho monitorování, zpracovává jej v algoritmu a poté generuje výstup. Výstupní data zahrnují stav změny (SOC), zdravotní stav (SOH) a také poruchový a stavový signál.
BMS lze použít pro jednu baterii nebo vícečlánkovou baterii. Níže uvedený obvod ukazuje tři články zapojené do série, kde BMS měří celkové napětí a také napětí každého článku. Také monitoruje proud pomocí bočníku nebo senzoru s hallovým efektem.
K dispozici jsou také metal-oxid-polovodičové tranzistory s efektem pole (MOSFET), jako jsou vysílače s efektem pole s řízením nabíjení nebo vybíjení (CFET a DFET), které poskytují integrované možnosti nabíjení a vybíjení. Tyto MOSFETy poskytují další bezpečnostní výhodu tím, že ukončují nabíjení nebo zátěže v případě poruchy. V tomto případě jsou nabíječka a zátěž spojeny, aby „komunikovaly“.
Bezpečný operační prostor
BMS zajišťuje bezpečné a spolehlivé používání baterie. Může například chránit baterii před nadměrnou nebo nízkou teplotou a před nadměrným nabitím nebo nadměrným vybitím.
Provozní teplota a napětí by měly být vždy v bezpečné provozní oblasti (SOA), což je uvedeno v níže uvedeném grafu napětí versus teplota. Hodnota v grafu, jako je tento, by měla vždy odpovídat datovému listu výrobce BMS, protože jsou k dispozici různé systémy.
Pokud teplota baterie překročí SOA kvůli příliš teplým nebo horkým podmínkám, jedná se o stav přehřátí. Je považován za nebezpečný, protože může roztavit články a obvody. Plastové pouzdro baterie obvykle začne měknout při teplotě kolem 200 F a roztavit se nad 300 F. V extrémních případech se baterie může také roztavit nebo explodovat.
Podobně jako teplo urychluje chemické reakce, nízké teploty je zpomalují. Stav nízké teploty může být způsoben nízkými nebo mrazivými teplotami, které mohou také ovlivnit baterii a její schopnost dodávat energii.
Napětí, které překročí hranice ideálního stavu a stoupne nad SOA, je přebití, které může poškodit baterii a nechat ji nefunkční. Když napětí klesne pod svůj stavový limit, je to považováno za nedobité. Všechny čtyři podmínky mohou poškodit baterii nebo mohou být nebezpečné.
Spolehlivý BMS monitoruje každý článek v obvodu a nabízí ochranu ukončením nabíjení baterie, pokud překročí kterýkoli z ideálních stavů.
Zdravotní stav
Zdravotní stav (SOH) označuje kapacitu nebo aktuální stav baterie ve srovnání s jejím ideálním stavem. SOH pomáhá určit procento dostupné nebo zbývající životnosti baterie.
V níže uvedeném grafu se kapacita baterie během cyklu nabíjení nebo vybíjení snižuje.
Jak se určuje SOH?
Parametry, které se mění se stářím baterie – jako je impedance nebo vodivost – lze použít k určení SOH článku. Když se takové parametry zvýší, výkon baterie se sníží a její teplota se zvýší.
Impedance je míra opozice, kterou obvod představuje proudu, když je aplikováno napětí. Vodivost je stupeň, ve kterém objekt vede elektřinu, počítá se jako poměr proudu.
Pro měření SOH je nutné zaznamenat počáteční impedanci nebo vodivost, která je obvykle uvedena v datovém listu výrobce. Chcete-li otestovat impedanci nebo vodivost baterie, aplikujte na článek malé střídavé napětí o známé frekvenci a amplitudě „E“ a změřte sdružený střídavý proud „I“, který na něj teče.
Impedance je Z = E/I („E“ je střídavé napětí na článku a „I“ je střídavý proud protékající baterií)
Vodivost je C = I/E
E = 0.0024 V a I = 0.0033 A Z = 0.0024 / 0.0033 = 0.072 ohm
Impedance a vodivost jsou vzájemně inverzní, kde se impedance zvyšuje a vodivost snižuje.
