Інтелектуальне управління акумуляторами: Погляд на BMS

Більшість котеджів у сільській місцевості опалюються дровами у простому кам'яному вогнищі. Бажане тепло контролюється подачею дров. Сьогодні комп'ютери керують системами опалення у великих будівлях, і котел став майже другорядним. Подібна тенденція розвивається і з акумуляторами. Все частіше акумуляторами керує пристрій під назвою Система керування акумуляторами (BMS).

Система управління акумуляторами (BMS) гарантує безпеку, тривалий термін служби та забезпечує стан заряду (SoC). Сучасні системи роблять це, вимірюючи напругу, струм та температуру елементів, деякі також включають кулонівський лічильник. Кулонівський лічильник вимірює вхідний та вихідний струм акумулятора, теорія, яка сягає 250 років. Точність SoC достатньо хороша для споживчих товарів, і вона зменшується з часом використання. На той час користувач звикає до особливостей пристрою, і ніхто не страждає. Військові, медичні та інші критично важливі прилади вимагають вищої точності, і ця стаття зосереджена на інтелекті, відповідальному за вимірювання SoC акумулятора.

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

Дві сторони однієї батареї

Завдання так званої «розумної батареї» полягає в тому, щоб підтримувати електрохімічну та цифрову батареї разом. Електрохімічна батарея відома як фактичний накопичувач енергії, а цифрова батарея – це схема, яка прогнозує залишок енергії. З часом вони розходяться, і періодичне калібрування виправляє цю похибку.

Рисунок 1: Відстеження електрохімічної та цифрової батареї як функції часу

Виклики для BMS: старіння та калібрування

Усі акумулятори мають втрати, і вивільнена енергія завжди менша за ту, що була подана в акумулятор. Неефективність прийняття заряду, особливо ближче до кінця заряду, резистивні втрати, які перетворюються на тепло, та втрати накопичення у вигляді саморозряду зменшують енергію, яку можна отримати. Поширеним недоліком проектування BMS є припущення, що акумулятор завжди залишатиметься молодим та енергійним. Старіння набуває багатьох вимірів, і деякі BMS компенсують це, спостерігаючи за поведінкою користувача та умовами навколишнього середовища, щоб вивести алгоритм «навчання», який призначений для виправлення помилки відстеження. Таке моделювання допомагає, але є обмеження, оскільки старіння акумулятора не завжди можна точно відстежити.

Калібрування, також відоме як повторне навчання ємності, є кращим методом виправлення помилки відстеження інтелектуального акумулятора. Ручне калібрування відбувається шляхом навмисного розряду акумулятора. Це можна зробити в обладнанні або зовні за допомогою аналізатора акумулятора. У більшості мікросхем вимірювача рівня палива повний розряд скидає прапорець розряду, а наступний перезаряд встановлює прапорець заряду. Встановлення цих двох прапорців дозволяє розраховувати SoC, відстежуючи відстань між прапорцями. Калібрування пристрою, який постійно використовується, слід проводити раз на три місяці або після 40 часткових циклів. Якщо пристрій самостійно застосовує періодичний глибокий розряд, додаткове калібрування не потрібне. Таке калібрування практичне для портативного пристрою, але не для електричного силового агрегату або ДБЖ.

ристрій, який часто стикається з проблемами калібрування, – це дефібрилятор. Дефібрилятор забезпечує електрошокову терапію для пацієнта, який страждає від зупинки серця. Цей медичний прилад рідко досягає повного розряду, необхідного для самокалібрування, і одного лише повного заряду недостатньо. SMBus також не допомагає. SMBus забезпечує зв'язок, і результати настільки ж хороші, наскільки хороші доступні дані.

BMS в електромобілях: Особливі виклики

Ніде точність покажчика заряду акумулятора не є настільки критичною, як в електромобілі. Опитування показують, що тривога щодо запасу ходу є однією з найбільших проблем серед покупців електромобілів. Менш відомою, але не менш тривожною перешкодою є неточність покажчика заряду акумулятора. Водії електромобілів розряджають акумулятор, хоча покажчик палива все ще показував комфортний запас у 25 відсотків. Застрягання через помилкові показники додає страху та параної. Неофіційні коментарі інженерів консорціуму SAE показують, що похибка SoC нових акумуляторних модулів електромобілів може сягати 15 відсотків.

Паливомір двигуна внутрішнього згоряння не має цієї проблеми. Резервуар для зберігання залишається незмінним протягом усього терміну служби автомобіля, а дозування палива залишається точним. З іншого боку, акумулятор в електромобілі зменшується, і технологія вимірювання виданої енергії потребує вдосконалення. Люди порівнюють акумулятор з паливним баком, але оцінка ємності акумулятора та вимірювання енергії акумулятора за допомогою електрохімічного пристрою набагато складніші, ніж із системою зберігання рідкого палива.

