1 Co je aktivní vyvažování BMS
Aktivní vyvažování BMS je metoda přenosu energie z jednotlivých článků s vyšší kapacitou do jednotlivých článků s nižší kapacitou prostřednictvím přenosu energie, čímž se dosahuje konzistence v bateriovém bloku a zlepšuje se výkon systému skladování energie.
Aktivní vyvažování BMS se liší od pasivního vyvažování. Pasivní vyvažování obecně vybíjí energii vysokonapěťových baterií přes odpory, aby se udržoval stejný stav jako výkon nízkonapěťových baterií. Tento způsob má nevýhody, jako je nízká účinnost využití energie, rozptyl tepla, nízký vyrovnávací proud a pomalá účinnost. Aktivní vyvažování je na druhé straně proces přenosu energie z vysokoenergetických baterií do nízkoenergetických baterií, podobně jako odříznutí silných a slabých stránek dřevěné desky.
V současné době existují různá řešení aktivního vyvažování, kromě řešení s kondenzátory Fit, které se nestalo hlavním proudem kvůli nízkému počtu použitelných řetězců a omezením v přenosu, existují také řešení transformátorů a konverzní čipy DCDC specifické pro baterie navržené výrobci polovodičů, které byly uvedeny na trh. Výhody aktivního vyvažování jsou zřejmé, s vysokou účinností, přenosem energie a pouze ztrátami v cívce transformátoru, které představují malý podíl; Vyvážený proud může být navržen tak, aby byl velký, dosahující úrovně několika ampérů nebo dokonce 10A, a vyrovnávací účinek je rychlý.
Aktivní rovnováha však přináší i nové problémy. Za prvé, struktura je složitá, zejména v transformátorových schématech, kde je návrh a řízení matic spínačů a ovladačů náročné. To je také důvod, proč nelze funkci aktivního vyvažování plně integrovat do vyhrazených integrovaných obvodů. Za druhé je tu otázka nákladů. Složité struktury nevyhnutelně vedou ke složitým obvodům a nevyhnutelný je nárůst nákladů a poruchovosti, což také omezuje podporu aktivního vyvažování BMS.
Pro BMS je kromě vyrovnávací funkce ještě důležitější základní strategie vyvažování. Když je rozdíl konzistence článků baterie v určitém rozsahu, kapacita baterie a napětí jsou v pozitivní korelaci; Ale když konzistence baterie není zdaleka dobrá, to znamená, když je baterie ve stavu poškození, korelace mezi výkonem a napětím není tak silná a vyvážení nelze posuzovat pouze na základě údajů o napětí. Pokud si baterie není vědoma poškození pod kritickým stavem a stále udržuje rovnováhu napětí, může skutečně způsobit poškození baterie, zejména v aktivní rovnováze, kde je poškození způsobené vysokým proudem větší než u pasivní rovnováhy.
Aktivní vyvažování je vhodné pro aplikace lithiových baterií s vysokým počtem strun a velkokapacitní napájení, zatímco pasivní vyvažování je vhodné pro aplikace lithiových baterií s nízkou kapacitou a nízkým počtem strun. Konzistence baterie Tesly je velmi dobrá a pasivní vyvážení je dostatečné. V Číně však stále existuje prostor pro zlepšení v surovinách a výrobních procesech baterií a míra rozptylu v konzistenci baterií je poměrně velká. Aktivní vyvažování bude vhodnější pro použití lithiových baterií.
2 Role aktivního vyvažování BMS v systémech skladování energie
(1) Zvyšte celkový výkon baterie
1. Odstraňte nerovnováhu energie způsobenou nekonzistentními jednotlivými články v sadě baterií a zvyšte celkovou kapacitu a výkon baterie.
