تعادل فعال BMS - تکنیک متعادل سازی کارآمد برای سیستم های ذخیره انرژی

1 تعادل فعال BMS چیست؟

تعادل فعال BMS روشی برای انتقال انرژی از سلول های با ظرفیت بالاتر به سلول های منفرد با ظرفیت کمتر از طریق انتقال انرژی است، در نتیجه دستیابی به ثبات در بسته باتری و بهبود عملکرد سیستم ذخیره انرژی.

بالانس فعال BMS با تعادل غیر فعال متفاوت است. تعادل غیرفعال عموماً انرژی باتری های ولتاژ بالا را از طریق مقاومت ها تخلیه می کند تا حالتی برابر با قدرت باتری های ولتاژ پایین حفظ کند. این روش دارای معایبی از جمله راندمان کم مصرف انرژی، اتلاف حرارت، جریان متعادل کننده کم و اثربخشی کند است. از سوی دیگر، متعادل سازی فعال فرآیند انتقال انرژی از باتری های پرانرژی به باتری های کم انرژی است، مانند قطع نقاط قوت و ضعف یک تخته چوبی.

در حال حاضر، راه حل های متعادل کننده فعال مختلفی وجود دارد، به جز محلول خازن Fit که به دلیل تعداد کم رشته های قابل اجرا و محدودیت در انتقال، به جریان اصلی تبدیل نشده است، همچنین راه حل های ترانسفورماتور و تراشه های تبدیل DCDC مخصوص باتری طراحی شده توسط سازندگان نیمه هادی وجود دارد که به بازار معرفی شده اند. مزایای بالانس فعال آشکار است، با راندمان بالا، انتقال انرژی، و تنها تلفات سیم پیچ ترانسفورماتور، که سهم کمی را به خود اختصاص می دهد. جریان متعادل را می توان به گونه ای طراحی کرد که بزرگ باشد و به چندین آمپر یا حتی سطح 10 آمپر برسد و اثر متعادل کننده سریع است.

با این حال، تعادل فعال نیز مشکلات جدیدی را به همراه دارد. اولا، ساختار پیچیده است، به خصوص در طرح های ترانسفورماتور که در آن طراحی و کنترل ماتریس های سوئیچ و درایورها چالش برانگیز است. همچنین به همین دلیل است که عملکرد متعادل کننده فعال نمی تواند به طور کامل در آی سی های اختصاصی ادغام شود. ثانیاً بحث هزینه وجود دارد. ساختارهای پیچیده ناگزیر به مدارهای پیچیده منتهی می شوند و افزایش هزینه و نرخ خرابی اجتناب ناپذیر است، که همچنین ارتقاء BMS متعادل کننده فعال را محدود می کند.

برای BMS، علاوه بر عملکرد تعادل، استراتژی تعادل اساسی حتی مهمتر است. هنگامی که اختلاف قوام سلول های باتری در محدوده خاصی باشد، ظرفیت باتری و ولتاژ همبستگی مثبت دارند. اما زمانی که قوام باتری دور از حد مطلوب باشد، یعنی زمانی که باتری در حالت آسیب دیده قرار دارد، همبستگی بین توان و ولتاژ چندان قوی نیست و نمی توان اساس تعادل را تنها بر اساس داده های ولتاژ قضاوت کرد. اگر باتری از آسیب کمتر از حالت بحرانی آگاه نباشد و همچنان تعادل ولتاژ را حفظ کند، در واقع می تواند باعث آسیب به باتری شود، به خصوص در تعادل فعال، جایی که آسیب ناشی از جریان بالا بیشتر از تعادل غیرفعال است.

بالانس فعال برای کاربردهای بسته باتری لیتیومی با تعداد رشته‌های بالا و ظرفیت بالا مناسب است، در حالی که بالانس غیرفعال برای کاربردهای بسته باتری لیتیومی با ظرفیت کم و تعداد رشته‌های کم مناسب است. قوام باتری تسلا بسیار خوب است و تعادل غیرفعال کافی است. با این حال، در چین، هنوز فضا برای بهبود در مواد خام باتری و فرآیندهای تولید وجود دارد، و درجه پراکندگی در قوام باتری نسبتاً زیاد است. بالانس فعال برای استفاده از بسته های باتری لیتیومی نوع قدرت مناسب تر خواهد بود.

