Інтелект в системі: Поглиблений погляд на Системи Управління Акумуляторами (BMS)

Генеральний директор Mercedes Дітер Цетше каже: « Інтелект акумулятора криється не в елементі, а в складній системі акумуляторів ». Це нагадує комп'ютери 1970-х років, які мали потужне обладнання, але мало програмного забезпечення

Ключові завдання BMS

Не всі системи управління (BMS) пропонують усі ці функції. Найбазовішими функціями є захист акумулятора та відображення стану заряду (SoC).

BMS для літієвих АКБ

Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму

Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart

Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron

Купити

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron

 Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.

Купити

Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy

Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!

Купити

Подивитися більше

Хоча SoC корисний, зчитування даних є неповним без відстеження ємності в міру розрядки акумулятора. Користувач може звикнути до акумулятора, який забезпечує повну ємність, але цей стан тимчасовий і його неможливо підтримувати. Ємність є основним показником стану акумулятора (SoH) і повинна бути частиною системи керування акумулятором (BMS). Знання SoC та SoH забезпечує стан функціонування (SoF), що є найвищою впевненістю в готовності, але технології для ефективного надання цієї інформації постійно вдосконалюються.

Створення кращої системи управління акумулятора (BMS) є складним завданням, враховуючи, що нам досі бракує надійного методу для вимірювання стану заряду – найпростішого показника стану акумулятор. Зчитування залишку енергії в акумуляторі є складнішим, ніж дозування рідкого палива. Хоча паливний бак має фіксовані розміри та подає паливо, яке можна виміряти з великою точністю, електрохімічна система зберігання зменшує свій розмір, а вхідні та вихідні кулони не можуть бути оцінені з великою точністю, оскільки акумулятор старіє.

Система управління (BMS) також забезпечує захист під час заряджання та розряджання; вона відключає акумулятор, якщо перевищено встановлені ліміти або виникла несправність. Встановленими стандартами BMS є шина SMBus (шина керування системою), яка використовується переважно для портативних застосувань, а також шина CAN (мережа контролера) та простіша шина LIN (локальна мережа з’єднань) для автомобільного використання.

Стаціонарні акумулятори були одними з перших, що включали системи контролю, і найбазовішою є моніторинг напруги окремих елементів. Деякі системи також включають вимірювання температури та струму елементів. Реєстрація невеликої різниці в температурі елементів вказує на проблему, а вимірювання падіння напруги кожного елемента при заданому навантаженні показує опір елементів. Таким чином можна виявити пересихання, корозію, відшарування пластин та інші несправності.

Хоча BMS ефективно виявляє аномалії, зниження ємності, найбільш передбачуваний показник справності, важко оцінити, оскільки напруга та внутрішній опір зазвичай не змінюються. Здатність зчитувати зниження ємності від 100 до 70 відсотків була б цінною, але більшість BMS не можуть зробити це ефективно, і акумулятор може бути визнаний повністю справним, навіть якщо ємність впала до 50 відсотків. Більшість BMS реагують лише на аномалії, які знаходяться поза межами оцінки ємності, такі як різниця напруги між елементами, спричинена дисбалансом елементів та зміною внутрішнього опору.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

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

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

Деякі виробники промислового та медичного обладнання використовують дату розрядки для визначення кінця терміну служби батареї, інші ж спостерігають за кількістю циклів. Хоча підрахунок циклів може бути спрощеним, не існує жодної угоди, яка б визначала цикл, і деякі системи просто називають це циклом, коли батарея заряджена. Дата розрядки має аналогічні недоліки, оскільки вона сприяє передчасній заміні батарей, які рідко використовуються, тоді як потужні батареї можуть залишатися в експлуатації занадто довго. Щоб зменшити ризик виходу з ладу, органи влади вимагають ранньої заміни, і дворічний термін служби є поширеним явищем. Тривале зберігання дуже скорочує термін служби батарей.