V systémech akumulace energie v důsledku rozdílů v materiálech a výrobních procesech, jakož i rozdílům v prostředí používání a úrovních stárnutí existují určité rozdíly v chemických a elektrických charakteristikách mezi jednotlivými články, které se projevují jako nekonzistence v kapacitě, stejnosměrném vnitřním odporu, otevřených napětí obvodu, stav nabití (SOC) a další aspekty. Tato nekonzistence může vést k nerovnoměrné kapacitě baterie mezi jednotlivými články v sadě baterií, což ovlivňuje celkovou kapacitu a výkon baterie. BMS aktivně vyvažuje přenos energie z jednotlivých článků s vyšší kapacitou do jednotlivých článků s nižší kapacitou prostřednictvím přenosu energie, čímž zmírňuje tento jev nevyváženosti výkonu a zlepšuje celkovou kapacitu a výkon baterie.
Transformátory jsou například široce používány při aktivním vyvažování k vyrovnání distribuce energie v rámci bateriové sady prostřednictvím strategií spodního a horního vyvažování. Existují také metody vyvažování založené na součástech pro ukládání energie, jako jsou kondenzátory a induktory, nebo založené na DC-DC měničích. Tyto energeticky nenáročné balanční metody přenášejí především energii mezi jednotlivými články nebo mezi jednotlivými články a celou baterií prostřednictvím kondenzátorů, induktorů nebo DC-DC měničů. Ve srovnání s energeticky náročnými balančními strukturami jsou složitější, ale mají vyšší účinnost využití energie, flexibilní přenos energie a mohou účinně zlepšit celkový výkon baterie.
2. Zjištěním stavu každého jednotlivého článku v sadě baterií použijte balanční metody k udržení napětí nebo stavu nabití mezi jednotlivými články v určitém rozsahu.
Systém aktivního vyvažování BMS vyhodnocuje pracovní stav baterie nepřetržitým sledováním klíčových parametrů, jako je napětí, proud a teplota každého článku baterie. Při zjištění rozdílu napětí nebo stavu nabití mezi jednotlivými bateriemi se aktivuje metoda vyvažování. Například při použití obousměrného dopředného DC-DC měniče jako vyrovnávacího hlavního obvodu, když je energie přenášena z vysokonapěťové strany na nízkonapěťovou stranu, čtyři spínací tranzistory pracují podle specifického načasování vedení řídícího signálu, aby bylo dosaženo obousměrného přenosu energie z nízkonapěťovou stranu Ul jednotky k vysokonapěťové straně U2 a od vysokonapěťové strany U2 k nízkonapěťové straně Ul jednotky, čímž se udržuje napětí nebo stav nabití mezi bateriemi jednotky v určitém rozsahu.
Řídicí obvod mikrokontroléru, jako jádro celého vyvažovacího systému, zároveň ovládá modul sběru napětí přes sběrnici CAN, aby sbíral napětí každého jednotlivého článku v bateriovém modulu. Informace o baterii jsou shrnuty a použity k vytvoření plánu vyvažování. Přepínačové pole se používá k výběru článků, které je třeba vyvážit, a poté je do řídicího obvodu vyvážení odeslán povel vyvažování, aby se zajistilo, že stav každého jednotlivého článku v sadě baterií je v rozumném rozsahu.
(2) Prodlužte životnost baterie
1. Zabraňte vzniku konzistence mezi články baterie a snižte dopad rozptylu baterie na životnost baterie.
Nesoulad mezi články baterie se bude postupně hromadit s prodlužující se dobou používání, což vytváří nerovnováhu v množství elektřiny mezi články baterie, což nejen ovlivňuje celkovou kapacitu a výkon baterie, ale také omezuje životnost baterie. balíček. BMS aktivně vyrovnává přenos energie z jednotlivých buněk s vyšší kapacitou do jednotlivých buněk s nižší kapacitou prostřednictvím přenosu energie, čímž potlačuje výskyt mezibuněčné konzistence.
