מערכת ניהול סוללות: פונקציות, סוגים ואיך לבחור

ערכת סוללות-ליתיום היא חפץ יקר ועתיר אנרגיה-. טפלו בו היטב וזה מחזיק מעמד עשור. התעללו בו במשך כמה דקות ותוכלו לבזות לצמיתות את התאים, או במקרה הגרוע להצית שריפה. הרכיב שמונע את המקרה הגרוע ביותר הוא מערכת ניהול הסוללה, או BMS.

בין אם אתה מעצב חבילה, משלבת אחת במוצר או מעריך את גיליון המפרט של הספק, מדריך זה מכסה את מה ש-BMS עושה בפועל, אילו ארכיטקטורות קיימות, מדוע לא ניתן -לשא ומתן אמיתי וכיצד לבחור את המתאים עבור היישום שלך.
 

בעמוד הזה

• מהי מערכת ניהול סוללות?
• איך BMS עובד בעצם
• פונקציות הליבה של BMS
• ארכיטקטורות BMS ראשיות
• BMS לעומת לוח הגנה (PCM)
• למה חשוב BMS
• בחירת ה-BMS הנכון לפי יישום
• רשימת 7 שלבים לבחירה
• טעויות נפוצות בקניית BMS
• שאלות נפוצות

מהי מערכת ניהול סוללות?

A מערכת ניהול סוללותהוא הבקר האלקטרוני שמנטר ומגן על ערכת סוללות נטענת, לרוב חבילת ליתיום-יון או LiFePO4 העשויה ממספר תאים בסדרה ובמקביל. הוא מודד את מה שכל תא עושה, מחשב איך החפיסה מתנהגת כמכלול, ומתערב כשמשהו גולש מחוץ לגבולות בטוחים.

BMS אינו זהה ללוח הגנה פשוט (נקרא לפעמים PCM, או Protection Circuit Module). לוח הגנה מגיב לקומץ מצבי תקלה כגון טעינת יתר, פריקת יתר- וקצר חשמלי. BMS אמיתי עושה את כל זה, וגם מאזן תאים, מעריך מצב טעינה ומצב בריאותי, מנהל טמפרטורה, ובדרך כלל מתקשר עם שאר המערכת באמצעות CAN, RS485, UART או Bluetooth. ההבחנה חשובה מכיוון שהשוק מערבב את שני המונחים באופן חופשי, ולוחות "BMS" זולים רבים הם לוחות הגנה במסווה.

בתוך מוצר אחסון אנרגיה שלם, ה-BMS הוא אחד מכמה אבני בניין. אם אתה רוצה לראות איך זה יושב לצד התאים, PCS, EMS וחומרה תרמית, הפירוט שלנו שלשמונה מרכיבי ליבה של מערכת אחסון אנרגיה בסוללההוא מלווה טוב לקריאה.

איך BMS עובד בעצם

כל BMS מפעיל את אותה לולאה של ארבעה-שלבים, אלפי פעמים בשנייה.

לָחוּשׁ.ברזי מתח על כל תא, חיישן זרם (shunt או Hall-אפקט) בנתיב הזרם הראשי ותרמיסטורים NTC בנקודות אסטרטגיות מכניסים נתונים גולמיים ל-BMS.

לְחַשֵׁב.מיקרו-בקר הופך את המדידות הללו לערכים נגזרים: מצב טעינה, מצב בריאותי, כוח זמין, חוסר איזון בתאים, טמפרטורה ממוצעת.

לְהַחלִיט.הקושחה משווה הכל מול ספי בטיחות וכללי הפעלה.

חוֹק.בעת הצורך, ה-BMS פותח MOSFETs או מגעים כדי לחתוך זרם. זה עשוי גם להפעיל מעגל איזון, לבקש ממטען להאט, או להפעיל דגל תקלה למערכת המארחת.

לולאת המשוב הסגורה היא מה שמפריד בין מערכת סוללות מנוהלת לסוללה עם שבב הגנה תקוע למעלה.
 

פונקציות הליבה של מערכת ניהול סוללות

עיצובי BMS שונים מדגישים עבודות שונות. מערכת ניהול סוללה מוכשרת מטפלת ברוב או בכולם.

