1 Čo je aktívne vyvažovanie BMS
Aktívne vyvažovanie BMS je metóda prenosu energie z jednotlivých článkov s vyššou kapacitou do jednotlivých článkov s nižšou kapacitou prostredníctvom prenosu energie, čím sa dosiahne konzistentnosť v batériovom bloku a zlepší sa výkon systému skladovania energie.
Aktívne vyvažovanie BMS sa líši od pasívneho vyvažovania. Pasívne vyvažovanie vo všeobecnosti vybíja energiu vysokonapäťových batérií cez odpory, aby sa udržal rovnaký stav s výkonom nízkonapäťových batérií. Táto metóda má nevýhody, ako je nízka účinnosť využitia energie, rozptyl tepla, nízky vyrovnávací prúd a pomalá účinnosť. Aktívne vyvažovanie je na druhej strane proces prenosu energie z vysokoenergetických batérií do nízkoenergetických batérií, podobne ako odrezanie silných a slabých stránok drevenej dosky.
V súčasnosti existujú rôzne riešenia aktívneho vyvažovania, okrem riešenia kondenzátorov Fit, ktoré sa nepresadilo v dôsledku nízkeho počtu použiteľných reťazcov a obmedzení v prenose, existujú aj transformátorové riešenia a konverzné čipy DCDC špecifické pre batérie navrhnuté výrobcami polovodičov, ktoré boli uvedené na trh. Výhody aktívneho vyvažovania sú zrejmé, s vysokou účinnosťou, prenosom energie a iba stratami v cievke transformátora, ktoré predstavujú malý podiel; Vyvážený prúd môže byť navrhnutý tak, aby bol veľký, dosahujúci niekoľko ampérov alebo dokonca úroveň 10 A a vyvažovací efekt je rýchly.
Aktívna rovnováha však prináša aj nové problémy. Po prvé, štruktúra je zložitá, najmä v schémach transformátorov, kde je návrh a riadenie matíc spínačov a ovládačov náročné. To je tiež dôvod, prečo funkcia aktívneho vyvažovania nemôže byť plne integrovaná do vyhradených integrovaných obvodov. Po druhé, je tu otázka nákladov. Zložité štruktúry nevyhnutne vedú ku zložitým obvodom a nevyhnutný je nárast nákladov a poruchovosti, čo tiež obmedzuje podporu aktívneho vyvažovania BMS.
Pre BMS je okrem vyvažovacej funkcie ešte dôležitejšia základná stratégia vyvažovania. Keď je rozdiel konzistencie batériových článkov v určitom rozsahu, kapacita batérie a napätie sú pozitívne korelované; Ale keď konzistencia batérie nie je ani zďaleka dobrá, to znamená, keď je batéria v poškodenom stave, korelácia medzi výkonom a napätím nie je taká silná a základ rovnováhy nemožno posudzovať iba na základe údajov o napätí. Ak si batéria neuvedomuje poškodenie pod kritickým stavom a stále si udržiava rovnováhu napätia, môže skutočne spôsobiť poškodenie batérie, najmä v aktívnej rovnováhe, kde je poškodenie spôsobené vysokým prúdom väčšie ako v pasívnej rovnováhe.
Aktívne vyvažovanie je vhodné pre aplikácie lítiových batérií s vysokým počtom strún a veľkokapacitným napájaním, zatiaľ čo pasívne vyvažovanie je vhodné pre aplikácie s lítiovými batériami s nízkou kapacitou a nízkym počtom strún. Konzistencia batérie Tesly je veľmi dobrá a pasívne vyváženie je dostatočné. V Číne však stále existuje priestor na zlepšenie v surovinách a výrobných procesoch batérií a stupeň rozptylu v konzistencii batérií je pomerne veľký. Aktívne vyvažovanie bude vhodnejšie pre použitie lítiových batérií.
2 Úloha aktívneho vyvažovania BMS v systémoch skladovania energie
(1) Zvýšte celkový výkon batérie
1. Odstráňte nerovnováhu energie spôsobenú nekonzistentnými jednotlivými článkami v batérii a zvýšte celkovú kapacitu a výkon batérie.