Například použití technologie aktivního vyvažování může zabránit předčasnému stárnutí některých baterií způsobenému nekonzistentními jednotlivými články. Produkty BMS vyvinuté společností Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. se základními technologickými funkcemi „aktivního vyvažování a bezdrátového přenosu“ dokážou přesně monitorovat energii každé jednotlivé baterie a aktivně dosahovat efektivního přenosu energie mezi jednotlivými bateriemi, čímž je dosaženo cíle energetické rovnováhy mezi jednotlivé baterie, což výrazně zlepšuje výkon baterie, potlačuje výskyt konzistence mezi články baterie a snižuje dopad rozptylu baterie na životnost baterie.
2. Může zvýšit dostupnou kapacitu bateriového systému a výrazně zlepšit životnost cyklu.
Technologie aktivního vyvažování BMS účinně odstraňuje problém kapacitní nerovnováhy mezi články baterie přenosem energie, čímž zlepšuje výkon celého bateriového bloku. Inovativní vestavěný pokročilý inteligentní algoritmus, který využívá nezávisle vyvinutý obousměrný aktivní vyvažovací čip DC-DC od Kelie, ve srovnání s tradičními vyvažovacími čipy, rychle a efektivně kompenzuje rozdíly generované baterií přenosem energie, zajišťuje konzistenci baterie a prodlužuje životnost. a střední dobu mezi poruchami bateriového bloku a efektivně zlepšit ekonomické přínosy celého životního cyklu produktu. Údaje z dlouhodobých cyklických testů ukazují, že tato technologie aktivního vyvažování může zvýšit dostupnou kapacitu bateriového systému o více než 10 %, zlepšit životnost cyklu o více než 20 % a čím více sériově zapojeno, tím výraznější je efekt zlepšení.
3 Princip činnosti aktivního vyvažování BMS
(1) Složení rovnovážné soustavy
Aktivní vyvažovací systém BMS se skládá hlavně ze sériového bateriového modulu, 12V bateriové sady, spínacího pole, vyvažovacího hlavního obvodu, obvodu sběru napětí a řídicího obvodu mikrokontroléru.
1. Přepnout pole:
Pole spínačů se skládá z hradlových spínačů bateriových článků a hradlových spínačů polarity baterie, kterými lze dosáhnout hradlování článků, které je třeba vyvážit. Například pro 7-baterii připojenou k sérii článků existují specifické kombinace přepínačů pro výběr různých baterií. Vezmeme-li jako příklad volbu baterie 1 a baterie 2, když je zvolena baterie 1, spínače K1, K2, KP3 a KP4 jsou zapnuty a ostatní spínače jsou vypnuty, čímž se vytvoří specifický nabíjecí a vybíjecí obvod; Při výběru baterie 2 se zapnou spínače K2, K3, KP1 a KP2 a ostatní spínače se vypnou, čímž se vytvoří odpovídající nabíjecí a vybíjecí obvod. Liché vkládání buněk může odkazovat na kombinaci hradlového spínače baterie 1 a sudé vkládání buněk může odkazovat na kombinaci hradlového spínače baterie 2.
2. Vyvážený hlavní obvod:
Přijetí obousměrného dopředného DC-DC měniče pro dosažení obousměrného přenosu energie. Tato topologie zahrnuje především transformátor T, dva vzorkovací odpory R1 a R2, dva filtrační kondenzátory C1 a C2, upínací kondenzátor C3, filtrační induktor L a čtyři spínací tranzistory Q1 až Q4.
(2) Pracovní režim
1. Energie se přenáší z nízkotlaké strany jedné jednotky na vysokotlakou stranu.
2. Energie je přenášena z vysokonapěťové strany na nízkonapěťovou stranu jedné jednotky, která je rozdělena do čtyř stupňů. Přenos a uvolnění energie se dosáhne vedením a odpojením spínací trubky:
Fáze 1: Od času t1 do t2 jsou spínací trubice Q2 a Q3 zapnuty. V tomto okamžiku teče vstupní proud I1 do stejné svorky vysokonapěťového bočního vinutí transformátoru a výstupní proud I2 vytéká ze stejné svorky nízkonapěťového bočního vinutí transformátoru. Vysokonapěťová strana U2 současně přenáší energii na nízkonapěťovou stranu U1 a induktor L.