תא-ניטור ברמה

ה-BMS קורא ברציפות את המתח של כל תא במחרוזת הסדרה, את הזרם הזורם פנימה והחוצה מהחבילה, וטמפרטורות בנקודה אחת או יותר. נראות-ברמת התא היא מה שהופך את ההחלטות ברמת-חבילה לאמינות. ממוצע ברמת החבילה מסתיר בדיוק את סוג הסחף- של תא בודד שגורם לכשלים.

איזון תאים

בכל חבילה מרובת-תאים, תאים מזדקנים מעט שונה. ללא איזון, התא החלש ביותר פוגע בגבול המתח העליון שלו תחילה במהלך הטעינה, מה שמאלץ את ה-BMS להפסיק לטעון את כל החבילה ומשאיר את הקיבולת השמישה תקועה.

שתי גישות שולטות.איזון פסיבישורף אנרגיה עודפת מהתאים הגבוהים יותר דרך נגדים קטנים. זה פשוט, זול ומתאים לרוב החבילות הצרכניות והקלות-תעשייתיות.איזון פעילמעביר אנרגיה מתאי גבוה לתאים נמוכים יותר באמצעות קבלים, משרנים או ממירי DC-DC. זה יעיל יותר ומשחזר קיבולת שמיש יותר, אבל הוא מוסיף עלות ומורכבות. איזון פעיל נוטה להשתלם בחבילות גדולות (מתיחה EV, אחסון בקנה מידה רשת-) כאשר כל קילוואט-שעה חשובה.

הערכת SOC, SOH ו-SOF

שלושה ערכי מדינה נראים דומים אך משמעותם דברים שונים.

• מצב טעינה (SOC): כמה החבילה מלאה כרגע, מבוטא באחוזים. מניע את מחוון הטווח או זמן הריצה שהמשתמש רואה.
• מצב בריאות (SOH): כמה קיבולת שמישה נותרה בהשוואה לחבילה-חדשה. חבילה ב-80% SOH איבדה 20% מהקיבולת המקורית שלה.
• מצב תפקוד (SOF): האם החבילה יכולה לספק את הכוח הנדרש כרגע, בהתחשב ב-SOC הנוכחי, SOH, וטמפרטורה.

יחידות זולות מדווחות על SOC. יחידות טובות יותר עוקבות אחר SOH. יחידות פרימיום מדווחות על SOF, וזה מה שאתה בעצם רוצה כאשר ביצועים אמינים נמצאים על הקו. למבוא לאופן שבו תאים צוברים ומאבדים קיבולת במהלך חייהם, המאמר אוניברסיטת סוללה BU-808הוא משאב טוב-בשפה פשוטה.

הֲגָנָה

BMS רציני שומר מפני טעינת יתר,-פריקת יתר, זרם יתר (בשני הכיוונים), קצר חשמלי וטמפרטורה גבוהה או נמוכה. כל סף צריך להיות ניתן להגדרה, וזמן התגובה חשוב לא פחות מהסף עצמו. תגובת מעגל קצר- היא בדרך כלל בטווח של 100-500 מיקרו-שניות; כל דבר בטווח האלפיות השניות איטי מדי עבור יישומים נוכחיים- גבוהים.

ניהול תרמי

עבור חבילות מקוררות באופן פסיבי, ה-BMS פשוט מפחית או מתנתק כאשר הטמפרטורות משתוללות. עבור מארזים מקוררים באופן פעיל, הוא מצווה על מאווררים, משאבות או מחממים לשמור תאים בתוך חלון העבודה שלהם. רוב תאי הליתיום- נטענים בבטחה בין 0-45 מעלות לערך ונפרקים בטווח רחב יותר, אבל הם הכי מאושרים בטווח של 15-35 מעלות; חיי המחזור נופלים בשני הקצוות. עבור מגבלות ספציפיות, הפניה שלנו עלטווחי טמפרטורות של סוללת ליתיוםמכסה כיצד טעינה, פריקה ואחסון נראים בפועל בפועל. בצד החומרה,בחירה בין קירור אוויר לנוזלמעצב את כמות העבודה שה-BMS צריך לעשות מבחינה תרמית.

