Интеллект в системе: Углубленный взгляд на Системы Управления Аккумуляторами (BMS)

Генеральный директор Mercedes Дитер Цетше говорит: «Интеллект аккумулятора кроется не в элементе, а в сложной системе аккумуляторов». Это напоминает компьютеры 1970-х годов, у которых было мощное оборудование, но мало программного обеспечения

Ключевые задачи BMS

Не все системы управления (BMS) предлагают все эти функции. Самыми базовыми функциями являются защита аккумулятора и отображение состояния заряда (SoC).

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше

Хотя SoC полезен, считывание данных является неполным без отслеживания емкости по мере разрядки аккумулятора. Пользователь может привыкнуть к аккумулятору, который обеспечивает полную емкость, но это состояние временное и его невозможно поддерживать. Емкость является основным показателем состояния аккумулятора (SoH) и должна быть частью системы управления аккумулятором (BMS). Знание SoC и SoH обеспечивает состояние функционирования (SoF), что является наивысшей уверенностью в готовности, но технологии для эффективного предоставления этой информации постоянно совершенствуются.

Создание лучшей системы управления аккумулятором (BMS) является сложной задачей, учитывая, что нам до сих пор не хватает надежного метода для измерения состояния заряда – простейшего показателя состояния аккумулятора. Считывание остатка энергии в аккумуляторе сложнее, чем дозирование жидкого топлива. Хотя топливный бак имеет фиксированные размеры и подает топливо, которое можно измерить с большой точностью, электрохимическая система хранения уменьшает свой размер, а входящие и исходящие кулоны не могут быть оценены с большой точностью, поскольку аккумулятор стареет.

Система управления (BMS) также обеспечивает защиту во время зарядки и разрядки; она отключает аккумулятор, если превышены установленные лимиты или возникла неисправность. Установленными стандартами BMS являются шина SMBus (шина управления системой), которая используется преимущественно для портативных приложений, а также шина CAN (сеть контроллера) и более простая шина LIN (локальная сеть соединений) для автомобильного использования.

Стационарные аккумуляторы были одними из первых, которые включали системы контроля, и самой базовой является мониторинг напряжения отдельных элементов. Некоторые системы также включают измерение температуры и тока элементов. Регистрация небольшой разницы в температуре элементов указывает на проблему, а измерение падения напряжения каждого элемента при заданной нагрузке показывает сопротивление элементов. Таким образом можно выявить пересыхание, коррозию, отслоение пластин и другие неисправности.

Хотя BMS эффективно обнаруживает аномалии, снижение емкости, наиболее предсказуемый показатель исправности, трудно оценить, поскольку напряжение и внутреннее сопротивление обычно не изменяются. Способность считывать снижение емкости от 100 до 70 процентов была бы ценной, но большинство BMS не могут сделать это эффективно, и аккумулятор может быть признан полностью исправным, даже если емкость упала до 50 процентов. Большинство BMS реагируют только на аномалии, которые находятся за пределами оценки емкости, такие как разница напряжения между элементами, вызванная дисбалансом элементов и изменением внутреннего сопротивления.

Некоторые производители промышленного и медицинского оборудования используют дату разрядки для определения конца срока службы батареи, другие же наблюдают за количеством циклов. Хотя подсчет циклов может быть упрощенным, не существует никакого соглашения, которое бы определяло цикл, и некоторые системы просто называют это циклом, когда батарея заряжена. Дата разрядки имеет аналогичные недостатки, поскольку она способствует преждевременной замене батарей, которые редко используются, в то время как мощные батареи могут оставаться в эксплуатации слишком долго. Чтобы уменьшить риск выхода из строя, органы власти требуют ранней замены, и двухлетний срок службы является распространенным явлением. Длительное хранение очень сокращает срок службы батарей.

Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL

Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы

Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания

Купить

Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем

Купить

AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)

AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике

Купить

Посмотреть больше

Биомедицинские инженеры знают, что большинство батареек заменяются слишком рано. Владельцы iPhone жалуются, что их смартфоны показывают 100-процентный заряд, когда батарея заряжена всего на 90 процентов. Даже военные лидеры говорят, что их арсенал батарей для боя настолько слаб, что многие солдаты носят камни вместо батареек. Эффективное управление батареями либо отсутствует, либо неадекватно. Завышенные ожидания относительно BMS являются распространенным явлением, и пользователь ошеломлен, когда остается без заряда батареи.

