Интеллектуальное управление аккумуляторами: Взгляд на BMS

Большинство коттеджей в сельской местности отапливаются дровами в простом каменном очаге. Желаемое тепло контролируется подачей дров. Сегодня компьютеры управляют системами отопления в больших зданиях, и котел стал почти второстепенным. Подобная тенденция развивается и с аккумуляторами. Все чаще аккумуляторами управляет устройство под названием Система управления аккумуляторами (BMS).

Система управления аккумуляторами (BMS) гарантирует безопасность, длительный срок службы и обеспечивает состояние заряда (SoC). Современные системы делают это, измеряя напряжение, ток и температуру элементов, некоторые также включают кулоновский счетчик. Кулоновский счетчик измеряет входящий и исходящий ток аккумулятора, теория, которая уходит в прошлое на 250 лет. Точность SoC достаточно хороша для потребительских товаров, и она уменьшается со временем использования. К тому времени пользователь привыкает к особенностям устройства, и никто не страдает. Военные, медицинские и другие критически важные приборы требуют более высокой точности, и эта статья сосредоточена на интеллекте, ответственном за измерение SoC аккумулятора.

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

Две стороны одной батареи

Задача так называемой «умной батареи» заключается в том, чтобы поддерживать электрохимическую и цифровую батареи вместе. Электрохимическая батарея известна как фактический накопитель энергии, а цифровая батарея – это схема, которая прогнозирует остаток энергии. Со временем они расходятся, и периодическая калибровка исправляет эту погрешность.

Рисунок 1: Отслеживание электрохимической и цифровой батареи как функции времени

Вызовы для BMS: старение и калибровка

Все аккумуляторы имеют потери, и высвобожденная энергия всегда меньше той, что была подана в аккумулятор. Неэффективность принятия заряда, особенно ближе к концу заряда, резистивные потери, которые превращаются в тепло, и потери накопления в виде саморазряда уменьшают энергию, которую можно получить. Распространенным недостатком проектирования BMS является предположение, что аккумулятор всегда будет оставаться молодым и энергичным. Старение приобретает много измерений, и некоторые BMS компенсируют это, наблюдая за поведением пользователя и условиями окружающей среды, чтобы вывести алгоритм «обучения», который предназначен для исправления ошибки отслеживания. Такое моделирование помогает, но есть ограничения, поскольку старение аккумулятора не всегда можно точно отследить.

Калибровка, также известная как повторное обучение емкости, является лучшим методом исправления ошибки отслеживания интеллектуального аккумулятора. Ручная калибровка происходит путем преднамеренного разряда аккумулятора. Это можно сделать в оборудовании или снаружи с помощью анализатора аккумулятора. В большинстве микросхем измерителя уровня топлива полный разряд сбрасывает флажок разряда, а последующий перезаряд устанавливает флажок заряда. Установка этих двух флажков позволяет рассчитывать SoC, отслеживая расстояние между флажками. Калибровку устройства, которое постоянно используется, следует проводить раз в три месяца или после 40 частичных циклов. Если устройство самостоятельно применяет периодический глубокий разряд, дополнительная калибровка не требуется. Такая калибровка практична для портативного устройства, но не для электрического силового агрегата или ИБП.

Устройство, которое часто сталкивается с проблемами калибровки, – это дефибриллятор. Дефибриллятор обеспечивает электрошоковую терапию для пациента, страдающего от остановки сердца. Этот медицинский прибор редко достигает полного разряда, необходимого для самокалибровки, и одного лишь полного заряда недостаточно. SMBus также не помогает. SMBus обеспечивает связь, и результаты настолько же хороши, насколько хороши доступные данные.

BMS в электромобилях: Особые вызовы

Нигде точность указателя заряда аккумулятора не является настолько критичной, как в электромобиле. Опросы показывают, что тревога по поводу запаса хода является одной из самых больших проблем среди покупателей электромобилей. Менее известным, но не менее тревожным препятствием является неточность указателя заряда аккумулятора. Водители электромобилей разряжают аккумулятор, хотя указатель топлива все еще показывал комфортный запас в 25 процентов. Застревание из-за ложных показаний добавляет страха и паранойи. Неофициальные комментарии инженеров консорциума SAE показывают, что погрешность SoC новых аккумуляторных модулей электромобилей может достигать 15 процентов.

Топливомер двигателя внутреннего сгорания не имеет этой проблемы. Резервуар для хранения остается неизменным на протяжении всего срока службы автомобиля, а дозировка топлива остается точной. С другой стороны, аккумулятор в электромобиле уменьшается, и технология измерения выданной энергии нуждается в совершенствовании. Люди сравнивают аккумулятор с топливным баком, но оценка емкости аккумулятора и измерение энергии аккумулятора с помощью электрохимического устройства намного сложнее, чем с системой хранения жидкого топлива.