תִקשׁוֹרֶת

רוב ה-BMS המודרני מדברים עם העולם החיצון. CAN bus הוא סטנדרטי עבור כלי רכב ומערכות תעשייתיות, RS485 שולט באחסון אנרגיה נייח, UART או I²C נפוץ בחבילות צרכניות קטנות, ו-Bluetooth נפוץ יותר ויותר באופניים-ee וכוח נייד. במערכת נייחת ה-BMS מתאם גם עם רמה- גבוהה יותרמערכת ניהול אנרגיה (EMS), המטפל בהחלטות שיגור, תעריפים ואיתות רשת. השניים מתבלבלים לעתים קרובות אבל הם יושבים בשכבות שונות.

רישום נתונים ואבחון

BMSs-מתקדמים יותר מתעדים אירועי תקלות, ספירות מחזוריות וקיצונים היסטוריים. יומן זה הופך לאין ערוך עבור אבחון חבילות שהוחזרו, אימות תביעות אחריות ושיפור הגרסה הבאה של המוצר. בעבודת ה-RMA שלנו, יומן ה-BMS הוא בדרך כלל הדבר הראשון שאנו קוראים; חבילה ללא היסטוריה שמישה היא חבילה שאינך יכול להגן עליה.

סוגים עיקריים של ארכיטקטורות BMS

ישנן שלוש ארכיטקטורות קלאסיות למערכת ניהול סוללות. הבחירה הנכונה היא בעיקר שאלה של גודל אריזה ומורכבות.

כלל עבודה שימושי שאנו מיישמים בעת בדיקת היקף בנייה חדשה: מתחת לכ-16 תאים בסדרה, ריכוזיות זה בסדר. בין 16 ל-100, בדרך כלל מנצחים מודולריים במחיר-של-התקנה לעומת אמינות. מעל 100 תאים, מבוזר משלם את עצמו בעלות הכבלים, שלמות האות ויכולת השירות בשטח. אלו נקודות מוצא, לא חוקים; פרויקטים ספציפיים יכולים למשוך לכל כיוון.
 

BMS לעומת לוח הגנה (PCM): מה ההבדל?

זהו המקור היחיד הגדול ביותר לבלבול בשוק ה-BMS.

אם ספק קורא ללוח של $5 עבור חבילה של 10 תאים "BMS", שאל אם הוא מבצע איזון תאים, מדווח על SOC דרך אפיק נתונים ומפרט מספר חלק אמיתי של מיקרו-בקר. אם התשובה היא לא, זה לוח הגנה.

למה חשוב BMS: הסיכונים האמיתיים של ללכת בלי אחד

המילה "חשוב" משמשת באופן רופף. הנה מה שבעצם משתבש בחבילת ליתיום ללא מערכת ניהול סוללה מתאימה, או עם מערכת שמתאימה לביצוע העבודה.

בְּטִיחוּת.תאי ליתיום-נכשלים באמצעות תגובת שרשרת הנקראת בריחת תרמית. קצר פנימי או טעינת יתר מעלה את הטמפרטורה של תא אחד, מה שמאיץ את הכשל, מה שמעלה את הטמפרטורה עוד יותר, עד שהתא מוציא אלקטרוליט דליק. BMS שתופס את המבשר (מתח חריג, זרם חריג, מגמת טמפרטורה חריגה) יכול לקטוע את השרשרת לפני שהיא הופכת לשריפה.

תוחלת חיים.אפילו חוסר איזון מתמשך של עשרות מילי-וולט בין תאים מקצר את חיי האריזה באופן ניכר. התא החזק ביותר מסיים את הטעינה ראשון ועובר על אופניים על פס צר; התא החלש ביותר עושה את המשימות הכבדות ומתיישן אפילו מהר יותר. ללא איזון, הקיבולת השימושית של החפיסה מתכווצת באופן א-סימטרי במשך חודשים ולא שנים. בחבילות שפתחנו לאחר החזרת האחריות, מעגל איזון שמעולם לא הופעל הוא אחד מגורמי השורש הנפוצים ביותר לאובדן קיבולת מוקדם.