Nyní předpokládejme, že jsme obdrželi impedanci měřící 70 miliohmů, ale zpočátku to bylo 50 miliohmů.
Procento impedance = (aktuální impedance / počáteční impedance) x 100
Procento zvýšení impedance = procento impedance – 100
Impedance se zvýšila o 40 procent. Nyní vypočítejme SOH.
Baterie má počáteční kapacitu 1000mAh a impedance vzrostla o 40 procent.
Kapacita ztracena = (procento impedance /100) x Celková počáteční kapacita
= (40/100) x 1000 = 400 mAh
SOH = Celková počáteční kapacita – ztráta kapacity
= 600mAh
Teplotu lze také měřit procentem impedance. Řekněme, že počáteční procento je 40 C.
Aktuální teplota = (procento impedance /100) x počáteční teplota + počáteční teplota
V tomto případě, když se impedance zvyšuje, teplota baterie se zvyšuje, jak je znázorněno na grafu níže.
Stav nabití
Stav nabití (SOC) udává, kolik energie nebo energie zbývá v baterii, a vypočítává se pomocí zbývající kapacity baterie z celkové kapacity baterie. Stav nabití může být vyjádřen v procentech následovně…
Procento SOC = ( SOH / celková kapacita ) X 100
Ačkoli tento vzorec poskytuje SOC v procentech, není zcela přesný, protože nezohledňuje skutečnost, že celková kapacita baterie se časem snižuje. Nakonec nebude baterie schopna dosáhnout úplného, 100% nabití. Celková kapacita ve vzorci je tedy hodnota SOH.
Tato rovnice nabízí přesnější výsledek…
SOC procento = (SOC/SOH) x 100
Pokud je počáteční kapacita baterie 1000 mAh, ale SOH je nyní 500 mAh a zbývající kapacita je 300 mAh, pak…
SOC procento = ( 300 / 500) x 100 = 60 %
Jak se určuje SOC?
Nejjednodušší způsob, jak zjistit stav nabití, je měřením nabíjecího a vybíjecího napětí baterie. Toto však není ideální způsob měření kapacity, protože baterie nemá lineární nabíjecí ani vybíjecí křivku. Ne každé čtení by tedy bylo přesně znázorněno.
Zvažte například křivku nabíjení a vybíjení lithium-iontové baterie v níže uvedených grafech. Nabíjecí a vybíjecí napětí postupně mění stav baterie, dokud nezůstane konečné vybití stabilní.
Ideální metodou pro měření kapacity baterie je Coulomb Counting, který měří příchozí a odchozí proudy v průběhu času. Počítá s vybíjecím proudem v čase a pokud je nabíjecí proud stejný, odečítá ho od hodnot.
SOC = Celková kapacita – (Vybíjecí proud – Nabíjecí proud)
Pro měření vybití nebo nabití proudu je k dispozici několik různých metod v závislosti na systému měření baterie. Zde je několik:
Aktuální bočník: Bočník je nízkoohmový rezistor používaný k měření proudu a typicky, když proud překročí rozsah měřicího zařízení. Veškerý proud protéká bočníkem a vytváří úbytek napětí, který je měřen. Tato metoda má mírnou ztrátu výkonu přes odpor a zahřívá baterii.
Hallův efekt: Tento senzor měří měnící se napětí, když je zařízení umístěno v magnetickém poli. Odstraňuje problém ztráty napájení, typický pro proudový bočník, ale je nákladný a není schopen tolerovat vysoké proudy.
Obří magnetorezistence (GMR): Tyto senzory se používají jako detektory magnetického pole, které jsou citlivější (a dražší) než senzory s Hallovým efektem. Jsou nesmírně přesné.
Coulombovo počítání: Jak již bylo zmíněno, Coulomb zahrnuje měření množství proudu tekoucího do nebo z baterie. Níže je graf znázorňující proud měřený v různých časech pro určení celkového vybíjecího proudu s ohledem na čas.
Coulombovo měření je poměrně složité, ale může být provedeno pomocí mikrokontroléru.