Система управления аккумулятором (BMS) электрического силового агрегата также должна показывать общую энергию, которую аккумулятор может удерживать в любой момент времени. Точные измерения емкости пока невозможны, а потери в основном скрыты от пользователя. Емкость аккумулятора, возможно, упала до 80 процентов, но BMS все равно будет показывать 100 процентов SoC после полного заряда. Меньшая емкость уменьшает время работы и запас хода. Слабый аккумулятор также заряжается быстрее, поскольку его меньше нужно заряжать.

Система управления аккумулятором (BMS) должна отображать SoC и SoH. Но даже если бы SoH были доступны, многие производители колебались бы показывать емкость менее 100 процентов в течение гарантийного срока, опасаясь жалоб клиентов. SoH аккумуляторов в потребительских товарах, а также электрических силовых агрегатах могли бы быть доступны обслуживающему персоналу через закодированный доступ. Чтобы компенсировать потери и соблюдать гарантию от 8 до 10 лет, производители электромобилей увеличивают размер аккумулятора на 20 процентов. Это учитывает старение и предлагает дополнительный запас хода, на всякий случай.

Усовершенствование BMS: Технология Q-Mag™

Напряжения, тока и температуры аккумулятора недостаточно для точной оценки SoC, не говоря уже о состоянии его работы (SoH). Ранние литий-ионные аккумуляторы коррелировали рост внутреннего сопротивления с SoH. Это больше не работает, поскольку большинство современных литий-ионных аккумуляторов сохраняют низкое сопротивление по мере старения.

При проектировании BMS также необходимо учитывать, как аккумулятор служит хосту. Например, в iPhone и большинстве электромобилей аккумулятор «женат» на хосте. Это позволяет собирать данные для обучения. Аккумулятор и устройство сосуществуют подобно партнерам в хорошем браке. С другой стороны, аккумуляторы для двусторонней радиосвязи извлекаются из общего зарядного устройства и возвращаются в пул для перезарядки после использования. Обучение является сложным, и для отслеживания состояния аккумулятора необходимо использовать другой метод.

Cadex Electronics достигает решающего прогресса в измерении SoC аккумуляторов с помощью магнетизма. Квантовый магнетизм (Q-Mag™) может обеспечить самые точные показатели SoC аккумуляторов, которые когда-либо были достигнуты. Q-Mag™ использует магнитное свойство, связанное с SoC, которое изменяется до трех раз между разряженным и полным зарядом в некоторых аккумуляторных системах. Катушка генерирует поле переменного тока, а датчик считывает магнитную восприимчивость, которая линейна к SoC.

Существует несколько вариантов датчиков, и из-за доступности и низкой цены Cadex проводит исследования с датчиком GMR (гигантское магнитосопротивление). Он состоит из ферромагнитных сплавов, размещенных на сверхтонком немагнитном проводящем слое. Приложение магнитного поля снижает сопротивление; снятие силы увеличивает его. Этот принцип известен как рассеяние электронов, которое также используется в головках чтения/записи жестких дисков. На рисунке 2 показана функция датчика GMR.

Рисунок 2: Датчик GMR

Преимущества Q-Mag™ для будущих BMS

Q-Mag™ успешно прошел испытания с литий-ионно-кобальтовыми, NMC, литий-железо-фосфатными, а также несколькими типами свинцово-кислотных аккумуляторов. Система устойчива к большинству внешних помех и не зависит от напряжения для оценки SoC. Это позволяет считывать SoC во время зарядки аккумулятора или нагрузки. Q-Mag™ работает с призматическими и цилиндрическими элементами в алюминиевых и нержавеющих стальных корпусах, но не с черными металлами. Точность для литиевых элементов составляет +/-5%, свинцово-кислотных – +/-7%. Эту высокую точность следует сохранять по мере старения аккумулятора. Калибровка происходит путем полного заряда.

С помощью опорных значений напряжения и тока Q-Mag™ способен рассчитывать SoC и SoH. BMS также может обнаруживать микрокороткие замыкания, наблюдая саморазряд неисправного элемента, что повышает безопасность аккумулятора. Кроме того, Q-Mag™ можно использовать для выравнивания нагрузки. Это устраняет эффект резиновой ленты, который усложняет оценку SoC через напряжение. На рисунке 3 показан Q-Mag как ключевой фактор для BMS.

Рисунок 3: Q-Mag выступает основным поставщиком BMS

Q-Mag можно сделать небольшим и разместить между элементами. Многоэлементный аккумулятор может иметь один датчик для общей оценки или несколько для проведения диагностики на уровне элемента. ASIC, содержащий Q-Mag™, также может включать датчики температуры и цифровую обработку. При условии больших объемов и низкой цены эта технология будет доступна для больших и малых аккумуляторов, включая потребительские товары. Отображение точного запаса энергии, как это возможно с помощью системы жидкого топлива, может быть ближе, чем мы думаем.