Akunhallintajärjestelmä: toiminnot, tyypit ja valinta

Litium-ioni-akku on kallis,{1}}energiatiheä esine. Käsittele sitä hyvin ja se kestää vuosikymmenen. Käsittele sitä väärin muutaman minuutin ajan, niin voit vahingoittaa soluja pysyvästi tai pahimmassa tapauksessa sytyttää tulipalon. Komponentti, joka estää pahimman tapauksen, on akunhallintajärjestelmä eli BMS.

Suunnitteletpa pakkausta, integroitpa sitä tuotteeseen tai arvioit toimittajan teknisiä tietoja, tässä oppaassa kerrotaan, mitä BMS-järjestelmä todellisuudessa tekee, mitä arkkitehtuuria on olemassa, miksi oikea paketti ei ole-neuvoteltavissa ja kuinka valita oikea sovellukseesi.
 

Tällä sivulla

• Mikä on akunhallintajärjestelmä?
• Kuinka BMS todella toimii
• BMS:n ydintoiminnot
• Tärkeimmät BMS-arkkitehtuurit
• BMS vs Protection Board (PCM)
• Miksi BMS on tärkeä
• Oikean BMS:n valinta sovelluksen mukaan
• 7-vaiheisen valinnan tarkistuslista
• Yleisimmät virheet BMS:ää ostettaessa
• FAQ

Mikä on akunhallintajärjestelmä?

A akun hallintajärjestelmäon elektroninen ohjain, joka valvoo ja suojaa ladattavaa akkua, useimmiten litium-ioni- tai LiFePO4-pakettia, joka koostuu useista sarjaan ja rinnakkain olevista kennoista. Se mittaa kunkin solun toimintaa, laskee, kuinka lauma käyttäytyy kokonaisuutena, ja puuttuu asiaan, kun jokin ajautuu turvallisten rajojen ulkopuolelle.

BMS ei ole sama kuin yksinkertainen suojakortti (jota joskus kutsutaan PCM:ksi tai Protection Circuit Module). Suojalevy reagoi muutamaan vikatilanteeseen, kuten ylilataukseen, yli-purkaukseen ja oikosulkuun. Todellinen BMS tekee kaiken tämän, ja myös tasapainottaa soluja, arvioi varaustilan ja terveydentilan, hallitsee lämpötilaa ja yleensä kommunikoi muun järjestelmän kanssa CAN-, RS485-, UART- tai Bluetoothin kautta. Erotuksella on merkitystä, koska markkinat sekoittavat kaksi termiä vapaasti, ja monet halvat "BMS"-levyt ovat naamioituja suojalevyjä.

Täydellisen energian varastointituotteen sisällä BMS on yksi useista rakennuspalikoista. Jos haluat nähdä, kuinka se istuu solujen, PCS:n, EMS:n ja lämpölaitteiston rinnalla, erittelymmeakun energian varastointijärjestelmän kahdeksan ydinkomponenttiaon hyvä lukukumppani.

Kuinka BMS todella toimii

Jokainen BMS suorittaa saman neli{0}}askelsilmukan tuhansia kertoja sekunnissa.

Tunne.Jännitehanat jokaisessa solussa, virta-anturi (shuntti tai Hall{0}}ilmiö) päävirran polulla ja NTC-termistorit strategisissa kohdissa syöttävät raakadataa BMS:ään.

Laskea.Mikrokontrolleri muuttaa nämä mittaukset johdetuiksi arvoiksi: varaustila, terveydentila, käytettävissä oleva teho, solujen epätasapaino, keskilämpötila.

Päättää.Laiteohjelmisto vertaa kaikkea turvakynnyksiin ja käyttösääntöihin.

Toimia.Tarvittaessa BMS avaa MOSFETit tai kontaktorit virran katkaisemiseksi. Se voi myös laukaista tasapainotuspiirin, pyytää laturia hidastamaan tai laukaista vikalipun isäntäjärjestelmään.

Tämä suljettu takaisinkytkentäsilmukka erottaa hallitun akkujärjestelmän akusta, jonka päällä on suojasiru.
 

Akunhallintajärjestelmän ydintoiminnot

Erilaiset BMS-mallit korostavat erilaisia ​​töitä. Osaava akunhallintajärjestelmä hoitaa useimmat tai kaikki seuraavista.