ביצועים.ללא SOC ו-SOH מדויקים, המערכת משתמשת בחסר בחבילה (הקיבולת שנותרה על השולחן) או משתמשת בה יתר על המידה (תביעות טווח או זמן ריצה שאינן תואמות את המציאות). עבור משתמשי קצה, "הסוללה שלי מתה הרבה יותר מהר ממה שהמחוון אומר" היא כמעט תמיד בעיית BMS, לא בעיית תאים.

הַתאָמָה.מוצרי סוללת ליתיום היום נמשכים לערימה של תקנים, ו-BMS אמיתי הוא בדרך כלל מה שהופך אותם לבריאים. דילוג על אחד מהם למעשה סוגר שווקים רציניים. הנפוצים ביותר לדעת:

• UN 38.3: סדרת בדיקות בטיחות-תעבורה שתאי ליתיום וחבילות חייבים לעבור כדי להישלח באוויר, בים או בכביש. מוגדר על ידי המדריך הבדיקות והקריטריונים של האו"ם.
• UL 2271: מכסה סוללות עבור כלי רכב חשמליים קלים כגון-אופניים חשמליים ו-קטנועים חשמליים.
• UL 1973: מכסה מערכות סוללות נייחות ומניעות, כולל רוב מוצרי ESS. דורש לוגיקית הגנה BMS מתועדת.
• IEC 62619: תקן בטיחות בינלאומי לתאים וסוללות ליתיום משני תעשייתיים.
• ISO 26262: בטיחות תפקודית לרכבי כביש. נדרש היכן שה-OEM מציין זאת עבור סוללות משיכה.

למבט מעמיק יותר על מה כוללת הסמכת UL בצד ESS, עיין בהערה שלנו בנושאמדוע מוצרי BESS זקוקים לאישור UL. אתה יכול גם לעיין בתקנים עצמםפתרונות UL.

בחירת ה-BMS הנכון לפי יישום

יישומים שונים מדגישים מערכת ניהול סוללה בדרכים שונות לחלוטין. אותה תווית "100A" פירושה דברים שונים מאוד בכלי חשמלי ובמתלה אחסון סולארי.

כלי רכב חשמליים וניידות-

אופניים חשמליים ו-ee זקוקים לזרם רציף גבוה, תגובת שיא מהירה, SOC מדויק להערכת טווח, תקשורת CAN, ו(כאשר יצרן הציוד המקורי דורש זאת) תכנון בטיחותי פונקציונלי של ISO 26262-. ארכיטקטורות מודולריות או מבוזרות שולטות בקצה הגבוה יותר.

מערכות אחסון אנרגיה (ESS)

אחסון נייח נותן עדיפות לחיים ארוכים בלוח השנה, ספירת מחזורים גבוהה, מעקב SOH מדויק ואינטגרציה נקייה עם ממירים על פני Modbus או CAN. תאים הם בדרך כלל LiFePO4 לבטיחות. חלונות מתח רחבים (48V עד 800V+) דוחפים עיצובים לכיוון BMS מודולרי או מבוזר. רובנוBESS מכולותפרויקטים, למשל, משתמשים ב-BMS-מאסטר מודולרי, כך שניתן יהיה לטפל בכל מתלה אחד מבלי להעביר את כל האתר למצב לא מקוון.

כלי עבודה חשמליים

לכלים חשמליים אכפת מהזרם שיא ותגובת-המעגל הקצר מעל הכל. המנוע מושך זרמים ארעיים עצומים בעת האתחול ובעצירה. כאן, ביצועי BMS מסתכמים בבחירת MOSFET (Rds(מופעל) נמוך) והיכולת לצאת מפסגות קצרות ללא כיבוי מטרד.

מוצרי אלקטרוניקה ניידים וצרכניים

גודל קומפקטי, עלות נמוכה ואינטגרציה הדוקה חשובים ביותר. בדרך כלל מספיקה BMS מרוכז קטן עם איזון פסיבי והגנה בסיסית.