2 نقش متعادل کننده فعال BMS در سیستم های ذخیره انرژی

(1) عملکرد کلی بسته باتری را افزایش دهید

1. عدم تعادل برق ناشی از سلول های فردی ناسازگار در بسته باتری را برطرف کنید و ظرفیت کلی و عملکرد انرژی بسته باتری را بهبود بخشید.

در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، به دلیل تفاوت در مواد و فرآیندهای ساخت، و همچنین تغییرات در محیط‌های استفاده و سطوح پیری، تفاوت‌های خاصی در ویژگی‌های شیمیایی و الکتریکی بین سلول‌های منفرد وجود دارد که به صورت ناسازگاری در ظرفیت، مقاومت داخلی DC، باز بودن ظاهر می‌شود. ولتاژ مدار، وضعیت شارژ (SOC)، و جنبه های دیگر. این ناهماهنگی می‌تواند منجر به ظرفیت نامناسب باتری در بین سلول‌های جداگانه در بسته باتری شود و بر ظرفیت کلی و عملکرد انرژی بسته باتری تأثیر بگذارد. BMS به طور فعال انتقال انرژی را از سلول‌های با ظرفیت بالاتر به سلول‌های فردی با ظرفیت کمتر از طریق انتقال انرژی متعادل می‌کند، در نتیجه این پدیده عدم تعادل نیرو را کاهش می‌دهد و ظرفیت کلی و عملکرد انرژی بسته باتری را بهبود می‌بخشد.

به عنوان مثال، ترانسفورماتورها به طور گسترده در تعادل فعال برای متعادل کردن توزیع انرژی در بسته باتری از طریق استراتژی های بالانس پایین و بالا استفاده می شوند. همچنین روش های متعادل سازی مبتنی بر اجزای ذخیره انرژی مانند خازن ها و سلف ها یا بر اساس مبدل های DC-DC وجود دارد. این روش‌های متعادل‌سازی غیرمصرف انرژی عمدتاً انرژی را بین سلول‌های منفرد یا بین سلول‌های جداگانه و کل بسته باتری از طریق خازن‌ها، سلف‌ها یا مبدل‌های DC-DC منتقل می‌کنند. در مقایسه با ساختارهای متعادل کننده مصرف کننده انرژی، آنها پیچیده تر هستند، اما دارای راندمان استفاده از انرژی بالاتر، انتقال انرژی انعطاف پذیر هستند و می توانند به طور موثر عملکرد کلی بسته باتری را بهبود بخشند.

2. با تشخیص وضعیت هر سلول جداگانه در بسته باتری، از روش های متعادل کننده برای حفظ ولتاژ یا وضعیت شارژ بین سلول های جداگانه در یک محدوده خاص استفاده کنید.

سیستم متعادل کننده فعال BMS وضعیت کار باتری را با نظارت مداوم بر پارامترهای کلیدی مانند ولتاژ، جریان و دمای هر سلول باتری ارزیابی می کند. هنگامی که تفاوت در ولتاژ یا وضعیت شارژ بین باتری های جداگانه تشخیص داده شد، روش متعادل سازی فعال می شود. به عنوان مثال، با استفاده از یک مبدل DC-DC رو به جلو دو جهته به عنوان مدار اصلی متعادل کننده، هنگامی که انرژی از سمت ولتاژ بالا به سمت ولتاژ پایین منتقل می شود، چهار ترانزیستور سوئیچینگ بر اساس زمان بندی هدایت سیگنال رانندگی خاص برای دستیابی به انتقال انرژی دو طرفه از سمت ولتاژ پایین U1 واحد به سمت فشار قوی U2 و از سمت فشار قوی U2 به سمت ولتاژ پایین U1 واحد، در نتیجه ولتاژ یا وضعیت شارژ بین باتری های واحد را در محدوده خاصی حفظ می کند.