Fáze 2: Od času t2 do t3 jsou spínače Q2 a Q3 vypnuty, I2 pokračují tělesovými diodami spínačů Q1 a Q2, IT2 postupně klesá, IQ1 se postupně zvyšuje a energie uložená v induktoru L a zbytková magnetická energie vinutí nízkého napětí se uvolní na stranu nízkého napětí.
Stupeň 3: Od času t3 do t4 je spínač Q1 zapnut, I2 pokračuje spínačem Q1 a energie uložená v induktoru L je uvolněna na nízkonapěťovou stranu Ul.
Stupeň 4: Od času t4 do t5 je spínač Q1 vypnut, I2 pokračuje tělesnou diodou spínače Q1 a energie uložená v induktoru L se nadále uvolňuje na nízkonapěťovou stranu Ul. Mezi nimi, stupeň dva a stupeň čtyři jsou oba stupně mrtvé zóny, aby se zabránilo Q1 ve zkratování nízkonapěťového vinutí, když jsou Q2 a Q3 vodivé. Spínač Q4 je zapojen do série s upínacím kondenzátorem C3 a paralelně zapojen na obou koncích spínače Q3 pro aktivní upnutí a magnetický reset transformátoru.
4 Aktuální stav aplikace aktivního vyvažování BMS v systémech skladování energie
(1) Podniky účastnící se trhu
V současné době existují tři hlavní typy účastníků trhu aktivního vyvažování BMS v systémech skladování energie: výrobci vozidel, výrobci lithiových baterií a nezávislí výrobci BMS.
Instalovaný výkon BMS vyrobených výrobci vozidel tvoří asi 21,3 % z celkového počtu, instalovaný výkon BMS vyrobených továrnami na lithiové baterie tvoří asi 45,4 % a profesionální výrobci BMS tvoří asi 33,3 % podílu. Přestože si výrobci vozidel a výrobci baterií stále drží významné pozice, s trendem technologického pokroku a specializované dělby práce, profesionální výrobci BMS silně rostou a stali se dominantními v oblasti užitkových vozidel a očekává se, že budou mít velký vliv na energetiku. skladovací pole.
Například CATL a BYD drží významné podíly na trhu v oblasti napájecích lithiových baterií a zároveň mají určitý vliv na trhu BMS pro skladování energie. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power a další výrobci automobilů, stejně jako výrobci baterií, jako jsou BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd., a Beijing Plaid, se aktivně podílejí na ukládání energie. trh BMS. Kromě toho profesionální výrobci BMS, jako je Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology a Sci Tech Electronics, také neustále zkoumají oblast BMS pro ukládání energie.
(2) Stávající problémy
1. Čínský systém skladování energie BMS začal relativně pozdě, s neúplnými standardy a bez jednotné strategie řízení. Přestože existují rámcové normy, každá společnost má jiné požadavky na vysokonapěťové skříně a kabelové svazky pro akumulaci energie, což vede k vysokým nákladům na instalaci a uvedení do provozu, k četným poruchám a obtížnému provozu a údržbě systémů skladování energie. Příslušná oddělení země formulují normy související s průmyslem, od kterých se očekává, že budou dále regulovat průmysl BMS, zajistí bezpečnost a životnost baterií a sníží náklady na systémy skladování energie prostřednictvím standardizace a škálování.