Біомедичні інженери знають, що більшість батарейок замінюються занадто рано. Власники iPhone скаржаться, що їхні смартфони показують 100-відсотковий заряд, коли батарея заряджена лише на 90 відсотків. Навіть військові лідери кажуть, що їхній арсенал батарей для бою настільки слабкий, що багато солдатів носять каміння замість батарейок. Ефективне управління батареями або відсутнє, або є неадекватним. Завищені очікування щодо BMS є поширеним явищем, і користувач приголомшений, коли залишається без заряду батареї.

Давайте розглянемо, як працює система управління будівлею (BMS), відзначимо недоліки та розглянемо новітні технології, які можуть змінити спосіб моніторингу акумуляторів.

Анатомія Ємності Акумулятора

Система управління акумулятором (BMS) фіксує стан «хімічного акумулятора» під час заряджання та розряджання та встановлює «цифровий акумулятор», який взаємодіє з користувачем. На схемі нижче зображено компоненти акумулятора, що складаються з накопиченої енергії, порожньої частини, яку можна поповнити, та неактивної частини, яка назавжди втрачається.

Рисунок 1: Три частини батареї

Номінальна ємність – це зазначена виробником ємність в Аг (ампер-годинах), яка дійсна лише для нового акумулятора; доступна ємність позначає справжню здатність накопичувати енергію, отриману шляхом віднімання неактивної частини. Стан заряду (SoC) – це накопичена енергія, яка також включає неактивну частину.

Система управління акумулятором (BMS) запрограмована на номінальну ємність і вимірює вхідні та вихідні кулони, що відносяться до доступної ємності. Зі зменшенням ємності кількість кулонів зменшується, і ця розбіжність дозволяє оцінити ємність. Найточніші показники можливі під час підрахунку кулонів від повністю розрядженого акумулятора під час повного заряду або розряду повністю зарядженого акумулятора до точки відключення. Такий чистий запуск рідко можливий, і реальні оцінки ємності з часом спотворюються.

Система управління (BMS) встановлює прапорці при отриманні сигналу повного розряду та заряду. Під час періоду спокою вдосконалена BMS також може розраховувати стан заряду (SoC) на основі стабільної напруги холостого ходу та починати підрахунок кулонів під час заряду та розряду з цієї точки зору. Деякі BMS також враховують відновлення напруги після зняття навантаження для оцінки стану заряду та/або стану заряду (SoH).

Вимірювання стану батареї за допомогою параметрів напруги-струму-температури

Старий Volkswagen Beetle мав мінімальні проблеми з акумулятором. Його система керування акумулятором подавала заряд на акумулятор і спалювала енергію перезаряду на резисторі, одночасно пропускаючи через релейний регулятор. Автомобіль не мав паразитних навантажень під час паркування.

Відтоді сучасні автомобілі були наповнені бортовою електронікою для підвищення безпеки, зручності, комфорту та задоволення від водіння; функціями, про необхідність яких ніхто не знав. Щоб аксесуари надійно працювали, стан заряду акумулятора має бути відомий у будь-який час. Це особливо важливо з технологією старт-стоп, яка впроваджується в усьому світі.

Коли двигун автомобіля з системою старт-стоп вимкнений на червоному світлі, акумулятор споживає 25–50 ампер для живлення фар, вентиляторів, склоочисників та інших аксесуарів. Акумулятор повинен мати достатній заряд, щоб завести двигун, що вимагає додаткових 350 А на короткий час. Коли двигун знову запрацює і автомобіль розганяється до встановленого обмеження швидкості, акумулятор починає заряджатися лише після 10-секундної затримки, а відстрочка дозволяє спрямувати всю енергію на прискорення автомобіля. Коли свинцево-кислотний акумулятор знову в режимі заряджання, як відомо, заряджається дуже повільно.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше

Щоб надавати важливу інформацію про стан акумулятора, автомобілі класу люкс оснащені датчиком акумулятора, який вимірює напругу, струм і температуру. На рисунку 2 зображено електронний монітор акумулятора (EBM), розміщений у невеликому корпусі, що є частиною позитивного затискача акумулятора.

Рисунок 2: Датчик акумулятора стартера

EBM добре працює з новим акумулятором, але більшість датчиків неправильно адаптуються до старіння. Точність SoC нового акумулятора становить приблизно +/–10 відсотків. Зі старінням EBM починає дрейфувати, і точність може падати до 20 відсотків і вище. Частково це пов'язано зі зниженням ємності, значенням, яке більшість BMS не можуть ефективно оцінити. Це не помилка інженерів, вони повністю розуміють складнощі та недоліки, пов'язані з цим.

