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Warum Lithiumbatterie-Managementsysteme so wichtig sind
Mit der zunehmenden Innovation von Wissenschaft und Technologie stechen Lithiumbatterien hervor. Von mobilen Geräten über Stromversorgungsgeräte bis hin zu Energiespeichergeräten haben die Menschen das zentrale Batteriemanagementsystem von Lithiumbatterien übersehen. BMS kann die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer der Batterie gewährleisten. Ein hochwertiges BMS kann nicht nur verbessern Leistung zu verbessern, sondern auch potenzielle Risiken zu vermeiden. Das ist der unersetzliche Wert von BMS.
Folgen Sie mir als Nächstes, um Lithium-Ionen-Batterien zu erkunden und die Rolle von Batteriemanagementsystemen zu verstehen. Ich werde Ihnen die Geheimnisse von BMS aus den Komponenten von BMS, der Architektur von BMS und den erweiterten abgeleiteten Funktionen von BMS enthüllen. Gleichzeitig werde ich besprechen, wie Sie ein geeignetes Batteriemanagementsystem entsprechend den Benutzeranforderungen auswählen und Ihnen verlässliche Ratschläge zum Geldsparen geben. Ich kann es kaum erwarten.
Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?
Lithium-Ionen-Batterien sind untrennbar mit unserem Leben verbunden. Als derzeit angesagteste wiederaufladbare Batterie, von Mobiltelefonen, Laptops über Elektrofahrzeuge bis hin zu tragbaren Powerbanks und Solarenergiespeichern, werden in diesem Abschnitt die Vorteile und Eigenschaften von Lithiumbatterien untersucht, um diese Schlüsseltechnologie vollständig zu verstehen.
Hauptmerkmale und Vorteile
1. Energiedichte: Im Vergleich zu anderen Batteriekomponenten weisen Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Batteriedichte auf, wodurch mehr Energie auf kleinerem Speicherplatz gespeichert werden kann.
2. Lebensdauer: Lithium-Ionen-Batterien haben eine zehnmal längere Lebensdauer als Blei-Säure-Batterien. BSL-Lithiumbatterien können nach 3.500 Lade- und Entladezyklen immer noch 80 % ihrer Restkapazität behalten und haben langfristig einen höheren Wert.
3. Keine Wartung erforderlich: Es muss weder Wasser noch Säure hinzugefügt werden und es ist keine regelmäßige Wartung erforderlich, was die Gesamtbetriebskosten im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien senkt.
4. Schnelles Laden und Entladen: Lithiumbatterien unterstützen schnelles Laden, laden fünfmal schneller als Blei-Säure-Batterien, haben weniger Ausfallzeiten und eine hohe Entladung und eignen sich sehr gut für Anwendungen, die explosive Leistung erfordern. Zum Beispiel 72-V-Sightseeing-Autos oder Golfwagen.
5. Geringeres Gewicht: Lithium-Batterien wiegen nur ein Viertel der Blei-Säure-Batterien, haben aber mehr Energie und eine größere Flexibilität.
6. Temperatur: Lithiumbatterien können auch unter extremen Wetterbedingungen normal funktionieren. BSL-Batterien können bei Temperaturen von -30℃ (-22℉) bis 55℃ (131℉) normal betrieben werden, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt. Stärkere Temperatur Naturflexibilität.
7. Entladungstiefe: Lithium-Batterien haben eine tiefere Entladetiefe mit einer gesunden Entladerate von 90 %, während Blei-Säure-Batterien nur 40–50 % haben.
8. Vorteile für die Umwelt: Lithium-Ionen-Batterien sind schadstofffrei, und immer mehr Unternehmen verzichten auf Blei-Säure-Batterien und wechseln auf Lithium-Batterien. Damit leisten sie einen hervorragenden Beitrag zu einer weltweiten, nachhaltigen, kohlenstofffreien Umwelt.
Anwendungen für Lithiumbatterien
1. Elektrofahrzeuge: Elektroautos, Gabelstapler, Golfwagen , Wohnmobile.
2. Tragbare elektronische Geräte: Mobiltelefone, Laptops, Drohnen usw.
3. Medizinische Ausrüstung: Herzschrittmacher und andere medizinische Geräte.
4. Speicherung erneuerbarer Energien: Solarzellen. Photovoltaikanlagen.
5. Notstromversorgung: USV-Notstromsystem
6. Remote-Moni Torsystem: Lithium-Ionen-Batterien haben eine geringe Selbstentladung und eine lange Lebensdauer, wodurch sie sich besser für die Überwachung und Alarmierung von abgelegenen Gebieten eignen.
