Greito naujų energetikos technologijų, ličio baterijų, kaip pagrindinių energijos kaupimo komponentų, kūrimo eroje yra plačiai naudojamos elektrinėse transporto priemonėse, energijos kaupimo sistemose ir vartotojiškoje elektronikoje. Tačiau ličio baterijų cheminės charakteristikos veikia daugybę rizikų veikimo metu, pavyzdžiui, per didelis įkrovimas, per didelis įkrovimas ir terminis bėgimas. Be to, atskirų akumuliatoriaus ląstelių nenuoseklumas gali tiesiogiai paveikti bendrą našumą ir gyvenimo trukmę. Siekiant išspręsti šiuos iššūkius, akumuliatorių valdymo sistema (BMS) tapo pagrindine technologija, užtikrinanti saugų ir efektyvų ličio baterijų veikimą. Šis straipsnis bus susijęs su ličio baterijų BMS būtinumu ir jo pagrindinėmis funkcijomis, pradedant nuo įgimtų ličio baterijų savybių.
I. Ličio baterijų BMS būtinumas atsižvelgiant į jų charakteristikas
Ličio baterijų cheminės savybės reikalauja, kad BMS būtų galima sušvelninti būdingą riziką. Per didelis įkrovimas gali sukelti ličio dendritų nusodinimą ant neigiamo elektrodų paviršiaus, potencialiai pradurti separatorių ir sukelti trumpus junginius ar net sprogimus. Ir atvirkščiai, per didelis diskredityvas gali ištirpinti vario foliją neigiamame elektrode, todėl negrįžtamas pajėgumo praradimas. Be to, ličio baterijos yra labai jautrios temperatūrai; Aukšta temperatūra pagreitina elektrolitų skilimą, o žema temperatūra sumažina ličio jonų migracijos greitį ir daro įtaką įkrovimo ir iškrovimo efektyvumui. Be to, laikui bėgant gali sustiprinti parametrų, tokių kaip talpa ir vidinis atsparumas atskiroms baterijoms, gali pablogėti, sukurdamas „medinį statinės efektą“, kai bendrą našumą suvaržo silpniausia ląstelė.
BMS veiksmingai apsaugo nuo šios rizikos nuolat stebint akumuliatoriaus būseną ir dinamiškai koreguojant įkrovimo ir iškrovimo strategijas. Pavyzdžiui, elektrinėse transporto priemonėse BMS užtikrina, kad akumuliatoriaus pakuotė veiktų optimalioje temperatūros diapazone nuo 25 laipsnių iki 40 laipsnių ir palaiko įtampos skirtumus tarp atskirų ląstelių, esančių ± 10mV, per balansavimo tvarkymo metodus, taip padidindamas akumuliatoriaus paketo gyvenimo trukmę daugiau nei 30%. Duomenys rodo, kad ličio akumuliatorių pakuotės, turinčios BMS, gali pasiekti daugiau nei 2000 įkrovos ištraukimo ciklų, o tie, kurie neturi BMS, gali trukti mažiau nei 1000 ciklų.
Ii. Pagrindinės BMS funkcijos
(1) Baterijos būsenos stebėjimas ir vertinimas
BMS naudoja didelio tikslumo jutiklius, kad iš atskirų ląstelių būtų nuolat rinkti įtampos, srovės ir temperatūros duomenys ir naudojami algoritmai, kad būtų galima įvertinti akumuliatoriaus įkrovos būklę (SOC) ir sveikatos būklę (SOH). Pavyzdžiui, elektrinėse transporto priemonėse BMS turi nuskaityti šimtus atskirų ląstelių per milisekundes ir išlaikyti SOC įvertinimo klaidas ± 3%, naudodami tokius algoritmus kaip „Kalman“ filtras. Be to, BMS stebi vidinio pasipriešinimo pokyčius, sukeliančius įspėjimus apie sveikatą, kai pasipriešinimas padidėja daugiau kaip 30% pradinės vertės.
(2) Įkrovimo ir išmetimo kontrolės ir saugos apsauga
BMS reguliuoja akumuliatorių įkrovimo ir iškrovimo procesus valdant relių ir MOSFET jungiklius. Įkrovimo metu sistema dinamiškai sureguliuoja įkrovimo srovę, atsižvelgiant į akumuliatoriaus temperatūrą, pavyzdžiui, naudojant 1C įkrovimo greitį esant 25 laipsniams ir sumažindama ją iki 0. 5C 40 laipsnių. Nustatant įtampą, viršijančią 4,2 V arba krinta žemiau 2,5 V atskirose ląstelėse, BMS nedelsdami nutraukia grandinę, kad būtų išvengta per didelio įkrovimo ir per didelio įkrovimo. Be to, sistema pasižymi apsauga nuo trumpojo jungimo, galinčios atjungti sugedusias grandines per 10 mikrosekundžių, kad būtų išvengta šiluminių bėgančių incidentų.