Solun{0}}tason valvonta

BMS lukee jatkuvasti sarjajonon jokaisen kennon jännitteen, pakkauksen sisään ja ulos tulevan virran sekä yhden tai useamman pisteen lämpötilat. Solu-tason näkyvyys tekee paketti-tason päätöksistä luotettavia. Pakettitason keskiarvon määrittäminen piilottaa juuri sellaisen yksittäisen-solun ajautumisen, joka aiheuttaa virheitä.

Solujen tasapainotus

Kaikissa moni{0}}solupakkauksissa solut vanhenevat hieman eri tavalla. Ilman tasapainotusta heikoin kenno osuu yläjänniterajaan ensin latauksen aikana, mikä pakottaa BMS:n lopettamaan koko paketin lataamisen ja jättäen käyttökapasiteetin hukkaan.

Kaksi lähestymistapaa hallitsee.Passiivinen tasapainotuspolttaa ylimääräisen energian korkeammista soluista pienten vastusten kautta. Se on yksinkertainen, halpa ja sopii useimpiin kuluttaja- ja{1}}kevyisiin teollisuuspakkauksiin.Aktiivinen tasapainotussiirtää energiaa korkeammista kennoista alemmille kennoille kondensaattoreiden, kelojen tai DC{0}}DC-muuntimien kautta. Se on tehokkaampi ja palauttaa enemmän käyttökelpoista kapasiteettia, mutta se lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta. Aktiivinen tasapainotus kannattaa yleensä suurissa paketeissa (sähköauton veto, verkko-mittakaavallinen tallennus), joissa jokaisella kilowatti-tunnilla on merkitystä.

SOC-, SOH- ja SOF-arvio

Kolme tila-arvoa näyttävät samanlaisilta, mutta tarkoittavat eri asioita.

• Lataustila (SOC): kuinka täynnä pakkaus on juuri nyt, prosentteina ilmaistuna. Ohjaa käyttäjän näkemää kantaman tai suoritusajan ilmaisinta.
• Terveystila (SOH): kuinka paljon käytettävissä olevaa kapasiteettia on jäljellä verrattuna täysin{0}}uuteen pakettiin. 80 % SOH:n pakkaus on menettänyt 20 % alkuperäisestä kapasiteetistaan.
• Toimintatila (SOF): pystyykö pakkaus toimittamaan juuri nyt vaaditun tehon nykyisen SOC:n, SOH:n ja lämpötilan perusteella.

Halvat yksiköt raportoivat SOC. Paremmat yksiköt seuraavat SOH:ta. Premium-yksiköt raportoivat SOF:n, jota todella haluat, kun luotettava suorituskyky on linjassa. Jos haluat johdannon siihen, kuinka solut lisäävät ja menettävät kapasiteettia elinkaarensa aikana,Battery University -artikkeli BU-808on hyvä selkeä{0}}kielilähde.

Suojaus

Vakava BMS suojaa ylilataukselta, yli{0}}purkaukselta, ylivirralta (molempiin suuntiin), oikosululta sekä korkealta tai alhaiselta lämpötilalta. Jokaisen kynnyksen tulee olla konfiguroitavissa, ja vasteajalla on yhtä suuri merkitys kuin itse kynnysarvolla. Oikosulkuvaste on tyypillisesti 100–500 mikrosekuntia; mikä tahansa millisekunnin alueella on liian hidasta korkealla-virtasovelluksille.

Lämmönhallinta

Passiivisesti jäähdytetyille pakkauksille BMS yksinkertaisesti laskee tai katkaisee virran, kun lämpötilat vaihtelevat. Aktiivisesti jäähdytetyissä pakkauksissa se käskee puhaltimia, pumppuja tai lämmittimiä pitämään kennot työikkunansa sisällä. Useimmat litium-ionikennot latautuvat turvallisesti noin 0–45 asteen välillä ja purkautuvat laajemmalla alueella, mutta ne ovat onnellisimpia 15–35 asteen alueella. syklin käyttöikä laskee molemmissa ääripäissä. Tietyt rajoitukset, viitteemme osoitteessalitiumakun lämpötila-alueetkattaa, miltä lataaminen, purkaminen ja varastointi käytännössä näyttävät. Laitteiston puolellavalita ilma- ja nestejäähdytyksen välillämäärittää, kuinka paljon työtä BMS:n on tehtävä termisesti.