מערכות כוח ימיות והתנעות

יישומים בסגנון -התנעה דורשים זרמי פריקה שיא גבוהים מאוד עבור התפרצויות קצרות, בתוספת הגנה מפני רעידות, לחות ומלח. חפש עיצובים אטומים, יחסי זרם רציפים- עד- גבוהים והגנה תרמית חזקה.

בחירת כימיה מניעה גם את תצורת ה-BMS. סקירה כללית שלנו עלסוגי סוללות שונים לאחסון אנרגיהעובר על האופן שבו מתנהגים LFP, NMC ואחרים, אשר בתורו משנה את ספי המתח, אסטרטגיית האיזון והגבלות התרמיות שה-BMS צריך לאכוף.

כיצד לבחור BMS

השתמש בזה לפי הסדר. דילוג על שלב הוא איך רוב רכישות BMS משתבשות.

1. אשר את ספירת התאים וכימיה.כמה תאים בסדרה (מספר "S")? יון -ליתיום (3.7V נומינלי), LiFePO4 (3.2V נומינלי), או משהו אחר? ה-BMS חייב להתאים בדיוק.
2. חשב זרם רציף ושיא.השתמש בעומס-הגרוע ביותר. זרם רציף משנה עבור גודל תרמי; זרם שיא חשוב עבור MOSFET ובחירת עקבות.
3. בחר זרם רציף עם שוליים.כוון לפחות 25-30% מרווח גחון מעל העומס הרציף האמיתי שלך (כלל אצבע הנדסי נפוץ-, לא מספר קשה). BMS מדורג בדיוק בזרם ההפעלה שלך יפעל חם ויזדקן מהר.
4. ודא את ערכת ההגנה.טעינת יתר,-פריקת יתר, זרם יתר (טעינה ופריקה), קצר חשמלי וטמפרטורה צריכים להיות קיימים וניתנים להגדרה.
5. בחר את סוג האיזון.פסיבי הוא בסדר עבור רוב החבילות מתחת לכ-10 קילוואט-שעה. בחר איזון אקטיבי רק כאשר שחזור קיבולת וחיים ארוכים מצדיקים את העלות הנוספת.
6. התאם את ממשק התקשורת.CAN לרכב, RS485 עבור ESS, BLE עבור נייד, או אף אחד עבור חבילת כוח עצמאית.
7. בדוק את רכיבי ה-MOSFET ואת איכות הבנייה.בקש את מספר החלק של MOSFET וחפש את גיליון הנתונים שלו. שם-מותג MOSFET עם Rds(on) נמוך הוא אחד האינדיקטורים החזקים ביותר של BMS רציני.

טעויות נפוצות ודגלים אדומים בקניית BMS

• סומך על הדירוג הנוכחי של הכותרת.לוח שכותרתו "100A" עשוי להשתמש ב-MOSFET המופחתים ל-60A בתנאים תרמיים אמיתיים. בדוק את גיליון הנתונים.
• מבלבל שיא עם מתמשך.BMS שמטפל ב-200A לשנייה אחת אינו BMS של 200A.
• התעלמות מהפרוטוקול.חבילות כלים-ממותגות (Dewalt, Milwaukee וכו') משתמשות לעתים קרובות בלחיצות ידיים קנייניות; BMS גנרי עשוי פשוט לסרב להפעיל את הכלי.
• דילוג על חיישני טמפרטורה.NTC יחיד עבור חבילת 20S שלמה לא יכול להגיד לך אם פינה אחת מתחממת יתר על המידה.
• קונה רק במחיר.ה-"BMS" הזול ביותר עבור חבילה מרובת-תאים הוא כמעט תמיד לוח הגנה עם שיווק למעלה.

שאלות נפוצות

האם אוכל להשתמש בסוללת ליתיום ללא BMS?
עבור תא בודד בזרם נמוך, טכנית כן. לכל חבילת ליתיום רב-ת, ובמיוחד בכל מקום שבו בני אדם נמצאים בקרבת מקום, לא. הסיכון לבריחה תרמית, חוסר איזון בתאים ופירוק מהיר הופך BMS לחובה למעשה.