V systémoch skladovania energie v dôsledku rozdielov v materiáloch a výrobných procesoch, ako aj rozdielom v prostredí používania a úrovniach starnutia existujú určité rozdiely v chemických a elektrických charakteristikách medzi jednotlivými článkami, ktoré sa prejavujú ako nezrovnalosti v kapacite, DC vnútorný odpor, otvorené napätie obvodu, stav nabitia (SOC) a ďalšie aspekty. Táto nekonzistentnosť môže viesť k nerovnomernej kapacite batérie medzi jednotlivými článkami v batérii, čo ovplyvňuje celkovú kapacitu a výkon batérie. BMS aktívne vyrovnáva prenos energie z jednotlivých článkov s vyššou kapacitou do jednotlivých článkov s nižšou kapacitou prostredníctvom prenosu energie, čím zmierňuje tento jav energetickej nerovnováhy a zlepšuje celkovú kapacitu a výkon batérie.
Napríklad transformátory sa široko používajú pri aktívnom vyvažovaní na vyváženie distribúcie energie v rámci batériovej jednotky prostredníctvom stratégií spodného a horného vyvažovania. Existujú aj metódy vyvažovania založené na komponentoch na uchovávanie energie, ako sú kondenzátory a tlmivky, alebo založené na DC-DC meničoch. Tieto energeticky nenáročné vyrovnávacie metódy hlavne prenášajú energiu medzi jednotlivými článkami alebo medzi jednotlivými článkami a celou batériou prostredníctvom kondenzátorov, induktorov alebo DC-DC meničov. V porovnaní s energeticky náročnými vyrovnávacími štruktúrami sú zložitejšie, ale majú vyššiu účinnosť využitia energie, flexibilný prenos energie a môžu efektívne zlepšiť celkový výkon batérie.
2. Zisťovaním stavu každého jednotlivého článku v batériovej súprave použite balančné metódy na udržanie napätia alebo stavu nabitia medzi jednotlivými článkami v určitom rozsahu.
Aktívny vyvažovací systém BMS vyhodnocuje pracovný stav batérie nepretržitým monitorovaním kľúčových parametrov, ako je napätie, prúd a teplota každého článku batérie. Pri zistení rozdielu v napätí alebo stave nabitia medzi jednotlivými batériami sa aktivuje metóda vyvažovania. Napríklad pri použití obojsmerného dopredného DC-DC meniča ako vyrovnávacieho hlavného obvodu, keď sa energia prenáša z vysokonapäťovej strany na nízkonapäťovú stranu, štyri spínacie tranzistory pracujú podľa špecifického načasovania vedenia riadiaceho signálu, aby sa dosiahol obojsmerný prenos energie z nízkonapäťovú stranu Ul jednotky na vysokonapäťovú stranu U2 a od vysokonapäťovej strany U2 na nízkonapäťovú stranu U1 jednotky, čím sa udržiava napätie alebo stav nabitia medzi batériami jednotky v určitom rozsahu.
Riadiaci obvod mikrokontroléra, ako jadro celého vyvažovacieho systému, zároveň riadi modul zberu napätia cez zbernicu CAN, aby zbieral napätie každého jednotlivého článku v module batérie. Informácie o batérii sú zhrnuté a použité na vytvorenie plánu vyváženia. Prepínačové pole sa používa na výber článkov, ktoré je potrebné vyvážiť, a potom sa príkaz na vyvažovanie odošle do riadiaceho obvodu vyvažovania, aby sa zabezpečilo, že stav každého jednotlivého článku v batérii je v primeranom rozsahu.
(2) Predĺžte životnosť batérie
1. Zabráňte výskytu konzistencie medzi článkami batérie a znížte vplyv rozptylu batérie na životnosť batérie.
Nekonzistentnosť medzi článkami batérie sa bude postupne hromadiť so zvyšujúcim sa časom používania, čím sa vytvorí nerovnováha v množstve elektriny medzi článkami batérie, čo ovplyvňuje nielen celkovú kapacitu a výkon batérie, ale aj obmedzuje životnosť batérie. balenie. BMS aktívne vyrovnáva prenos energie z jednotlivých buniek s vyššou kapacitou do jednotlivých buniek s nižšou kapacitou prostredníctvom prenosu energie, čím potláča výskyt medzibunkovej konzistencie.