در همان زمان، مدار کنترل میکروکنترلر، به عنوان هسته کل سیستم متعادل کننده، ماژول جذب ولتاژ را از طریق گذرگاه CAN کنترل می کند تا ولتاژ هر سلول جداگانه در ماژول باتری را جمع آوری کند. اطلاعات باتری خلاصه می شود و برای ایجاد یک برنامه متعادل استفاده می شود. آرایه سوئیچ برای انتخاب سلول هایی که نیاز به بالانس دارند استفاده می شود و سپس فرمان تعادل به مدار کنترل تعادل فرستاده می شود تا اطمینان حاصل شود که وضعیت هر سلول جداگانه در بسته باتری در محدوده معقولی قرار دارد.

(2) طول عمر بسته باتری را افزایش دهید

1. جلوگیری از وقوع یکنواختی بین سلول‌های باتری و کاهش تأثیر پراکندگی باتری بر طول عمر بسته باتری.

ناهماهنگی بین سلول های باتری به تدریج با افزایش زمان استفاده انباشته می شود و باعث ایجاد عدم تعادل در مقدار الکتریسیته بین سلول های باتری می شود که نه تنها بر ظرفیت کلی و عملکرد باتری باتری تأثیر می گذارد، بلکه عمر باتری را نیز محدود می کند. بسته BMS به طور فعال انتقال انرژی را از سلول های فردی با ظرفیت بالاتر به سلول های فردی با ظرفیت پایین تر از طریق انتقال انرژی متعادل می کند، در نتیجه وقوع قوام بین سلولی را سرکوب می کند.

به عنوان مثال، استفاده از فناوری متعادل کننده فعال می تواند از پیری زودرس برخی از باتری ها ناشی از سلول های فردی ناسازگار جلوگیری کند. محصولات BMS توسعه یافته توسط Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. با عملکردهای فناوری اصلی "تعادل فعال و انتقال بی سیم" می توانند به طور دقیق انرژی هر باتری جداگانه را نظارت کنند و به طور فعال به انتقال انرژی کارآمد بین باتری های جداگانه دست یابند و به هدف تعادل انرژی بین آنها دست یابند. باتری های جداگانه، عملکرد باتری را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد، از وقوع یکنواختی بین سلول های باتری جلوگیری می کند و تاثیر پراکندگی باتری بر عمر بسته باتری را کاهش می دهد.

2. می تواند ظرفیت موجود سیستم باتری را افزایش دهد و عمر چرخه را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

فناوری تعادل فعال BMS به طور موثر مشکل عدم تعادل ظرفیت بین سلول های باتری را از طریق انتقال انرژی از بین می برد و عملکرد کل بسته باتری را بهبود می بخشد. با استفاده از تراشه متعادل کننده فعال دوطرفه DC-DC توسط Kelie، در مقایسه با تراشه های متعادل کننده سنتی، الگوریتم هوشمند پیشرفته تعبیه شده ابتکاری به سرعت و به طور موثر تفاوت های تولید شده توسط بسته باتری را از طریق انتقال انرژی جبران می کند، از ثبات باتری اطمینان می دهد و عمر مفید را افزایش می دهد. و میانگین زمان بین خرابی بسته باتری و بهبود موثر مزایای اقتصادی کل چرخه عمر محصول. داده های آزمایش چرخه ای طولانی مدت نشان می دهد که این فناوری متعادل کننده فعال می تواند ظرفیت موجود سیستم باتری را تا بیش از 10٪ افزایش دهد، عمر چرخه را تا بیش از 20٪ بهبود بخشد و هر چه سری های متصل بیشتر باشد، اثر بهبود قابل توجه تر است.

3 اصل کار تعادل فعال BMS

(1) ترکیب سیستم تعادل

سیستم متعادل کننده فعال BMS عمدتاً از یک ماژول باتری سری، یک بسته باتری 12 ولتی، یک آرایه سوئیچ، یک مدار اصلی متعادل کننده، یک مدار جذب ولتاژ و یک مدار کنترل میکروکنترلر تشکیل شده است.