מה ההבדל בין BMS למטען סוללות?
מטען דוחף אנרגיה לתוך החפיסה. BMS מחליט אם זה בטוח ואומר למטען מתי להפסיק. למערכות רבות יש את שניהם, שפועלים יחד על גבי אפיק תקשורת.

האם BMS מאריך את חיי הסוללה?
כן, באופן משמעותי. על ידי מניעת טעינת יתר,-פריקת יתר וחוסר איזון בתאים, BMS מוכשר יכול להאריך באופן משמעותי את חיי המחזור של חבילת ליתיום בהשוואה להפעלתה ללא הגנה. היחס המדויק תלוי בכימיה, בעומק הפריקה ובטמפרטורה.

מה בעצם עושה איזון תאים?
הוא שומר על כל תא במחרוזת הטעינה כמעט באותו מצב, כך שניתן לטעון ולפרוק את החבילה במלואה מבלי שתא אחד יפגע במגבלה שלו בטרם עת.

SOC לעומת SOH: מה ההבדל?
SOC אומר לך כמה הסוללה מלאה כרגע. SOH אומר לך כמה קיבולת איבדה הסוללה במהלך חייה. חבילה יכולה להיות ב-100% SOC ורק 70% SOH אם היא ישנה.

האם BMS ו-PCM זה אותו הדבר?
לא. PCM (לוח הגנה) מגיב רק לתנאי תקלה. BMS מוסיף איזון, הערכת מצב, תקשורת ולעתים קרובות ניהול תרמי.

כמה זרם צריך לתמוך ב-BMS שלי?
כוון לפחות 25-30% מעל הזרם הרציף-בעולם האמיתי שלך, עם טיפול שיא עבור אירועי הפעלה או דוכן. בדוק תמיד את מפרט MOSFET בפועל, לא רק את הדירוג המשווק.

מרכזי, מודולרי או מבוזר: איזה מהם אני צריך?
חבילות קטנות (מתחת ל-16S בערך): מרוכזות. חבילות בינוניות ורכבי רכב חשמליים קלים: מודולריים. בקנה מידה גדול של EV או רשת-: מבוזר.

האם עליי להתאים מחדש BMS לחבילת סוללות קיימת?
עבור חבילה שנשלחה במקור ללא אחת, התשובה תלויה במה שכבר יש בפנים. אם יש רק לוח הגנה בסיסי, החלפה ב-BMS אמיתי יכולה להאריך את החיים השימושיים ולהוסיף ניטור, אבל התיקון צריך להתאים לספירת התאים המקורית, הכימיה והנתיב הנוכחי. עבור חבילות שכבר מחוברות ל-BMS שנכשל, ההחלפה היא פשוטה. עבור חבילות OEM אטומות (במיוחד של מותגים גדולים), חידושים נכשלים לעתים קרובות בגלל לחיצות ידיים קנייניות בין החבילה לציוד המארח, ובדרך כלל איננו ממליצים על כך.

השורה התחתונה

מערכת ניהול סוללות היא מה שהופך את סוללות הליתיום-ון לשימושיות בקנה מידה. הוא חש, מחשב ופועל לפי מה שהתאים עושים, מאזן אותם, עוקב אחר בריאותם ומדבר עם שאר המערכת. דילוג על BMS אמיתי, או להסתפק בלוח הגנה בלבוש כזה, עולה לך במרווח בטיחות, תוחלת חיים ובסופו של דבר כסף.

לפני שאתה קונה, נעל ארבעה דברים: ספירת תאים וכימיה, זרם רציף ושיא עם שוליים, ערכת ההגנה המדויקת שאתה צריך וממשק התקשורת שהמערכת שלך מדברת. התאם את אלה לארכיטקטורה הנכונה לגודל החבילה שלך ותימנע מהטעויות היקרות ביותר בעיצוב סוללת ליתיום.

אם אתה קובע גודל של BMS עבור יישום ספציפי (מתיחה EV, אחסון אנרגיה, כלים חשמליים, התנעה ימית או כוח נייד), התחל מהדרישות הנוכחיות והפרוטוקול של היישום ועבוד אחורה. זה ההבדל בין חבילה שנמשכת חמש שנים לכזו שנכשלת תוך חמישה חודשים.