Давайте рассмотрим, как работает система управления зданием (BMS), отметим недостатки и рассмотрим новейшие технологии, которые могут изменить способ мониторинга аккумуляторов.

Анатомия Емкости Аккумулятора

Система управления аккумулятором (BMS) фиксирует состояние «химического аккумулятора» во время зарядки и разрядки и устанавливает «цифровой аккумулятор», который взаимодействует с пользователем. На схеме ниже изображены компоненты аккумулятора, состоящие из накопленной энергии, пустой части, которую можно пополнить, и неактивной части, которая навсегда теряется.

Рисунок 1: Три части батареи

Номинальная емкость – это указанная производителем емкость в Ач (ампер-часах), которая действительна только для нового аккумулятора; доступная емкость обозначает истинную способность накапливать энергию, полученную путем вычитания неактивной части. Состояние заряда (SoC) – это накопленная энергия, которая также включает неактивную часть.

Система управления аккумулятором (BMS) запрограммирована на номинальную емкость и измеряет входящие и исходящие кулоны, относящиеся к доступной емкости. С уменьшением емкости количество кулонов уменьшается, и это расхождение позволяет оценить емкость. Наиболее точные показатели возможны при подсчете кулонов от полностью разряженного аккумулятора во время полного заряда или разряда полностью заряженного аккумулятора до точки отключения. Такой чистый запуск редко возможен, и реальные оценки емкости со временем искажаются.

Система управления (BMS) устанавливает флажки при получении сигнала полного разряда и заряда. Во время периода покоя усовершенствованная BMS также может рассчитывать состояние заряда (SoC) на основе стабильного напряжения холостого хода и начинать подсчет кулонов во время заряда и разряда с этой точки зрения. Некоторые BMS также учитывают восстановление напряжения после снятия нагрузки для оценки состояния заряда и/или состояния здоровья (SoH).

Измерение состояния батареи с помощью параметров напряжение-ток-температура

Старый Volkswagen Beetle имел минимальные проблемы с аккумулятором. Его система управления аккумулятором подавала заряд на аккумулятор и сжигала энергию перезаряда на резисторе, одновременно пропуская через релейный регулятор. Автомобиль не имел паразитных нагрузок во время парковки.

С тех пор современные автомобили были наполнены бортовой электроникой для повышения безопасности, удобства, комфорта и удовольствия от вождения; функциями, о необходимости которых никто не знал. Чтобы аксессуары надежно работали, состояние заряда аккумулятора должно быть известно в любое время. Это особенно важно с технологией старт-стоп, которая внедряется во всем мире.

Когда двигатель автомобиля с системой старт-стоп выключен на красном свете, аккумулятор потребляет 25–50 ампер для питания фар, вентиляторов, стеклоочистителей и других аксессуаров. Аккумулятор должен иметь достаточный заряд, чтобы завести двигатель, что требует дополнительных 350 А на короткое время. Когда двигатель снова заработает и автомобиль разгоняется до установленного ограничения скорости, аккумулятор начинает заряжаться только после 10-секундной задержки, а отсрочка позволяет направить всю энергию на ускорение автомобиля. Когда свинцово-кислотный аккумулятор снова в режиме зарядки, как известно, он заряжается очень медленно.

Чтобы предоставлять важную информацию о состоянии аккумулятора, автомобили класса люкс оснащены датчиком аккумулятора, который измеряет напряжение, ток и температуру. На рисунке 2 изображен электронный монитор аккумулятора (EBM), размещенный в небольшом корпусе, который является частью положительного зажима аккумулятора.