1. تغییر آرایه:

آرایه سوئیچ شامل سوئیچ های دروازه ای سلول باتری و سوئیچ های دروازه ای قطبیت باتری است که می تواند سلول هایی را که نیاز به بالانس شدن دارند، به راه بیاندازند. به عنوان مثال، برای یک بسته باتری متصل به سری 7-سلولی، ترکیبات سوئیچ خاصی برای انتخاب باتری‌های مختلف وجود دارد. با در نظر گرفتن انتخاب باتری 1 و باتری 2 به عنوان مثال، هنگامی که باتری 1 انتخاب می شود، سوئیچ های K1، K2، KP3 و KP4 روشن می شوند و سایر کلیدها خاموش می شوند و یک مدار شارژ و دشارژ مشخص را تشکیل می دهند. هنگام انتخاب باتری 2، سوئیچ های K2، K3، KP1 و KP2 روشن می شوند و سایر سوئیچ ها خاموش می شوند و یک مدار شارژ و دشارژ مربوطه را تشکیل می دهند. دروازه سلول فرد می تواند به ترکیب سوئیچ دروازه ای باتری 1 اشاره داشته باشد و دروازه سلولی حتی می تواند به ترکیب سوئیچ دروازه ای باتری 2 اشاره داشته باشد.

2. مدار اصلی متعادل:

استفاده از مبدل DC-DC رو به جلو دو جهته برای دستیابی به انتقال انرژی دو طرفه. این توپولوژی عمدتاً شامل یک ترانسفورماتور T، دو مقاومت نمونه برداری R1 و R2، دو خازن فیلتر کننده C1 و C2، یک خازن گیره C3، یک سلف فیلتر L و چهار ترانزیستور سوئیچینگ Q1 به Q4 است.

(2) حالت کار

1. انرژی از سمت کم فشار یک واحد به سمت فشار بالا منتقل می شود.

2. انرژی از سمت فشار قوی به سمت فشار ضعیف یک واحد منتقل می شود که به چهار مرحله تقسیم می شود. انتقال و آزادسازی انرژی از طریق هدایت و قطع شدن لوله سوئیچ انجام می شود:

مرحله 1: از زمان t1 تا t2، لوله های سوئیچینگ Q2 و Q3 روشن می شوند. در این زمان، جریان ورودی I1 به همان ترمینال سیم پیچ سمت فشار قوی ترانسفورماتور می ریزد و جریان خروجی I2 از همان ترمینال سیم پیچ سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور خارج می شود. سمت ولتاژ بالا U2 به طور همزمان انرژی را به سمت ولتاژ پایین U1 و سلف L منتقل می کند.

مرحله 2: از زمان t2 تا t3، کلیدهای Q2 و Q3 خاموش می شوند، I2 توسط دیودهای بدنه کلیدهای Q1 و Q2 ادامه می یابد، IT2 به تدریج کاهش می یابد، IQ1 به تدریج افزایش می یابد و انرژی ذخیره شده در سلف L و انرژی مغناطیسی باقیمانده سیم پیچ ولتاژ پایین به سمت ولتاژ پایین رها می شود.

مرحله 3: از زمان t3 تا t4، کلید Q1 روشن می شود، I2 توسط کلید Q1 ادامه می یابد و انرژی ذخیره شده در سلف L به سمت ولتاژ پایین U1 آزاد می شود.

مرحله 4: از زمان t4 تا t5، کلید Q1 خاموش می شود، I2 توسط دیود بدنه کلید Q1 ادامه می یابد و انرژی ذخیره شده در سلف L همچنان به سمت ولتاژ پایین U1 آزاد می شود. در میان آنها، مرحله دو و مرحله چهار هر دو مرحله منطقه مرده هستند، به منظور جلوگیری از اتصال کوتاه Q1 به سیم پیچ ولتاژ پایین در هنگام هدایت Q2 و Q3. سوئیچ Q4 به صورت سری با خازن گیره C3 وصل می شود و به صورت موازی در دو سر کلید Q3 برای بستن فعال و تنظیم مجدد مغناطیسی ترانسفورماتور متصل می شود.

4 وضعیت کاربرد فعلی تعادل فعال BMS در سیستم های ذخیره انرژی

(1) شرکت های مشارکت کننده در بازار

در حال حاضر، سه نوع اصلی از شرکت‌کنندگان در بازار در تعادل فعال BMS در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد: تولیدکنندگان خودرو، تولیدکنندگان باتری لیتیومی نیرو، و تولیدکنندگان مستقل BMS.

