Системи за управление на батерии

• Функциите на BMS са многобройни, като защитата на батерията и управлението на капацитета й за сред основните
  
  
• В основата на електрическата защита е мониторингът на тока и напрежението в клетките или модулите
  
  
• Термичният мениджмънт има ключово значение, тъй като зареждането при температури под 0oC е проблемно от физична гледна точка

Системите за управление на батерии (BMS) са технология, предназначена да наблюдава съвкупност от батерийни клетки, организирани в матрична конфигурация, за да позволи предоставянето на целевия диапазон на напрежение и ток за определено време при конкретно очаквано натоварване. Функционалностите, които BMS обикновено предлагат, включват: мониторинг на батерията; осигуряване на защита на батерията, установяване на работното състояние на батерията; непрекъснато оптимизиране на експлоатацията на батерията; докладване на работния статус към външни устройства.

Тук терминът “батерия” обхваща всички клетки, но функциите за мониторинг и управление се прилагат за индивидуални клетки или групи от клетки, наречени модули. Презареждащите се литиево-йонни клетки имат най-високата енергийна плътност и са стандартен избор за батерии за множество потребителски стоки – от лаптопи до електрически превозни средства. Въпреки отличните им експлоатационни характеристики, при употреба извън безопасния работен диапазон може да се стигне до компрометиращи батерията проблеми и дори опасни последствия. Задачите на BMS определено не са лесни, тъй като обхващат редица аспекти – електрически, цифрови, термични, хидравлични и такива, отнасящи се до управлението.

За внедряването на BMS не е необходимо да е изпълнен определен или уникален набор от критерии. Обикновено конфигурацията и обхватът на технологията зависят от: разходите, степента на сложност и капацитета на батерията; от нейното приложение и фактори, свързани с безопасността, експлоатационния й живот или гаранцията; от изискванията за сертификация от различни организации по отношение на мерките за безопасно функциониране на батерията.
Функциите на BMS са многобройни, като защитата на батерията и управлението на капацитета й за сред основните. Първата от тези функции има две ключови подразделения – електрическа защита и термична защита.

Електрическа защита

В основата на електрическата защита е мониторингът на тока и напрежението в клетките или модулите. Ограниченията по отношение на величината на тока при зареждане и разреждане на литиево-йонните клетки са различни, като и в двата режима те могат да издържат на пикови токове, макар и за кратки периоди от време. Производителите на батерийни клетки обикновено специфицират максималните граници на тока при непрекъснато зареждане и разреждане, както и граничните пикови стойности. Една BMS, осигуряваща токова защита, със сигурност ще приложи максимален непрекъснат ток, което обаче може да бъде предшествано от внезапна промяна в условията на натоварване, например при рязко ускорение на електрическо превозно средство. Системата може да включва мониторинг на пиковите стойности на тока чрез интегрирането му и вземането на решение дали той да бъде намален или прекъснат изцяло след изминаването на определен период от време. Това дава на BMS възможност за почти мигновена реакция спрямо екстремни пикове на тока, например къси съединения, които не са засечени от предпазителите, но и поносимост към високи пикови потребления, в случай че не са прекомерно високи за прекалено дълги периоди от време.

Границите на напрежението за безопасна експлоатация в крайна сметка се определят от химичния състав на избраната литиево-йонна клетка и температурата на клетките във всеки един момент. Тъй като батерията се характеризира със значителна цикличност на тока, разреждане поради товарови потребности и зареждане от различни енергийни източници, границите на напрежението обикновено се стесняват допълнително, за да се оптимизира експлоатационният живот на батерията. BMS трябва да “знае” тези гранични стойности и да взема решения въз основа на близостта до тях. Например, при наближаване на горна граница на напрежение, системата може да изиска постепенно редуциране на зарядния ток или цялостното му прекъсване, в случай че границата бъде достигната. От друга страна, при наближаване на долната граница на напрежение, BMS може да изисква намаляване на токовите потребности на ключовите активни товари. В случая на електромобил например, това може да се осъществи чрез редуциране на въртящия момент на двигателя. Разбира се, най-големият приоритет на системата трябва да е безопасността на водача и същевременната защита на батерията срещу трайна повреда.

Термична защита

На пръв поглед може да изглежда, че литиево-йонните клетки имат широк диапазон на работната температура, но капацитетът на батериите намалява при ниски температури, защото скоростта на химичните реакции се понижава значително. Що се отнася до експлоатационната достъпност, те са много по-надеждно решение от оловно-киселинните или NiMh батериите. Термичният мениджмънт обаче има ключово значение, тъй като зареждането при температури под 0°C е проблемно от физична гледна точка, защото може да се стигне до метализация на анода. Това е трайна повреда, която не само води до редуциран капацитет, но и прави клетките по-уязвими към неизправности при излагане на вибрации или други напрягащи условия. BMS може да управлява температурата на батерията чрез нагряване или охлаждане.