Zdroje:
- https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_monitor_a_battery
- https://www.mpoweruk.com/soh.htm
- https://www.mpoweruk.com/testing.htm#impedance
- https://www.lithiumpowerinc.com/custom-lithium-battery-packs.html
Můžete také rád:
Máte otázky související s tímto článkem?
Ptejte se a diskutujte na fórech EDAboard.com a Electro-Tech-Online.com.
Chcete -li přidat komentář, musíte být přihlášeni.
Battery management system (BMS) je technologie určená k dohledu nad bateriovou sadou, což je sestava bateriových článků, elektricky organizovaná v konfiguraci matice řádek x sloupec, aby umožnila dodání cíleného rozsahu napětí a proudu po určitou dobu proti očekávané scénáře zatížení.
Dohled, který BMS poskytuje, obvykle zahrnuje:
- Sledování baterie
- Poskytování ochrany baterie
- Odhad provozního stavu baterie
- Průběžná optimalizace výkonu baterie
- Hlášení provozního stavu na externí zařízení
Zde termín „baterie“ zahrnuje celou sadu; nicméně monitorovací a řídicí funkce jsou specificky aplikovány na jednotlivé články nebo skupiny článků nazývané moduly v celkové sestavě bateriové sady. Lithium-iontové dobíjecí články mají nejvyšší hustotu energie a jsou standardní volbou pro bateriové sady pro mnoho spotřebních produktů, od notebooků po elektrická vozidla. I když fungují skvěle, mohou být poněkud nemilosrdné, pokud jsou provozovány mimo obecně těsnou bezpečnou provozní oblast (SOA), s výsledky sahajícími od snížení výkonu baterie až po zcela nebezpečné následky. BMS má jistě náročný popis práce a jeho celková složitost a dosah dohledu může zahrnovat mnoho oborů, jako jsou elektrické, digitální, řídicí, tepelné a hydraulické.
Jak fungují systémy správy baterie?
Systémy řízení baterií nemají pevný nebo jedinečný soubor kritérií, která je třeba přijmout. Rozsah návrhu technologie a implementované funkce obecně korelují s:
- Náklady, složitost a velikost baterie
- Použití baterie a jakékoli obavy o bezpečnost, životnost a záruku
- Požadavky na certifikaci z různých vládních nařízení, kde jsou náklady a sankce prvořadé, pokud jsou zavedena neadekvátní opatření funkční bezpečnosti
Existuje mnoho konstrukčních funkcí BMS, přičemž dvěma základními funkcemi jsou správa ochrany baterie a správa kapacity. Zde probereme, jak tyto dvě funkce fungují. Správa ochrany bateriové sady má dvě klíčové oblasti: elektrickou ochranu, což znamená, že nedovolí, aby se baterie poškodila používáním mimo její SOA, a tepelnou ochranu, která zahrnuje pasivní a/nebo aktivní řízení teploty pro udržení nebo převedení baterie do SOA.
Ochrana elektrického řízení: Proud
Sledování proudu baterie a napětí článků nebo modulů je cestou k elektrické ochraně. Elektrická SOA jakéhokoli článku baterie je vázána proudem a napětím. Obrázek 1 ilustruje typickou SOA lithium-iontových článků a dobře navržený BMS bude blok chránit tím, že zabrání provozu mimo hodnoty článků výrobce. V mnoha případech může být v zájmu prodloužení životnosti baterie použito další snížení výkonu, aby se nacházelo v bezpečné zóně SOA.
Kliknutím zobrazíte detail
Lithium-iontové články mají jiné proudové limity pro nabíjení než pro vybíjení a oba režimy zvládnou vyšší špičkové proudy, i když po krátkou dobu. Výrobci bateriových článků obvykle specifikují maximální limity nepřetržitého nabíjecího a vybíjecího proudu spolu s limity špičkového nabíjecího a vybíjecího proudu. BMS poskytující proudovou ochranu jistě použije maximální trvalý proud. Tomu však může předcházet náhlá změna podmínek zatížení; například prudké zrychlení elektromobilu. BMS může zahrnovat monitorování špičkového proudu integrací proudu a po delta čase, přičemž se rozhodne buď snížit dostupný proud, nebo úplně přerušit proud baterie. To umožňuje BMS mít téměř okamžitou citlivost na extrémní proudové špičky, jako je stav zkratu, který nepřitáhl pozornost žádné rezidentní pojistky, ale také shovívavý k vysokým špičkovým požadavkům, pokud nejsou příliš nadměrné. dlouho.