ظرفیت نصب شده BMS تولید شده توسط سازندگان خودرو حدود 21.3 درصد از کل را به خود اختصاص می دهد، ظرفیت نصب شده BMS تولید شده توسط کارخانه های باتری های لیتیومی قدرت حدود 45.4 درصد و تولید کنندگان حرفه ای BMS حدود 33.3 درصد از سهم را به خود اختصاص می دهند. اگرچه سازندگان خودرو و تولیدکنندگان باتری همچنان جایگاه‌های مهمی را در اختیار دارند، اما با روند پیشرفت تکنولوژی و تقسیم کار تخصصی، سازندگان حرفه‌ای BMS به شدت در حال رشد هستند و در زمینه خودروهای تجاری مسلط شده‌اند و انتظار می‌رود که تاثیر زیادی در انرژی داشته باشند. زمینه ذخیره سازی

به عنوان مثال، CATL و BYD سهم بازار قابل توجهی در زمینه باتری های لیتیومی قدرت دارند، در حالی که در بازار BMS ذخیره انرژی نیز تأثیر دارند. جنرال موتورز، تسلا، BYD، Huating Power و سایر تولیدکنندگان خودرو، و همچنین تولیدکنندگان باتری مانند BYD، سامسونگ، CATL، Xinwangda، Desai Battery، Tuobang Co., Ltd.، و Beijing Plaid، فعالانه در ذخیره سازی انرژی شرکت می کنند. بازار BMS علاوه بر این، سازندگان حرفه ای BMS مانند Hangzhou Gaote Electronics، Xieneng Technology، و Sci Tech Electronics نیز به طور مداوم در حال کاوش در زمینه ذخیره انرژی BMS هستند.

(2) مسائل موجود

1. BMS ذخیره انرژی چین نسبتاً دیر شروع شد، با استانداردهای ناقص و بدون استراتژی کنترل یکپارچه. اگرچه استانداردهای چارچوبی وجود دارد، اما هر شرکت دارای الزامات متفاوتی برای جعبه های ولتاژ بالا و دسته سیم های ذخیره انرژی است که منجر به هزینه های بالای نصب و راه اندازی، خطاهای متعدد، و عملکرد و نگهداری دشوار سیستم های ذخیره انرژی می شود. ادارات مربوطه کشور در حال تدوین استانداردهای مرتبط با صنعت هستند که انتظار می رود صنعت BMS را بیشتر تنظیم کند، ایمنی و عمر باتری ها را تضمین کند و هزینه سیستم های ذخیره انرژی را از طریق استانداردسازی و مقیاس بندی کاهش دهد.

2. قابلیت اطمینان فناوری متعادل کننده فعال هنوز نیاز به بهبود بیشتر دارد و هزینه باید بیشتر کاهش یابد. در حال حاضر، ساختار تعادل فعال پیچیده است و هزینه آن بسیار بیشتر از تعادل غیرفعال است. به عنوان مثال، روش متداول بالانس فعال با استفاده از ترانسفورماتورها برای شارژ و دشارژ DC-DC از نظر ساختاری پیچیده است و طراحی و کنترل ماتریس‌های سوئیچ و درایورها دشوار است، که همچنین ادغام کامل عملکرد بالانس فعال در آی‌سی‌های اختصاصی را محدود می‌کند. علاوه بر این، ساختارهای پیچیده ناگزیر به مدارهای پیچیده منتهی می‌شوند و افزایش هزینه و نرخ خرابی اجتناب‌ناپذیر است، که همچنین ارتقاء BMS متعادل کننده فعال را محدود می‌کند.