7. Mobilitätshilfen: Elektrofahrräder und Elektrorollstühle.
Die Rolle des Batteriemanagementsystems (BMS)
Als Gehirn des Akkus ist BMS ein starker Garant für die Sicherheit, Leistung und Lebensdauer von Lithiumbatterien. Es stellt sicher, dass die Batterie im optimalen Temperatur-, Strom- und Spannungsbereich arbeitet, überwacht und schützt die Integrität der Batterie in Echtzeit und bietet eine zuverlässige Garantie für die Benutzersicherheit.
Kernfunktionen
1. Überwachung
Das BMS überwacht den ganzen Tag über kontinuierlich den Status jeder Batterie: Spannung, Strom und Temperatur. Diese Echtzeit-Datenerfassung ist für die proaktive Verwaltung des Akkus unerlässlich, da sie jederzeit Anpassungen für eine optimale Leistung ermöglicht.
2. Schutz
Das Batteriemanagementsystem spielt eine wichtige Rolle beim Schutz von Batteriezellen vor Beschädigung und Ausfall. Bewältigen Sie extreme Temperaturbedingungen und erkennen Sie Verbindungen und Kurzschlüsse.
Bieten Sie sechs wichtige Schutzmaßnahmen:
• Ladeschutz
• Entladeschutz
• Überhitzungsschutz
• Kurzschlussschutz
• Überstromschutz
• Gleichgewichtsschutz
Dank dieser Schutzmaßnahmen kann BMS die Sicherheit von Batterien und die Gesamtzuverlässigkeit von Stromversorgungsgeräten verbessern.
3. Zustandserkennung
Das Batteriemanagementsystem kann den Ladezustand (SOC) und den Gesundheitszustand (SOH) der Batterie erkennen
So kann SOC beispielsweise die verbleibende Batterieleistung anzeigen und die verbleibende Kilometerleistung oder Stromversorgungszeit abschätzen. SOH kann den Gesundheitszustand der Batterie erkennen und potenzielle Batterieprobleme so früh wie möglich erkennen, was dabei hilft, Präventions- und Wartungsmaßnahmen umzusetzen, bevor es zu Ausfällen kommt.
4. Wärmemanagement
BMS spielt eine entscheidende Rolle bei der Erkennung des thermischen Zustands des Batteriepacks. Durch Echtzeitüberwachung und Implementierung von Kühlstrategien kann BMS das Risiko einer Überhitzung wirksam vermeiden. Überhitzung kann die Batterielebensdauer erheblich verkürzen und in schweren Fällen zu einem thermischen Durchgehen führen. BMS können zum Abkühlen oder automatischen Löschen von Bränden eingesetzt werden, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern.
Thermal Runaway ist eine katastrophale Reaktion, bei der die Batterietemperatur weiter ansteigt und nicht kontrolliert werden kann. Die Ursache liegt meist in einem Batteriekurzschluss. Bei einem Kurzschluss fließt der Strom ungehindert und es entsteht Wärme.
Die Hitze beschädigt die interne Batterie, wodurch der Strom ansteigt und weiterhin Wärme erzeugt. Diese Rückkopplungsschleife kann die Batterie ernsthaft beschädigen und sogar Feuer fangen oder explodieren.
BMS kann die Batterie umfassend schützen, indem es die Temperatur der Batteriezellen überwacht und auf der Grundlage des eingebauten Feuerlöschsystems Maßnahmen ergreift, um die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens zu verhindern.
5. Leistungsoptimierung
BMS sorgt durch elektrisches und thermisches Management für das Gleichgewicht der Zellen innerhalb des Batteriepakets. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht ist, werden die Batteriekapazität und die Leistung maximiert.
6. Berichterstattung:
BMS liefert wichtige Informationen über den Betrieb der Batterie an externe Geräte. Dank dieser zeitnahen Informationen kann die Batterie effektiv genutzt und gewartet werden.
Schlüsselkomponenten eines BMS
1. Sensorelement
• Spannungssensor
Stromspannung Überwachungsgeräte sind ein wesentlicher Bestandteil der Überwachung der Spannung jeder Batteriezelle. Die Sicherheit und Effizienz der Batterie hängt von der Aufrechterhaltung konformer Spannungsniveaus ab. Spannungsgeräte messen die Spannungsdifferenz jeder Batteriezelle. Das Batteriemanagementsystem (BMS) führt Zellenausgleichsvorgänge durch, indem es die Batteriespannungen genau überwacht und so sicherstellt, dass alle Zellen in der Batterie gleichmäßig geladen und entladen werden. Darüber hinaus berechnet es den Ladezustand (SOC) und schützt die Batterie vor Überladung oder Tiefentladung, die die Batterie beschädigen kann.