Система управління акумулятором (BMS) електричного силового агрегату також повинна показувати загальну енергію, яку акумулятор може утримувати в будь-який момент часу. Точні вимірювання ємності поки що неможливі, а втрати здебільшого приховані від користувача. Ємність акумулятора, можливо, впала до 80 відсотків, але BMS все одно показуватиме 100 відсотків SoC після повного заряду. Менша ємність зменшує час роботи та запас ходу. Слабкий акумулятор також заряджається швидше, оскільки його менше потрібно заряджати.

Система управління акумулятором (BMS) повинна відображати SoC та SoH. Але навіть якби SoH були доступні, багато виробників вагалися б показувати ємність менше 100 відсотків протягом гарантійного терміну, побоюючись скарг клієнтів. SoH акумуляторів у споживчих товарах, а також електричних силових агрегатах могли б бути доступні обслуговуючому персоналу через закодований доступ. Щоб компенсувати втрати та дотримуватися гарантії від 8 до 10 років, виробники електромобілів збільшують розмір акумулятора на 20 відсотків. Це враховує старіння та пропонує додатковий запас ходу, про всяк випадок.

Удосконалення BMS: Технологія Q-Mag™

Напруги, струму та температури акумулятора недостатньо для точної оцінки SoC, не кажучи вже про стан його роботи (SoH). Ранні літій-іонні акумулятори корелювали зростання внутрішнього опору з SoH. Це більше не працює, оскільки більшість сучасних літій-іонних акумуляторів зберігають низький опір у міру старіння.

Під час проектування BMS також необхідно враховувати, як акумулятор служить хосту. Наприклад, в iPhone та більшості електромобілів акумулятор «одружений» з хостом. Це дозволяє збирати дані для навчання. Акумулятор та пристрій співіснують подібно до партнерів у хорошому шлюбі. З іншого боку, акумулятори для двостороннього радіозв'язку витягуються зі спільного зарядного пристрою та повертаються до пулу для перезарядки після використання. Навчання є складним, і для відстеження стану акумулятора необхідно використовувати інший метод.

Cadex Electronics досягає вирішального прогресу у вимірюванні SoC акумуляторів за допомогою магнетизму. Квантовий магнетизм (Q-Mag™) може забезпечити найточніші показники SoC акумуляторів, які коли-небудь були досягнуті. Q-Mag™ використовує магнітну властивість, пов'язану з SoC, яка змінюється до трьох разів між розрядженим та повним зарядом у деяких акумуляторних системах. Котушка генерує поле змінного струму, а датчик зчитує магнітну сприйнятливість, яка лінійна до SoC.

Існує кілька варіантів датчиків, і через доступність та низьку ціну Cadex проводить дослідження з датчиком GMR (гігантський магнітоопір). Він складається з феромагнітних сплавів, розміщених на надтонкому немагнітному провідному шарі. Прикладання магнітного поля знижує опір; зняття сили збільшує його. Цей принцип відомий як розсіювання електронів, яке також використовується в головках читання/запису жорстких дисків. На рисунку 2 показано функцію датчика GMR.

Рисунок 2: Датчик GMR

Переваги Q-Mag™ для майбутніх BMS

Q-Mag™ успішно пройшов випробування з літій-іонно-кобальтовими, NMC, літій-залізо-фосфатними, а також кількома типами свинцево-кислотних акумуляторів. Система стійка до більшості зовнішніх перешкод і не залежить від напруги для оцінки SoC. Це дозволяє зчитувати SoC під час заряджання акумулятора або навантаження. Q-Mag™ працює з призматичними та циліндричними елементами в алюмінієвих та нержавіючих сталевих корпусах, але не з чорними металами. Точність для літієвих елементів становить +/-5%, свинцево-кислотних – +/-7%. Цю високу точність слід зберігати по мірі старіння акумулятора. Калібрування відбувається шляхом повного заряду.

За допомогою опорних значень напруги та струму Q-Mag™ здатний розраховувати SoC та SoH. BMS також може виявляти мікрокороткі замикання, спостерігаючи саморозряд несправного елемента, що підвищує безпеку акумулятора. Крім того, Q-Mag™ можна використовувати для вирівнювання навантаження. Це усуває ефект гумової стрічки, який ускладнює оцінку SoC через напругу. На рисунку 3 показано Q-Mag як ключовий фактор для BMS.

Рисунок 3: Q-Mag виступає основним постачальником BMS

Q-Mag можна зробити невеликим та розмістити між елементами. Багатоелементний акумулятор може мати один датчик для загальної оцінки або кілька для проведення діагностики на рівні елемента. ASIC, що містить Q-Mag™, також може включати датчики температури та цифрову обробку. За умови великих обсягів та низької ціни ця технологія буде доступною для великих та малих акумуляторів, включаючи споживчі товари. Відображення точного запасу енергії, як це можливо за допомогою системи рідкого палива, може бути ближчим, ніж ми думаємо.