3. الگوریتم ذخیره سازی انرژی BMS به تازگی شروع شده است و هنوز جا برای بهبود در تخمین پیشرفت، همگرایی الگوریتم و استحکام وجود دارد. به خصوص الگوریتم هشدار باتری در سیستم های ذخیره انرژی بسیار مهم است، اما هنوز در صنعت چین تقریباً خالی است. به طور کلی، صنعت BMS در زمینه ذخیره سازی انرژی دارای سطح کلی پایینی است، با انواع شرکت های تولید BMS و کیفیت محصول نابرابر. برخی از شرکت ها درک کافی از سیستم های ذخیره سازی انرژی ندارند. این منجر به این می شود که BMS همیشه در رتبه بندی خرابی قطعات کل سیستم ذخیره انرژی در رتبه بالایی قرار گیرد.

5 روند توسعه تعادل فعال BMS در سیستم های ذخیره انرژی

(1) فناوری متعادل کننده فعال به یک روند آینده تبدیل می شود

با بهبود مستمر الزامات عملکرد برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، مزایای فناوری تعادل فعال به طور فزاینده‌ای برجسته می‌شود. این می تواند به طور موثر قوام بسته باتری را بهبود بخشد و در نتیجه عملکرد کلی سیستم ذخیره انرژی را افزایش دهد. در کاربردهای عملی، فناوری متعادل کننده فعال می‌تواند انرژی را از باتری‌های پرانرژی به باتری‌های کم‌انرژی انتقال دهد و تعادل انرژی را در بسته باتری، درست مانند قطع نقاط قوت و ضعف تخته‌های چوبی، به دست آورد. این فناوری نه تنها دارای راندمان بالا و تلفات کم است، بلکه دارای جریان متعادل بالا و نتایج سریع است. بنابراین، فناوری متعادل کننده فعال به طور گسترده در سیستم های مدیریت باتری ذخیره انرژی استفاده می شود و به یک روند توسعه آینده تبدیل می شود.

(2) محلی سازی اجزای کلیدی

توسعه صنعت BMS داخلی نیاز به تمرکز بر بومی سازی اجزای کلیدی دارد. در حال حاضر، BMS ذخیره انرژی چین نسبتاً دیر شروع شده است و اجزای کلیدی به واردات متکی هستند که نه تنها هزینه ها را افزایش می دهد بلکه ممکن است با خطر عرضه ناپایدار نیز مواجه شود. بهبود قابلیت‌های تحقیق و توسعه مستقل و دستیابی به بومی‌سازی اجزای کلیدی برای افزایش رقابت‌پذیری صنعت BMS چین بسیار مهم است. به عنوان مثال، یک گزارش تحقیقاتی منتشر شده توسط شرکت سرمایه بین المللی چین (CICC) اشاره کرد که فضای زیادی برای بهبود در نرخ بومی سازی تراشه های مدیریت باتری وجود دارد و تولیدکنندگان محلی با فرصت های تجاری قابل توجهی روبرو هستند. با رشد فضای بازار پایین دستی داخلی و افزایش سهم تولیدکنندگان داخلی پایین دستی، انتظار می‌رود که تولیدکنندگان داخلی تراشه مدیریت باتری فرصت‌های جدیدی را ایجاد کنند.

(3) ادغام محصول بهبود یافته است

در آینده، ترکیب الگوریتم‌های وضعیت باتری و کلان داده‌های مبتنی بر ابر به جریان اصلی تبدیل خواهند شد و الگوریتم‌های هوش مصنوعی نیز به طور گسترده در BMS استفاده خواهند شد. این امر قابلیت اطمینان و امنیت سیستم را بهبود می بخشد. به عنوان مثال، حق ثبت اختراع برای "مبدل ذخیره انرژی و سیستم ذخیره انرژی" اعمال شده توسط شرکت فناوری انرژی جدید Xi'an Xingyuan Borui، طراحی را ساده می کند، پیچیدگی و تعداد اجزای سیستم را کاهش می دهد و طراحی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. هزینه و دشواری ادغام در عین حال، طراحی واحد کنترل دستگاه را قادر می سازد تا به طور هوشمندانه نیرو را تخصیص دهد و کارایی عملیاتی سیستم ذخیره انرژی را بهبود بخشد. با پیشرفت مداوم فناوری، ادغام محصول BMS به بهبود ادامه خواهد داد و پشتیبانی قوی تری برای توسعه سیستم های ذخیره انرژی ارائه می دهد.