2. Spolehlivost technologie aktivního vyvažování je stále potřeba dále zlepšovat a dále snižovat náklady. V současné době je struktura aktivní rovnováhy složitá a náklady jsou mnohem vyšší než u pasivní rovnováhy. Například běžná metoda aktivního vyvažování pomocí transformátorů pro DC-DC nabíjení a vybíjení má složitou strukturu a návrh a řízení spínacích matic a ovladačů je obtížné, což také omezuje plnou integraci funkce aktivního vyvažování do vyhrazených integrovaných obvodů. Složité struktury navíc nevyhnutelně vedou ke složitým obvodům a nevyhnutelný je nárůst nákladů a poruchovosti, což také omezuje podporu aktivního vyvažování BMS.
3. Algoritmus BMS pro ukládání energie právě začíná a stále existuje prostor pro zlepšení v odhadu pokroku, konvergenci algoritmu a robustnosti. Zejména algoritmus varování baterie je velmi důležitý v systémech skladování energie, ale v čínském průmyslu je stále téměř prázdný. Celkově má průmysl BMS v oblasti skladování energie nízkou celkovou úroveň, s různými výrobními podniky BMS a nestejnou kvalitou produktů. Některé podniky nemají dostatečné znalosti o systémech skladování energie. To vede k tomu, že BMS se vždy umístí na předních místech v hodnocení selhání komponent celého systému skladování energie.
5 Trend vývoje aktivního vyvažování BMS v systémech skladování energie
(1) Technologie aktivního vyvažování se stává trendem budoucnosti
S neustálým zlepšováním požadavků na výkon systémů skladování energie se výhody technologie aktivního vyvažování stávají stále významnějšími. Může účinně zlepšit konzistenci baterie, a tím zvýšit celkový výkon systému skladování energie. V praktických aplikacích může technologie aktivního vyvažování přenášet energii z vysokoenergetických baterií na nízkoenergetické baterie, čímž je dosaženo energetické rovnováhy v bateriovém bloku, stejně jako odříznutí silných a slabých stránek dřevěných desek. Tato technologie má nejen vysokou účinnost a nízké ztráty, ale má také velký vyvážený proud a rychlé výsledky. Proto bude technologie aktivního vyvažování široce používána v systémech správy baterií pro ukládání energie a stane se budoucím vývojovým trendem.
(2) Lokalizace klíčových komponent
Rozvoj tuzemského průmyslu BMS se musí zaměřit na lokalizaci klíčových komponent. V současné době začal čínský systém BMS pro ukládání energie poměrně pozdě a klíčové komponenty se spoléhají na dovoz, což nejen zvyšuje náklady, ale může také čelit riziku nestabilních dodávek. Zlepšení schopností nezávislého výzkumu a vývoje a dosažení lokalizace klíčových komponent jsou klíčové pro zvýšení konkurenceschopnosti čínského průmyslu BMS. Například výzkumná zpráva zveřejněná společností China International Capital Corporation (CICC) poukázala na to, že existuje velký prostor pro zlepšení míry lokalizace čipů pro správu baterií a místní výrobci čelí významným obchodním příležitostem. S růstem domácího navazujícího tržního prostoru a nárůstem podílu místních navazujících výrobců se očekává, že místní výrobci čipů pro správu baterií přinesou nové příležitosti.
(3) Vylepšená integrace produktu
V budoucnu se kombinace algoritmů stavu baterie a cloudových velkých dat stane hlavním proudem a algoritmy umělé inteligence budou široce používány také v BMS. Tím se zlepší spolehlivost a bezpečnost systému. Například patent na „Energy Storage Converter and Energy Storage System“ aplikovaný společností Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. zjednodušuje design, snižuje složitost a počet komponent systému a výrazně snižuje design. náklady a obtížnost integrace. Konstrukce řídicí jednotky zároveň umožňuje zařízení inteligentně přidělovat výkon a zlepšovat provozní efektivitu systému akumulace energie. S neustálým pokrokem v technologii se bude produktová integrace BMS i nadále zlepšovat a bude poskytovat silnější podporu pro vývoj systémů skladování energie.