Viestintä

Useimmat nykyaikaiset BMS-laitteet puhuvat ulkomaailmalle. CAN-väylä on vakiona ajoneuvoissa ja teollisuusjärjestelmissä, RS485 hallitsee kiinteässä energian varastoinnissa, UART tai I²C on yleinen pienissä kuluttajapakkauksissa, ja Bluetooth on yhä yleisempi sähköpyörissä ja kannettavassa virtalähteessä. Kiinteässä järjestelmässä BMS koordinoi myös korkeamman-tasonenergianhallintajärjestelmä (EMS), joka käsittelee lähetyspäätökset, tariffit ja verkkosignaalit. Nämä kaksi ovat usein sekaisin, mutta ne istuvat eri kerroksissa.

Tiedon kirjaus ja diagnostiikka

Korkeamman luokan -BMS:t kirjaavat vikatapahtumat, syklien määrät ja historialliset äärimmäisyydet. Tästä lokista tulee korvaamaton arvo palautettujen pakkausten diagnosoinnissa, takuuvaatimusten vahvistamisessa ja seuraavan tuoteversion parantamisessa. Omassa RMA-työssämme BMS-loki on yleensä ensimmäinen asia, jonka luemme; pakkaus, jolla ei ole käyttökelpoista historiaa, on pakkaus, jota et voi puolustaa.

BMS-arkkitehtuurien päätyypit

Akunhallintajärjestelmälle on olemassa kolme klassista arkkitehtuuria. Oikean valinta on enimmäkseen pakkauskoon ja monimutkaisuuden kysymys.

Hyödyllinen toimintasääntö, jota noudatamme uusien rakennelmien laajuudessa: alle 16 solua sarjassa, keskitetty on hyvä. 16–100, modulaarinen voittaa yleensä asennuskustannusten--verrattuna luotettavuuteen. Yli 100 solua, hajautettu maksaa itsensä takaisin kaapelointikustannukset, signaalin eheys ja kenttähuollettavuus. Nämä ovat lähtökohtia, eivät lakeja; tietyt projektit voivat vetää kumpaan tahansa suuntaan.
 

BMS vs Protection Board (PCM): Mikä ero on?

Tämä on suurin yksittäinen hämmennyksen lähde BMS-markkinoilla.

Jos myyjä kutsuu 10-soluisen paketin 5 dollarin korttia "BMS:ksi", kysy, tekeekö se solutasapainotusta, raportoiko SOC:n dataväylän kautta ja luetteleeko todellisen mikro-ohjaimen osanumeron. Jos vastaus on ei, se on suojalevy.

Miksi BMS:llä on väliä: ilman sitä jäämisen todelliset riskit

Sanaa "tärkeä" käytetään löyhästi. Tässä on se, mikä itse asiassa menee pieleen litiumpakkauksessa, jossa ei ole asianmukaista akunhallintajärjestelmää tai akun hallintajärjestelmää, joka on alimitoitettu työhön.

Turvallisuus.Litium-ionisolut hajoavat ketjureaktion kautta, jota kutsutaan lämpökarkaamiseksi. Sisäinen oikosulku tai ylilataus nostaa yhden kennon lämpötilaa, mikä kiihdyttää vikaa, mikä nostaa lämpötilaa entisestään, kunnes kennosta vapautuu palavaa elektrolyyttiä. BMS, joka saa kiinni esiasteen (epänormaali jännite, epänormaali virta, epänormaali lämpötilatrendi), voi katkaista ketjun ennen kuin siitä tulee tulipalo.

Elinikä.Jopa jatkuva kymmenien millivolttien epätasapaino solujen välillä lyhentää pakkauksen käyttöikää huomattavasti. Vahvin kenno lopettaa latauksen ensin ja sitä kierretään kapealla kaistalla; heikoin solu kantaa raskasta ja vanhenee vielä nopeammin. Ilman tasapainotusta pakkauksen käyttökapasiteetti kutistuu epäsymmetrisesti kuukausien eikä vuosien aikana. Takuupalautuksen jälkeen avaamissamme pakkauksissa tasapainopiiri, joka ei koskaan aktivoitunut, on yksi yleisimmistä ennenaikaisen kapasiteetin menettämisen syistä.