Ochrana elektrického řízení: Napětí
Obrázek 2 ukazuje, že lithium-iontový článek musí pracovat v určitém rozsahu napětí. Tyto hranice SOA budou nakonec určeny vnitřní chemií vybraného lithium-iontového článku a teplotou článků v daném čase. Navíc, protože každá baterie prochází značným množstvím cyklů proudu, vybíjení kvůli požadavkům na zatížení a nabíjení z různých zdrojů energie, jsou tyto limity napětí SOA obvykle dále omezeny, aby se optimalizovala životnost baterie. BMS musí vědět, jaké jsou tyto limity, a bude nařizovat rozhodnutí na základě blízkosti k těmto prahovým hodnotám. Například, když se blíží limit vysokého napětí, může BMS požadovat postupné snižování nabíjecího proudu nebo může požadovat úplné ukončení nabíjecího proudu, pokud je limitu dosaženo. Tento limit je však obvykle doprovázen dalšími úvahami o vnitřní hysterezi napětí, aby se zabránilo chvění ovládání o prahu vypnutí. Na druhou stranu, když se blíží limit nízkého napětí, BMS požádá, aby klíčové aktivní závadné zátěže snížily své aktuální požadavky. V případě elektrického vozidla to může být provedeno snížením povoleného točivého momentu dostupného pro trakční motor. BMS samozřejmě musí brát ohledy na bezpečnost pro řidiče jako nejvyšší prioritu a zároveň chránit baterii, aby se zabránilo trvalému poškození.
Tepelná ochrana: Teplota
V nominální hodnotě se může zdát, že lithium-iontové články mají široký provozní rozsah teplot, ale celková kapacita baterie se při nízkých teplotách snižuje, protože rychlost chemických reakcí se výrazně zpomaluje. S ohledem na schopnost při nízkých teplotách fungují mnohem lépe než olověné nebo NiMh baterie; řízení teploty je však prozíravě nezbytné, protože nabíjení pod 0 °C (32 °F) je fyzicky problematické. Jev pokovování kovového lithia se může objevit na anodě během nabíjení pod bodem mrazu. Jedná se o trvalé poškození, které má za následek nejen snížení kapacity, ale články jsou náchylnější k selhání, pokud jsou vystaveny vibracím nebo jiným stresovým podmínkám. BMS může řídit teplotu baterie pomocí ohřevu a chlazení.
Kliknutím zobrazíte detail
Realizovaný tepelný management je zcela závislý na velikosti a ceně baterie a výkonnostních cílech, kritériích návrhu BMS a produktové jednotce, která může zahrnovat zvážení cílové geografické oblasti (např. Aljaška versus Havaj). Bez ohledu na typ ohřívače je obecně účinnější čerpat energii z externího zdroje střídavého proudu nebo z alternativní rezidentní baterie určené k provozu ohřívače v případě potřeby. Pokud má však elektrický ohřívač mírný odběr proudu, může být energie z primárního akumulátoru odsávána, aby se zahřála. Pokud je implementován tepelný hydraulický systém, pak se k ohřevu chladicí kapaliny používá elektrický ohřívač, který je čerpán a distribuován v sestavě bloku.