Napríklad použitie technológie aktívneho vyvažovania môže zabrániť predčasnému starnutiu niektorých batérií spôsobenému nekonzistentnými jednotlivými článkami. Produkty BMS vyvinuté spoločnosťou Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. so základnými technologickými funkciami „aktívneho vyvažovania a bezdrôtového prenosu“ dokážu presne monitorovať energiu každej jednotlivej batérie a aktívne dosahovať efektívny prenos energie medzi jednotlivými batériami, čím sa dosiahne cieľ energetickej rovnováhy medzi jednotlivé batérie, čo výrazne zlepšuje výkon batérie, potláča výskyt konzistencie medzi článkami batérie a znižuje vplyv rozptylu batérie na životnosť batérie.
2. Môže zvýšiť dostupnú kapacitu batériového systému a výrazne zlepšiť životnosť cyklu.
Technológia aktívneho vyvažovania BMS efektívne odstraňuje problém kapacitnej nerovnováhy medzi článkami batérie prostredníctvom prenosu energie, čím sa zlepšuje výkon celej batérie. Prijatím nezávisle vyvinutého obojsmerného aktívneho vyvažovacieho čipu DC-DC od Kelie, v porovnaní s tradičnými vyvažovacími čipmi, inovatívny vstavaný pokročilý inteligentný algoritmus rýchlo a efektívne kompenzuje rozdiely generované batériou prostredníctvom prenosu energie, zaisťuje konzistenciu batérie a predlžuje životnosť. a stredný čas medzi poruchami batérie a efektívne zlepšenie ekonomických výhod celého životného cyklu produktu. Údaje z dlhodobého cyklického testovania ukazujú, že táto technológia aktívneho vyvažovania môže zvýšiť dostupnú kapacitu batériového systému o viac ako 10 %, zlepšiť životnosť cyklu o viac ako 20 % a čím viac sérií je pripojených, tým výraznejší je efekt zlepšenia.
3 Princíp činnosti aktívneho vyvažovania BMS
(1) Zloženie rovnovážneho systému
Aktívny vyvažovací systém BMS pozostáva hlavne zo sériového batériového modulu, 12V batériovej sady, spínacieho poľa, vyrovnávacieho hlavného obvodu, obvodu na získavanie napätia a riadiaceho obvodu mikrokontroléra.
1. Prepínacie pole:
Spínacie pole pozostáva z hradlových spínačov batériových článkov a prepínačov polarity batérie, ktoré môžu dosiahnuť hradlovanie článkov, ktoré je potrebné vyvážiť. Napríklad pre 7-batériu pripojenú k sérii článkov existujú špecifické kombinácie prepínačov na výber rôznych batérií. Ak vezmeme ako príklad výber batérie 1 a batérie 2, keď je zvolená batéria 1, spínače K1, K2, KP3 a KP4 sú zapnuté a ostatné spínače sú vypnuté, čím sa vytvorí špecifický obvod nabíjania a vybíjania; Pri výbere batérie 2 sú spínače K2, K3, KP1 a KP2 zapnuté a ostatné spínače sú vypnuté, čím sa vytvorí zodpovedajúci nabíjací a vybíjací obvod. Nepárne bunkové hradlovanie môže odkazovať na kombináciu hradlového spínača batérie 1 a párne bunkové hradlovanie môže odkazovať na kombináciu hradlového spínača batérie 2.
2. Vyvážený hlavný okruh:
Prijatie obojsmerného dopredného DC-DC meniča na dosiahnutie obojsmerného prenosu energie. Táto topológia zahŕňa hlavne transformátor T, dva vzorkovacie odpory R1 a R2, dva filtračné kondenzátory C1 a C2, upínací kondenzátor C3, filtračnú tlmivku L a štyri spínacie tranzistory Q1 až Q4.
(2) Pracovný režim
1. Energia sa prenáša z nízkotlakovej strany jednej jednotky na vysokotlakovú stranu.
2. Energia sa prenáša zo strany vysokého napätia na stranu nízkeho napätia jedného bloku, ktorý je rozdelený do štyroch stupňov. Prenos a uvoľnenie energie sa dosiahne vedením a odpojením spínacej trubice:
Stupeň 1: Od času t1 do t2 sú spínacie trubice Q2 a Q3 zapnuté. V tomto čase vstupný prúd I1 tečie do rovnakej svorky vysokonapäťového vinutia transformátora a výstupný prúd I2 tečie z tej istej svorky nízkonapäťového vinutia transformátora. Vysokonapäťová strana U2 súčasne prenáša energiu na nízkonapäťovú stranu U1 a tlmivku L.