Suorituskyky.Ilman tarkkaa SOC:tä ja SOH:ta järjestelmä joko alikäyttöä pakettia (pöydälle jäänyt kapasiteetti) tai käyttää sitä liikaa (alue- tai ajonaikaiset väitteet, jotka eivät vastaa todellisuutta). Loppukäyttäjille "akkuni tyhjenee nopeammin kuin ilmaisin sanoo" on melkein aina BMS-ongelma, ei solu-ongelma.

Vaatimustenmukaisuus.Nykyään litiumparistotuotteet on koottu standardipinoon, ja todellinen BMS tekee niistä yleensä kelvollisia. Yhden ohittaminen sulkee tehokkaasti vakavat markkinat. Yleisimmät tiedossa:

• YK 38.3: kuljetus{0}}turvallisuustestisarja, joka litiumkennojen ja -pakkausten on läpäistävä, jotta ne voidaan kuljettaa ilma-, meri- tai maanteitse. MääritteleeYK:n testien ja kriteerien käsikirja.
• UL 2271: kattaa kevyiden sähköajoneuvojen, kuten e-polkupyörien ja e-skootterien akut.
• UL 1973: kattaa kiinteät ja liikkuvat akkujärjestelmät, mukaan lukien useimmat ESS-tuotteet. Edellyttää dokumentoitua BMS-suojauslogiikkaa.
• IEC 62619: kansainvälinen turvallisuusstandardi teollisille litiumkennoille ja -akuille.
• ISO 26262: maantieajoneuvojen toiminnallinen turvallisuus. Pakollinen, jos OEM on määrittänyt sen vetoakuille.

Lisätietoja siitä, mitä UL-sertifiointi sisältää ESS-puolella, on huomautuksessammemiksi BESS-tuotteet tarvitsevat UL-sertifioinnin. Voit myös selata itse standardejaUL-ratkaisut.

Oikean BMS:n valinta sovelluksen mukaan

Eri sovellukset rasittavat akunhallintajärjestelmää täysin eri tavoin. Sama "100A" -merkki tarkoittaa hyvin eri asioita sähkötyökalussa ja aurinkosäilytystelineessä.

Sähköajoneuvot ja E{0}}liikkuvuus

Sähköautot ja sähköpyörät tarvitsevat korkean jatkuvan virran, nopean huippuvasteen, tarkan SOC:n etäisyyden arviointiin, CAN-tiedonsiirron ja (jos OEM vaatii) ISO 26262:n mukaisen toiminnallisen-turvallisuussuunnittelun. Modulaariset tai hajautetut arkkitehtuurit hallitsevat korkeammalla tasolla.

Energian varastointijärjestelmät (ESS)

Kiinteä tallennus asettaa etusijalle pitkän kalenterin käyttöiän, korkean syklien määrän, tarkan SOH-seurannan ja puhtaan integroinnin invertterien kanssa Modbusin tai CAN:n sijaan. Solut ovat yleensä LiFePO4 turvallisuuden vuoksi. Leveät jänniteikkunat (48 V - 800 V+) työntävät mallit kohti modulaarisia tai hajautettuja BMS-järjestelmiä. Suurin osa meidänkonteissa BESSesimerkiksi projekteissa käytetään modulaarista master{0}}slave BMS:ää, jotta mitä tahansa telinettä voidaan huoltaa ilman, että koko sivusto viedään offline-tilaan.

Sähkötyökalut

Sähkötyökalut huolehtivat ennen kaikkea huippuvirrasta ja{0}}oikosulkuvasteesta. Moottori vetää valtavia transienttivirtoja käynnistyksen ja pysähtymisen yhteydessä. Tässä BMS-suorituskyky riippuu MOSFET-valinnasta (matala Rds(on)) ja mahdollisuudesta ajaa lyhyitä huippuja ilman häiritseviä sammutuksia.

Kannettava ja kulutuselektroniikka

Pieni koko, alhaiset kustannukset ja tiukka integrointi ovat tärkeitä. Pieni keskitetty BMS passiivisella tasapainotuksella ja perussuojauksella yleensä riittää.