• Stromsensor
Die aktuelle Überwachung ist aus vielen Gründen wichtig. Zunächst wird der Ladezustand durch Integration des Stroms über die Zeit berechnet, eine Technik, die als Coulomb-Zählung bezeichnet wird. Darüber hinaus hilft es, anormale Zustände wie Überstrom oder Kurzschlüsse zu erkennen, sodass Schutzmaßnahmen umgesetzt werden können. Zu den verfügbaren Stromsensoren gehören Hall-Effekt-Sensoren, Shunt-Widerstände und Stromwandler. In BMS-Umgebungen werden Hall-Effekt-Sensoren häufig verwendet, da sie die Flexibilität haben, sowohl Wechsel- als auch Gleichströme zu messen und eine elektrische Isolierung zwischen dem Sensor und dem stromführenden Leiter bereitzustellen.
• Temperatursensor
Thermosensoren werden zur Überwachung der Batterietemperaturbedingungen verwendet. Batterien erzeugen beim Betrieb Wärme und ihre thermische Umgebung kann ihre Effizienz stark beeinflussen. Darüber hinaus kann eine Überhitzung zu einem gefährlichen Zustand führen, der als thermisches Durchgehen bezeichnet wird und einen Batterieausfall oder sogar einen Brand verursachen kann. Diese Probleme können durch die strategische Platzierung von Temperatursensoren, einschließlich Thermoelementen und Thermistoren, im Batteriepack gelöst werden. Im Wesentlichen messen sie die Temperatur einzelner Zellen und die Umgebungstemperatur rund um den Akku. Durch die Erfassung der Daten dieser Sensoren ist das Batteriemanagementsystem (BMS) in der Lage, intelligente Entscheidungen zu treffen. Diese Entscheidungen können die Aktivierung von Kühlsystemen oder die Anpassung der Lade- und Entladeraten umfassen, um sichere thermische Bedingungen aufrechtzuerhalten.
2. Batteriecontroller
Batterien sind eine Schlüsselkomponente des BMS-Frameworks. Koordiniert mehrere Batteriebetriebe als zentrale Verarbeitungseinheit und Entscheidungszentrale. Basierend auf vordefinierten Steueralgorithmen verarbeitet diese Komponente die von verschiedenen Sensoren gesammelten Daten und ergreift Maßnahmen, um sicherzustellen, dass die Batterie optimale Leistung und Sicherheit beibehält. Mikrocontroller oder digitale Signalprozessoren (DSPs) werden typischerweise in Batteriesteuereinheiten zusammen mit Batteriemonitoren und -schutzvorrichtungen verwendet.
• Batterieüberwachung und -schutz
Der Batteriewächter überwacht kontinuierlich Spannung, Strom und Temperatur der Batterie. Anhand dieser Informationen können Sie den Ladezustand, den Gesundheitszustand und den Gesamtzustand der Batterie ermitteln. Wenn der Batteriewächter eine Anomalie erkennt, reagiert der Batterieschutz. Um Schäden vorzubeugen, verhindert der Protektor ein Überladen oder Tiefentladen der Batterie durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. Abklemmen der Batterie oder Ändern der Lade-/Entladerate.
• Steueralgorithmus
Ein Algorithmus ist eine Reihe von Regeln und mathematischen Modellen, die das Batteriemanagementsystem (BMS) dabei unterstützen, intelligente Entscheidungen zu treffen. Bei der Entwicklung dieser Algorithmen müssen die Batteriechemie, der beabsichtigte Verwendungszweck und die gewünschten Leistungsmerkmale berücksichtigt werden. Sie können sehr komplex sein und sind sorgfältig konzipiert, um alle Faktoren zu berücksichtigen. Beispielsweise kann ein Steueralgorithmus bestimmen, wie der Ladestrom dynamisch angepasst werden muss, wenn sich die Batterie der Vollladung nähert, um ein Überladen zu verhindern. Um den Ladezustand (SOC) zu bestimmen, könnte ein anderer Algorithmus Daten von Spannungs- und Stromsensoren verwenden. Damit Batterien effizient und sicher arbeiten können, müssen diese Algorithmen effektiv sein.