Stupeň 2: Od času t2 do t3 sú spínače Q2 a Q3 vypnuté, I2 pokračujú telesnými diódami spínačov Q1 a Q2, IT2 postupne klesá, IQ1 sa postupne zvyšuje a energia uložená v induktore L a zvyšková magnetická energia nízkonapäťového vinutia sú uvoľnené na nízkonapäťovú stranu.
Stupeň 3: Od času t3 do t4 je spínač Q1 zapnutý, I2 pokračuje spínačom Q1 a energia uložená v induktore L sa uvoľňuje na nízkonapäťovú stranu U1.
Stupeň 4: Od času t4 do t5 je spínač Q1 vypnutý, I2 pokračuje telesnou diódou spínača Q1 a energia uložená v induktore L sa naďalej uvoľňuje na nízkonapäťovú stranu U1. Medzi nimi, stupeň dva a stupeň štyri sú oba stupne mŕtvej zóny, aby sa zabránilo skratu Q1 v nízkonapäťovom vinutí, keď sú vodivé Q2 a Q3. Spínač Q4 je zapojený do série s upínacím kondenzátorom C3 a paralelne zapojený na oboch koncoch spínača Q3 na aktívne upínanie a magnetický reset transformátora.
4 Aktuálny stav aplikácie aktívneho vyvažovania BMS v systémoch skladovania energie
(1) Podniky zúčastňujúce sa na trhu
V súčasnosti existujú tri hlavné typy účastníkov trhu aktívneho vyvažovania BMS v systémoch skladovania energie: výrobcovia vozidiel, výrobcovia lítiových batérií a nezávislí výrobcovia BMS.
Inštalovaný výkon BMS vyrobených výrobcami vozidiel predstavuje približne 21,3 % z celkového počtu, inštalovaný výkon BMS vyrobených závodmi na výrobu lítiových batérií predstavuje približne 45,4 % a profesionálni výrobcovia BMS tvoria približne 33,3 % podielu. Hoci výrobcovia vozidiel a výrobcovia batérií stále zastávajú významné pozície, s trendom technologického pokroku a špecializovanej deľby práce, profesionálni výrobcovia BMS výrazne rastú a stali sa dominantnými v oblasti úžitkových vozidiel a očakáva sa, že budú mať veľký vplyv na energetiku. úložné pole.
Napríklad CATL a BYD majú významné podiely na trhu v oblasti napájacích lítiových batérií, pričom majú tiež určitý vplyv na trhu BMS skladovania energie. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power a ďalší výrobcovia automobilov, ako aj výrobcovia batérií ako BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd., a Beijing Plaid, sa aktívne podieľajú na ukladaní energie. trh BMS. Okrem toho profesionálni výrobcovia BMS ako Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology a Sci Tech Electronics tiež neustále skúmajú oblasť BMS skladovania energie.
(2) Existujúce problémy
1. Čínsky systém skladovania energie BMS začal pomerne neskoro, s neúplnými normami a bez jednotnej stratégie riadenia. Hoci existujú rámcové štandardy, každá spoločnosť má iné požiadavky na vysokonapäťové boxy a káblové zväzky na skladovanie energie, čo vedie k vysokým nákladom na inštaláciu a uvedenie do prevádzky, k viacnásobným poruchám a ťažkej prevádzke a údržbe systémov na skladovanie energie. Príslušné oddelenia krajiny formulujú štandardy súvisiace s odvetvím, od ktorých sa očakáva, že budú ďalej regulovať priemysel BMS, zabezpečia bezpečnosť a životnosť batérií a znížia náklady na systémy skladovania energie prostredníctvom štandardizácie a škálovania.