Meri- ja käynnistysvoimajärjestelmät

Käynnistys{0}}tyyliset sovellukset vaativat erittäin suuria huippupurkausvirtoja lyhyissä purskeissa sekä suojaa tärinää, kosteutta ja suolaa vastaan. Etsi sinetöityjä malleja, korkeaa huippu-ja-virtasuhdetta ja vahvaa lämpösuojaa.

Kemiallinen valinta ohjaa myös BMS-kokoonpanoa. Yhteenvetomme aiheestaerilaisia ​​akkutyyppejä energian varastointiinkäy läpi kuinka LFP, NMC ja muut käyttäytyvät, mikä puolestaan ​​muuttaa jännitekynnyksiä, tasapainotusstrategiaa ja lämpörajoja, jotka BMS:n on valvottava.

Kuinka valita BMS

Käytä tätä järjestyksessä. Useimmat BMS-ostot menevät pieleen, kun ohitat yhden vaiheen.

1. Vahvista solujen määrä ja kemia.Kuinka monta solua sarjassa ("S"-luku)? Litium--ioni (3,7 V nimellinen), LiFePO4 (3,2 V nimellinen) vai jotain muuta? BMS:n on oltava täsmälleen sama.
2. Laske jatkuva ja huippuvirta.Käytä huonointa{0}}tapausta. Jatkuva virrankulutus lämpömitoitusta varten; huippuvirran merkitystä MOSFET- ja jäljitysvalinnassa.
3. Valitse jatkuva virta marginaalilla.Tavoittele vähintään 25–30 % todellista jatkuvaa kuormitustasi (yleinen pakkaus-peukalosääntö, ei kova luku). Täsmälleen käyttövirtaasi vastaava BMS käy kuumana ja vanhenee nopeasti.
4. Tarkista suojaussarja.Ylilatauksen, yli{0}}purkauksen, ylivirran (lataus ja purkaus), oikosulun ja lämpötilan tulee olla olemassa ja määritettävissä.
5. Valitse tasapainotustyyppi.Passiivinen sopii useimpiin alle 10 kWh:n pakkauksiin. Valitse aktiivinen tasapainotus vain, kun kapasiteetin palautuminen ja pitkä käyttöikä oikeuttavat lisäkustannukset.
6. Yhdistä viestintäliittymä.CAN autoille, RS485 ESS:lle, BLE kannettavalle tai ei mitään erilliselle virtalähteelle.
7. Tarkista MOSFETit ja rakennuslaatu.Pyydä MOSFET-osanumero ja etsi sen tietolomake. Nimi-MOSFET-tuotemerkki, jossa on alhainen Rds(on), on yksi vahvimmista osoittimista vakavasta BMS:stä.

Yleisiä virheitä ja punaisia ​​lippuja ostettaessa BMS

• Luotetaan otsikon nykyiseen arvioon."100A":lla varustetut piirilevyt voivat käyttää MOSFETejä, jotka pienenevät 60A:iin todellisissa lämpöolosuhteissa. Tarkista tietolehti.
• Sekava huippu jatkuvalla.BMS, joka käsittelee 200A yhden sekunnin, ei ole 200A BMS.
• Protokollan huomiotta jättäminen.Brändätyt teho{0}}työkalupaketit (Dewalt, Milwaukee jne.) käyttävät usein patentoituja kättelyjä. yleinen BMS voi yksinkertaisesti kieltäytyä syöttämästä työkalua virtaa.
• Lämpötila-anturien ohittaminen.Yksittäinen NTC koko 20S-pakkauksessa ei voi kertoa, jos yksi kulma on ylikuumentunut.
• Pelkästään hinnalla ostetaan.Halvin "BMS" monisolupakkaukselle{0}} on lähes aina suojalevy, jonka markkinointi on päällä.

FAQ

Voinko käyttää litiumakkua ilman BMS:ää?
Yhdelle kennolle alhaisella virralla, teknisesti kyllä. Kaikille monikennoisille litiumpakkauksille, ja varsinkin missä ihmisiä on lähellä, ei. Lämmön karkaamisen, solujen epätasapainon ja nopean hajoamisen riski tekee BMS:stä tehokkaasti pakollisen.