Рисунок 2: Датчик аккумулятора стартера

EBM хорошо работает с новым аккумулятором, но большинство датчиков неправильно адаптируются к старению. Точность SoC нового аккумулятора составляет примерно +/–10 процентов. Со старением EBM начинает дрейфовать, и точность может падать до 20 процентов и выше. Частично это связано со снижением емкости, значением, которое большинство BMS не могут эффективно оценить. Это не ошибка инженеров, они полностью понимают сложности и недостатки, связанные с этим.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить

Посмотреть больше

BMS в Электромобилях и Гибридах

Типичный автомобиль с системой старт-стоп проходит около 2000 микроциклов в год. Такая нагрузка уменьшит емкость стандартного стартерного аккумулятора примерно до 60 процентов, и автопроизводители используют различные системы аккумуляторов, включая AGM и усовершенствованные свинцово-углеродные аккумуляторы.

Автопроизводители хотят убедиться, что ни один водитель не застрянет в пробке с разряженным аккумулятором. Для экономии энергии современные автомобили отключают ненужные аксессуары, когда заряд аккумулятора низкий, а двигатель остается включенным на светофоре. Даже с учетом этой меры уровень заряда может оставаться низким во время поездок в пробке, поскольку двигатель на холостом ходу не обеспечивает достаточного заряда аккумулятора. С включенными фарами, стеклоочистителями и электрическими нагревательными элементами может происходить чистый разряд.

Мониторинг состояния аккумулятора также важен в гибридных автомобилях для оптимизации уровней заряда. Интеллектуальное управление зарядом предотвращает перезаряд и глубокий разряд. Когда уровень заряда низкий, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) включается раньше, чем обычно, и остается работать дольше для дополнительного заряда. При полностью заряженном аккумуляторе ДВС выключается, и автомобиль движется на электротяге в условиях медленного движения.

Водитель электромобиля ожидает аналогичной точности запаса энергии, как и у транспортного средства, работающего на топливе, но современные технологии этого не позволяют. Чтобы компенсировать это, аккумулятор электромобиля переоценивается, а указатель уровня топлива регулируется таким образом, чтобы сохранить дополнительную энергию, когда заряд падает низко, чтобы покрыть неточности. Водителю электромобиля рекомендуется не допускать слишком низкого уровня заряда, а чаще заряжать аккумулятор. Средний диапазон заряда лучше всего подходит для аккумулятора.

Водитель электромобиля также ожидает одинаковый запас хода по мере старения автомобиля. Это невозможно, и запас хода с каждым годом сокращается, но система управления автомобилем (BMS) учитывает это. Новый аккумулятор может заряжаться только примерно до 80 процентов и разряжаться до 30 процентов. С уменьшением емкости пропускная способность постепенно увеличивается, обеспечивая аналогичный запас хода, как и новый аккумулятор. Пройденные расстояния будут заметно короче во время движения при низких температурах из-за снижения производительности аккумулятора и после того, как аккумулятор выйдет за пределы диапазона компенсации энергии BMS.

Будущее BMS: Добавление Оценки Емкости

EBM имеет ограничения, поскольку он не может эффективно оценивать емкость. Это можно преодолеть, добавив оценки емкости. На рисунке 3 показана BMS с общими точками измерения, к которым добавлена возможность измерения емкости. Spectro™ расшифровывается как электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) со сложным моделированием. Это превращает простой датчик батареи в уровень состояния функции (SoF).

Рисунок 3: Spectro-BMS

Знание SoF улучшает проверку аккумулятора, но некоторые производители устройств отказываются раскрывать потребителю показатели емкости, которые меньше 100 процентов, особенно в течение гарантийного периода. Чтобы скрыть нежелательную информацию, данные могут быть доступны только для использования сервисным персоналом через код.

Если оставить в стороне беспокойство потребителей, SoF означает значительное улучшение BMS с точки зрения надежности аккумуляторов, поскольку она отслеживает снижение емкости и рассчитывает фактическое время работы на доступной энергии. BMS на основе емкости также будет прогнозировать дальнейшую замену, проблему, которую невозможно полностью решить с помощью современных технологий BMS. Будущие BMS будут сочетать информацию о «цифровом аккумуляторе» с информацией о «химическом аккумуляторе», чтобы предоставлять надежные данные SoF с помощью усовершенствованных алгоритмов обучения.