Konstruktéři BMS nepochybně mají triky svého designérského řemesla, jak přivést tepelnou energii do obalu. Například lze zapnout různé výkonové elektroniky uvnitř BMS věnované řízení kapacity. I když není tak účinný jako přímé vytápění, lze jej bez ohledu na to využít. Chlazení je zvláště důležité pro minimalizaci ztráty výkonu lithium-iontové baterie. Například možná daná baterie funguje optimálně při 20 °C; pokud se teplota náplně zvýší na 30 °C, může se její výkonnost snížit až o 20 %. Pokud je baterie nepřetržitě nabíjena a dobíjena při 45 °C (113 °F), může ztráta výkonu vzrůst až na 50 %. Životnost baterie může také trpět předčasným stárnutím a degradací, pokud je neustále vystavena nadměrnému vývinu tepla, zejména během cyklů rychlého nabíjení a vybíjení. Chlazení se obvykle dosahuje dvěma způsoby, pasivním nebo aktivním, přičemž lze použít obě techniky. Pasivní chlazení se opírá o pohyb proudění vzduchu pro chlazení baterie. V případě elektrického vozidla to znamená, že se jednoduše pohybuje po silnici. Může to však být sofistikovanější, než se zdá, protože senzory rychlosti vzduchu by mohly být integrovány tak, aby strategicky automaticky upravovaly vychylovací přepážky pro maximalizaci proudění vzduchu. Implementace aktivního ventilátoru s řízenou teplotou může pomoci při nízkých rychlostech nebo při zastavení vozidla, ale vše, co může udělat, je pouze vyrovnat sadu s okolní teplotou. V případě horkého dne by to mohlo zvýšit počáteční teplotu balení. Tepelně hydraulické aktivní chlazení může být navrženo jako doplňkový systém a typicky využívá chladivo etylenglykol se specifikovaným poměrem směsi, cirkulující přes čerpadlo poháněné elektromotorem přes trubky/hadice, rozvodné potrubí, výměník tepla s křížovým prouděním (radiátor) a chladicí deska umístěná proti sestavě baterie. Systém BMS monitoruje teploty v bloku a otevírá a zavírá různé ventily, aby udržoval teplotu celé baterie v úzkém teplotním rozsahu, aby byl zajištěn optimální výkon baterie.
Řízení kapacity
Maximalizace kapacity baterie je pravděpodobně jednou z nejdůležitějších vlastností baterie, kterou BMS poskytuje. Pokud se tato údržba neprovede, baterie se nakonec může stát nepoužitelnou. Základem problému je, že „zásobník“ bateriových sad (řadové pole článků) není dokonale stejný a ve své podstatě má mírně odlišné rychlosti úniku nebo samovybíjení. Únik není vadou výrobce, ale chemickou charakteristikou baterie, i když může být statisticky ovlivněna drobnými odchylkami výrobního procesu. Zpočátku může mít bateriová sada dobře přizpůsobené články, ale postupem času se podobnost mezi buňkami dále zhoršuje, a to nejen kvůli samovybíjení, ale také vlivem cyklů nabíjení/vybíjení, zvýšené teploty a obecného stárnutí podle kalendáře. Když to pochopíte, vzpomeňte si dříve na diskusi o tom, že lithium-iontové články fungují skvěle, ale mohou být poněkud nemilosrdné, pokud jsou provozovány mimo těsnou SOA. Již dříve jsme se dozvěděli o požadované elektrické ochraně, protože lithium-iontové články se nevypořádávají dobře s přebíjením. Jakmile jsou plně nabité, nemohou přijmout žádný další proud a jakákoli další energie, která je do něj vtlačena, se promění v teplo, přičemž napětí potenciálně rychle stoupá, možná na nebezpečnou úroveň. Pro buňku to není zdravá situace a pokud bude pokračovat, může způsobit trvalé poškození a nebezpečné provozní podmínky.
Pole článků série baterií určuje celkové napětí baterie a nesoulad mezi sousedními články vytváří dilema při pokusu o nabití jakékoli sady. Obrázek 3 ukazuje, proč tomu tak je. Pokud má jeden dokonale vyváženou sadu článků, je vše v pořádku, protože každý se bude nabíjet stejným způsobem a nabíjecí proud může být přerušen, když je dosaženo horní mezní hodnoty 4.0 napětí. V nevyváženém scénáři však horní článek dosáhne svého limitu nabití brzy a nabíjecí proud musí být ukončen pro větev předtím, než budou ostatní spodní články nabity na plnou kapacitu.