Mitä eroa on BMS:llä ja akkulaturilla?
Laturi työntää energiaa pakkaukseen. BMS päättää, onko se turvallista ja kertoo laturille, milloin se on lopetettava. Monissa järjestelmissä on molemmat, jotka toimivat yhdessä tietoliikenneväylän kautta.

Pidentääkö BMS akun käyttöikää?
Kyllä, tarkoituksenmukaisesti. Estämällä ylilatauksen, yli-purkauksen ja solujen epätasapainon, pätevä BMS voi pidentää litiumpakkauksen käyttöikää merkittävästi verrattuna sen käyttämiseen ilman suojaa. Tarkka suhde riippuu kemiasta, purkaussyvyydestä ja lämpötilasta.

Mitä solujen tasapainottaminen oikeastaan ​​tekee?
Se pitää sarjan jokaisen kennon lähes samassa lataustilassa, joten pakkaus voidaan ladata täyteen ja purkaa ilman, että yksi kenno saavuttaa rajansa ennenaikaisesti.

SOC vs SOH: mitä eroa on?
SOC kertoo kuinka täynnä akku on juuri nyt. SOH kertoo, kuinka paljon kapasiteettia akku on menettänyt käyttöikänsä aikana. Pakkauksessa voi olla 100 % SOC ja vain 70 % SOH, jos se on vanha.

Ovatko BMS ja PCM sama asia?
Ei. PCM (suojalevy) reagoi vain vikatiloihin. BMS lisää tasapainotuksen, tilan arvioinnin, tiedonsiirron ja usein lämmönhallinnan.

Kuinka paljon virtaa BMS:ni pitäisi tukea?
Tavoittele vähintään 25–30 % todellista jatkuvaa-virtaa korkeammalle, kun käynnistys- tai pysähtymistapahtumien käsittely on huippuluokkaa. Tarkista aina todelliset MOSFET-tiedot, ei vain markkinoitua luokitusta.

Keskitetty, modulaarinen vai hajautettu: kumman tarvitsen?
Pienet pakkaukset (alle noin 16S): keskitetty. Keskikokoiset ja kevyet sähköautot: modulaarinen. Suuri EV tai ruudukko-asteikko: hajautettu.

Pitäisikö minun jälkiasentaa BMS olemassa olevaan akkuun?
Jos pakkaus on alun perin lähetetty ilman pakkausta, vastaus riippuu siitä, mitä sisällä on jo. Jos on olemassa vain perussuojauskortti, vaihtamalla todelliseen BMS:ään voidaan pidentää käyttöikää ja lisätä valvontaa, mutta jälkiasennuksen on vastattava alkuperäistä solujen määrää, kemiaa ja virtapolkua. Jos paketit on jo kytketty vikaantuneeseen BMS:ään, vaihtaminen on yksinkertaista. Suljettujen OEM-pakkausten (etenkin suurten merkkien) jälkiasennukset epäonnistuvat usein pakkauksen ja isäntälaitteen välisten patentoitujen kättelyjen vuoksi, emmekä yleensä suosittele sitä.

Bottom Line

Akunhallintajärjestelmä tekee litiumioniakuista{0}}mittakaavassa käyttökelpoisia. Se aistii, laskee ja toimii sen mukaan, mitä solut tekevät, tasapainottaa niitä, seuraa niiden terveyttä ja keskustelee muun järjestelmän kanssa. Oikean BMS:n väliin jättäminen tai sellaiseksi pukeutuneen suojalevyn tyytyminen maksaa sinulle turvamarginaalin, käyttöiän ja lopulta rahaa.

Ennen kuin ostat, lukitse neljä asiaa: solujen määrä ja kemia, jatkuva ja huippuvirta marginaalilla, tarkka tarvitsemasi suojaussarja ja järjestelmäsi puhuma tiedonsiirtoliittymä. Yhdistä ne pakkauskokoasi vastaavaan arkkitehtuuriin ja vältät kalleimmat virheet litiumakun suunnittelussa.

Jos mitoit BMS:n tiettyä sovellusta varten (ajoneuvojen vetovoima, energian varastointi, sähkötyökalut, veneen käynnistys tai kannettava teho), aloita sovelluksen nykyisistä ja protokollavaatimuksista ja siirry taaksepäin. Tämä on ero viisi vuotta kestävän pakkauksen ja viidessä kuukaudessa epäonnistuvan pakkauksen välillä.