BMS в Електромобілях та Гібридах

Типовий автомобіль із системою старт-стоп проходить близько 2000 мікроциклів на рік. Таке навантаження зменшить ємність стандартного стартерного акумулятора приблизно до 60 відсотків, і автовиробники використовують різні системи акумуляторів, включаючи AGM та вдосконалені свинцево-вуглецеві акумулятори.

Автовиробники хочуть переконатися, що жоден водій не застрягне в заторі з розрядженим акумулятором. Для економії енергії сучасні автомобілі вимикають непотрібні аксесуари, коли заряд акумулятора низький, а двигун залишається увімкненим на світлофорі. Навіть з урахуванням цього заходу рівень заряду може залишатися низьким під час поїздок у заторі, оскільки двигун на холостому ходу не забезпечує достатнього заряду акумулятора. З увімкненими фарами, склоочисниками та електричними нагрівальними елементами може відбуватися чистий розряд.

Моніторинг стану акумулятора також важливий у гібридних автомобілях для оптимізації рівнів заряду. Інтелектуальне управління зарядом запобігає перезаряду та глибокому розряду. Коли рівень заряду низький, двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) вмикається раніше, ніж зазвичай, і залишається працювати довше для додаткового заряду. При повністю зарядженому акумуляторі ДВЗ вимикається, і автомобіль рухається на електротязі в умовах повільного руху.

Водій електромобіля очікує аналогічної точності запасу енергії, як і у транспортного засобу, що працює на паливі, але сучасні технології цього не дозволяють. Щоб компенсувати це, акумулятор електромобіля переоцінюється, а покажчик рівня палива регулюється таким чином, щоб зберегти додаткову енергію, коли заряд падає низько, щоб покрити неточності. Водієві електромобіля рекомендується не допускати занадто низького рівня заряду, а частіше заряджати акумулятор. Середній діапазон заряду найкраще підходить для акумулятора.

Водій електромобіля також очікує однаковий запас ходу в міру старіння автомобіля. Це неможливо, і запас ходу з кожним роком скорочується, але система управління автомобілем (BMS) враховує це. Новий акумулятор може заряджатися лише приблизно до 80 відсотків і розряджатися до 30 відсотків. Зі зменшенням ємності пропускна здатність поступово збільшується, забезпечуючи аналогічний запас ходу, як і новий акумулятор. Пройдені відстані будуть помітно коротшими під час руху за низьких температур через зниження продуктивності акумулятора та після того, як акумулятор вийде за межі діапазону компенсації енергії BMS.

Майбутнє BMS: Додавання Оцінки Ємності

EBM має обмеження, оскільки він не може ефективно оцінювати ємність. Це можна подолати, додавши оцінки ємності. На рисунку 3 показано BMS із загальними точками вимірювання, до яких додано можливість вимірювання ємності. Spectro™ розшифровується як електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS) зі складним моделюванням. Це перетворює простий датчик батареї на рівень стану функції (SoF).

Рисунок 3: Spectro-BMS

Знання SoF покращує перевірку акумулятора, але деякі виробники пристроїв відмовляються розкривати споживачеві показники ємності, які менше 100 відсотків, особливо протягом гарантійного періоду. Щоб приховати небажану інформацію, дані можуть бути доступні лише для використання сервісним персоналом через код.

Якщо залишити осторонь занепокоєння споживачів, SoF означає значне покращення BMS з точки зору надійності акумуляторів, оскільки вона відстежує зниження ємності та розраховує фактичний час роботи на доступній енергії. BMS на основі ємності також прогнозуватиме подальшу заміну, проблему, яку неможливо повністю вирішити за допомогою сучасних технологій BMS. Майбутні BMS поєднуватимуть інформацію про «цифровий акумулятор» з інформацією про «хімічний акумулятор», щоб надавати надійні дані SoF за допомогою вдосконалених алгоритмів навчання.