2. Spoľahlivosť technológie aktívneho vyvažovania je potrebné ďalej zlepšovať a náklady je potrebné ďalej znižovať. V súčasnosti je štruktúra aktívnej rovnováhy zložitá a náklady sú oveľa vyššie ako štruktúra pasívnej rovnováhy. Napríklad bežná metóda aktívneho vyvažovania pomocou transformátorov na nabíjanie a vybíjanie jednosmerného prúdu je zložitá a dizajn a riadenie matíc spínačov a ovládačov sú zložité, čo tiež obmedzuje plnú integráciu funkcie aktívneho vyvažovania do vyhradených integrovaných obvodov. Okrem toho zložité štruktúry nevyhnutne vedú ku zložitým obvodom a je nevyhnutné zvýšiť náklady a poruchovosť, čo tiež obmedzuje podporu aktívneho vyvažovania BMS.
3. Algoritmus BMS skladovania energie sa práve začína a stále existuje priestor na zlepšenie v odhadovaní pokroku, konvergencii algoritmov a robustnosti. Najmä algoritmus varovania batérie je veľmi dôležitý v systémoch skladovania energie, ale v priemysle v Číne je stále takmer prázdny. Celkovo má priemysel BMS v oblasti skladovania energie nízku celkovú úroveň s rôznymi výrobnými podnikmi BMS a nerovnomernou kvalitou produktov. Niektoré podniky dostatočne nerozumejú systémom skladovania energie. To vedie k tomu, že BMS je vždy vysoko v hodnotení zlyhania komponentov celého systému skladovania energie.
5 Trend vývoja aktívneho vyvažovania BMS v systémoch skladovania energie
(1) Technológia aktívneho vyvažovania sa stáva trendom budúcnosti
S neustálym zlepšovaním požiadaviek na výkon systémov skladovania energie sú výhody technológie aktívneho vyvažovania čoraz výraznejšie. Môže účinne zlepšiť konzistenciu batérie, čím sa zvýši celkový výkon systému skladovania energie. V praktických aplikáciách dokáže technológia aktívneho vyvažovania preniesť energiu z vysokoenergetických batérií na nízkoenergetické batérie, čím sa dosiahne energetická rovnováha v batériovom bloku, rovnako ako odrezanie silných a slabých stránok drevených dosiek. Táto technológia má nielen vysokú účinnosť a nízke straty, ale má aj veľký vyvážený prúd a rýchle výsledky. Preto bude technológia aktívneho vyvažovania široko používaná v systémoch správy batérií na ukladanie energie a stane sa trendom budúceho vývoja.
(2) Lokalizácia kľúčových komponentov
Rozvoj domáceho priemyslu BMS sa musí zamerať na lokalizáciu kľúčových komponentov. V súčasnosti sa čínsky energetický systém BMS spustil pomerne neskoro a kľúčové komponenty sa spoliehajú na dovoz, čo nielen zvyšuje náklady, ale môže čeliť aj riziku nestabilných dodávok. Zlepšenie schopností nezávislého výskumu a vývoja a dosiahnutie lokalizácie kľúčových komponentov sú kľúčové pre zvýšenie konkurencieschopnosti čínskeho priemyslu BMS. Napríklad výskumná správa vydaná spoločnosťou China International Capital Corporation (CICC) poukázala na to, že existuje veľký priestor na zlepšenie miery lokalizácie čipov na správu batérií a miestni výrobcovia čelia významným obchodným príležitostiam. S rastom domáceho nadväzujúceho trhového priestoru a nárastom podielu miestnych nadväzujúcich výrobcov sa očakáva, že miestni výrobcovia čipov na správu batérií predstavia nové príležitosti.
(3) Vylepšená integrácia produktu
V budúcnosti sa kombinácia algoritmov stavu batérie a cloudových veľkých dát stane hlavným prúdom a algoritmy umelej inteligencie sa budú široko uplatňovať aj v BMS. Tým sa zlepší spoľahlivosť a bezpečnosť systému. Napríklad patent na "Energy Storage Converter and Energy Storage System" aplikovaný spoločnosťou Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. zjednodušuje dizajn, znižuje zložitosť a počet komponentov systému a výrazne znižuje dizajn. náklady a ťažkosti s integráciou. Konštrukcia riadiacej jednotky zároveň umožňuje zariadeniu inteligentne prideľovať výkon, čím sa zlepšuje prevádzková účinnosť systému skladovania energie. S neustálym pokrokom v technológii sa bude produktová integrácia BMS naďalej zlepšovať a poskytovať silnejšiu podporu pre vývoj systémov skladovania energie.