Реализираният термичен мениджмънт зависи изцяло от размера и цената на батерията. Независимо от вида на нагревателя, обикновено е по-ефективно да се използва енергия от външен променливотоков източник или резервна батерия. Ако енергопотреблението на нагревателя е ниско, може да бъде използвана енергия и от самата батерия, която се нагрява. Охлаждането е особено важно за свеждане на загубите на производителност на литиево-йонните батерии. Например, ако дадена батерия работи оптимално при 20°C и температурата се повиши до 30°C, ефективността й може да намалее с до 20%. Ако батерията непрекъснато се зарежда при 45°C, загубата на ефективност може да достигне до 50%. Продължителното излагане на топлина, особено при бързи цикли на зареждане и разреждане, оказва влияние и върху експлоатационния живот на батерията. Охлаждането обикновено се постига по два метода – пасивно или активно. При пасивното охлаждане се разчита на движението на въздушен поток около батерията. Използването на активен температурно управляван вентилатор в електромобил например може да помогне при ниски скорости или когато превозното средство е спряло, но единственото, което може да се постигне, е да се изравни температурата на батерията с тази на околната среда.

Възможно е да се използва допълнителна активна хидравлична охлаждаща система с етиленгликол. BMS следи температурата на батерийните клетки и отваря и затваря различни вентили, за да се поддържа стойността в тесния температурен диапазон, осигуряващ оптимална ефективност.

Управление на капацитета

Осигуряването на максимален капацитет на батерията безспорно е сред най-важните функции на BMS. Трябва да се отбележи, че една група от батерийни клетки се отличава с различни нива на утечка и саморазряд. Утечката не е производствен дефект, а химична характеристика на батерията, въпреки че, статистически погледнато може да бъде повлияна от минимални разлики в производствените процеси. С времето разликите между клетките по отношение на тези параметри нарастват, не само поради саморазряд, но и заради циклите на зареждане и разреждане, повишени температури и обща амортизация.

Ако една група от клетки се състои от набор от перфектно балансирани клетки, то всички те ще се заредят равномерно и зарядният ток може да бъде прекъснат при достигане на горната гранична стойност на напрежението. В случай на дисбаланс обаче една от клетките може да се зареди бързо и да е нужно зарядният ток да бъде спрян, преди останалите батерийни клетки да са се заредили до пълния си капацитет. Именно тук се намесва BMS. Степента на зареждане (state-of-charge, SOC) на една клетка или модул във всеки един момент е пропорционална на наличния заряд, отнесен към общия заряд при пълно зареждане. Управлението на капацитета от BMS се свежда изцяло до балансиране на разликите в SOC на всяка група клетки в батерията, като схемата на балансиране може да бъде активна или пасивна. Пасивното балансиране е най-лесно за внедряване. То позволява всяка клетка в съответната група да има същия заряден капацитет като този на най-слабата клетка. BMS следи всяка от клетките и когато засече, че някоя от тях достига границата си на зареждане, отклонява излишния ток към следващата клетка в редицата.

Ползите от BMS

Една батерийна система за съхранение на енергия (BESS), може да бъде изградена от десетки, стотици или дори хиляди литиево-йонни клетки в зависимост от приложението. Номиналното им напрежение може да е както под 100 V, така и да достигне над 800 V, с величина на захранващия ток от 300 и повече ампера. Лошото управление на една високоволтова система може да доведе до катастрофални, животозастрашаващи последици. Поради това системите за управление на батерии са от критично значение за гарантиране на безопасна експлоатация.

Функционална безопасност. Този фактор е особено важен за литиево-йонните батерии с голям капацитет. Дори и тези с по-малък капацитет обаче, например тези за лаптопи, могат да се възпламенят и да причинят сериозни щети. Личната безопасност на потребителите на продуктите с литиево-йонни захранващи системи обуславя нуждата от максимално ограничаване на грешките в управлението на батериите.
Експлоатационен живот и надеждност. Защитата на батериите, електрическа и термична, гарантира, че всички клетки се използват в рамките на изискванията за безопасност. Тази функция осигурява защита при агресивна експлоатация и бързи цикли на заряд и разряд, което неизбежно води до стабилна система, която ще работи надеждно в продължение на години.

Ефективност. Управлението на капацитета, при което се прилага балансиране между клетките с цел изравняване на SOC, дава възможност за реализиране на оптималния капацитет на батерията. Без тази функция на BMS, справяща се с вариациите заради саморазряд, цикли на заряд/разряд, температурни въздействия и обща амортизация, батериите могат да станат негодни за употреба.
Диагностика, събиране на данни и външна комуникация. Функциите на BMS включват непрекъснат мониторинг на всички батерийни клетки, където регистрирането на данни може да се използва за диагностика, но често се извършва и с цел изчисляване на SOC на всички клетки в групата. Тази информация се използва за балансиращите алгоритми, но може да бъде подадена и към външни устройства и екрани, за да се визуализира остатъчната налична енергия, да се установи очакваният оставащ експлоатационен живот въз основа на настоящата консумация на енергия и да се предостави информация за състоянието на батерията.

Спестяване на разходи. Внедряването на BMS в BESS е свързано с допълнителни разходи към вече скъпите батерии. Колкото по-сложна е системата за съхранение на енергия, толкова по-големи са изискванията за безопасност и толкова по-необходимо е прилагането на BMS. Защитата и превантивната поддръжка, която осигурява една BMS по отношение на функционална безопасност, експлоатационен живот и надеждност, ефективност, капацитет, диагностика и др., предоставят възможност за понижаване на общите разходи, включително тези за гаранция.