(3) Šilumos valdymas ir ląstelių balansavimas
Šiluminis valdymas yra pagrindinė BMS funkcija. Sistema palaiko akumuliatoriaus paketo temperatūrą optimaliame diapazone per prietaisus, tokius kaip skysčių aušinimo plokštės, oro aušinimo ventiliatoriai ar šildymo plėvelės. Pavyzdžiui, „Tesla 3“ BMS „BMS“ 3 modelyje naudojamas serpentino skysčio aušinimo vamzdžių konstrukcija, kad akumuliatoriaus pakuotės temperatūros skirtumai būtų kontroliuoti iki ± 2 laipsnio. Ląstelių balansavimas, pasiektas naudojant aktyvius arba pasyvius metodus, skirtas atskirų ląstelių nenuoseklumui. Aktyvus balansavimas naudoja DC-DC keitiklius, kad energija būtų perduota iš didelės talpos ląstelių į mažos talpos, o balansavimo efektyvumas viršija 90%, o pasyvus balansavimas išsklaido energijos perteklių per rezistorius, tinkamus išlaidoms jautriems pritaikymams.
(4) Ryšio ir duomenų sąveika
BMS bendrauja su transporto priemonių valdikliais, įkrovimo stotelėmis ir kitais įrenginiais per sąsajas, tokias kaip „Can Bus“ ir RS485. Elektrinėse transporto priemonėse BMS praneša apie akumuliatoriaus būseną, įskaitant SOC, SOH ir temperatūros pasiskirstymą, į transporto priemonės valdymo sistemą kas 100 milisekundžių. Sistema taip pat palaiko diagnostinius protokolus, suaktyvindama trijų lygių aliarmus ir riboja transporto priemonės galios išėjimą, kai izoliacijos varža mažėja žemiau 100Ω\/v. Išplėstinės BMS sistemos siūlo nuotolinio stebėjimo galimybes, įkeliant duomenis į debesų platformas per 4G\/5G tinklus, kad būtų galima numatyti techninę priežiūrą.
Iii. Techniniai iššūkiai ir BMS plėtros tendencijos
Nepaisant reikšmingų pažangų, BMS technologija vis dar susiduria su keliais iššūkiais. Pirma, norint pasiekti didelio tikslumo stebėjimą, reikia subalansuoti jutiklio tikslumą ir sąnaudas, pavyzdžiui, pasiekti {0. 1MV ir temperatūros kontrolės tikslumą ± 0. Antra, sudėtingų algoritmų realiojo laiko našumui reikia dar labiau patobulinti, ypač esant aukšto lygio įkrovimo ir iškrovimo scenarijams, kai SOC įvertinimo algoritmai turi pasikartoti per 10 milisekundžių. Be to, skirtingos skirtingų ličio akumuliatorių tipų cheminės charakteristikos (pvz., NMC, LFP) reikalauja didesnio pritaikomumo nuo BMS.
Žvelgiant į ateitį, BMS vystysis aukštesnio tikslumo, intelekto ir integracijos link. Viena vertus, AI algoritmų integracija padidins gedimų numatymo tikslumą, pavyzdžiui, daugiau nei 95%, pavyzdžiui, naudodamas LSTM neuroninius tinklus, kad būtų galima numatyti, kad akumuliatoriui išliks naudingas tarnavimas. Kita vertus, BMS bus giliai integruota su akumuliatorių pakuotėmis, sudarydamas „intelektualiųjų akumuliatorių“ sprendimus, kurie 20%gali padidinti tūrio energijos tankį. Be to, belaidžio BMS technologijos atsiradimas sumažins laidų diržų naudojimą, sumažins sistemos svorį ir kainą bei palaiko lengvą dizainą elektrinėse transporto priemonėse.
Išvada
Kaip ličio baterijų „smegenys“, BMS nagrinėja pagrindines problemas, susijusias su sauga, nuoseklumu ir gyvenimo trukme realiojo laiko stebėjimu, tikslia valdymu ir intelektualiu valdymu. Sparčiai plėtojant naują energetikos pramonę, BMS technologinis lygis tiesiogiai paveiks akumuliatorių sistemų našumo viršutinę ribą. Ateityje intelektualus BMS atnaujinimas ir jo integracija su IoT ir „Big Data Technologies“ užtikrins patikimesnę techninę pagalbą plačiai paplitusiam ličio baterijų pritaikymui, skatinant naują energijos revoliuciją aukštesniais lygiais.