• Mikrocontroller oder digitaler Signalprozessor (DSP)
Mikrocontroller oder digitale Signalprozessoren (DSPs) sind das Herzstück eines Batteriecontrollers. Der Steueralgorithmus wird von dieser Komponente ausgeführt. Die Vielseitigkeit und einfache Integration von Mikrocontrollern machen sie zu einem äußerst beliebten Allzweckprozessor. Sie können nicht nur Daten erfassen, kommunizieren und Steuerungsalgorithmen ausführen, sondern auch viele andere Aufgaben übernehmen. Ein DSP hingegen ist ein spezialisierter Prozessor, der sich durch numerische Verarbeitung auszeichnet. DSPs können für bestimmte Anwendungen bevorzugt werden, insbesondere für solche, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung erfordern. Mikrocontroller und DSPs werden letztendlich auf der Grundlage der spezifischen Anforderungen des BMS und seiner Anwendung ausgewählt.
3. Kommunikationsschnittstellen
Kommunikationsschnittstellen sind zentrale Bestandteile eines BMS und ermöglichen den Informationsaustausch mit Geräten oder anderen Systemen. Zu den Kommunikationsschnittstellen gehören Datenprotokollierung, Berichterstellung und Kommunikationsprotokolle.
Kommunikationsprotokolle
Das Format und der Datenaustausch zwischen Geräten in einem BMS werden durch Kommunikationsprotokolle gesteuert. Diese Protokolle sind erforderlich, um sicherzustellen, dass Geräte einander verstehen und erfolgreich kommunizieren können. Zu den typischen BMS-Praktiken gehören:
• Controller Area Network (CAN): Es wird häufig in Automobilanwendungen eingesetzt. Es unterstützt Echtzeitkommunikation und verfügt über eine gute Zuverlässigkeit und Haltbarkeit.
• Interintegrierter Schaltkreis (I2C): In eingebetteten Systemen wird I2C häufig zum Anschluss langsamer Peripheriegeräte verwendet. Es wird normalerweise für die Kommunikation einzelner Geräte über kurze Entfernungen verwendet.
• Serielle Peripherieschnittstelle (SPI): SPI ist für eingebettete Systeme geeignet und wird für die Kommunikation über kurze Entfernungen verwendet. Es ist schneller als das I2C-Protokoll und wird daher in Anwendungen mit hohen Geschwindigkeitsanforderungen eingesetzt.
• Modbus: Es wird häufig in industriellen Umgebungen eingesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass es zwischen mehreren Geräten kommunizieren kann, die mit demselben Netzwerk verbunden sind.
• RS-485: RS-485 ist ein serielles Kommunikationsprotokoll, das Mitte der 1980er Jahre auf den Markt kam und ursprünglich für industrielle Anwendungen entwickelt wurde. Gemeinsam herausgegeben von der Telecommunications Industry Association und der Electronic Industries Alliance.
• Bluetooth: Eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die Daten an persönliche Geräte wie Smartphones und Mobilgeräte überträgt.
Datenprotokollierung und Berichterstattung
BMS zeichnet Daten zu Spannung, Strom, Temperatur und SOC über einen bestimmten Zeitraum auf. Dies erleichtert die Leistungsanalyse und die Fehlerbehebung potenzieller Risiken.
Durch die Übermittlung dieser Daten an andere Systeme und Geräte wird der Meldeprozess externalisiert. Beispielsweise kann der SOC über ein BMS auf dem Armaturenbrett eines Elektrofahrzeugs angezeigt werden, sodass der Fahrer jederzeit den Leistungsstand und die geschätzte Kilometerleistung einsehen kann. In industriellen Anwendungen kann das BMS Daten zur Überwachung und Steuerung an ein zentrales Steuerungssystem liefern.
4. Schutzschaltungen
Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriesystems zu gewährleisten, ist die Schutzschaltung ein entscheidender Bestandteil des BMS. Um potenziell schädliche oder gefährliche Situationen zu verhindern, überwacht es kontinuierlich den Batteriezustand und passt sich in Echtzeit an oder greift ein.
Das BMS verfügt über vier Hauptsicherheitsfunktionen:
• Überladeschutz
• Überentladungsschutz
• Kurz Schaltungsschutz
• Wärmeschutz
5. Ausgleichsschaltungen
Der Ausgleichskreis ist ein grundlegender Bestandteil des BMS-Frameworks. Bei einem Akkupack mit mehreren Zellen ist der Zellenausgleich unerlässlich, um sicherzustellen, dass alle Zellen innerhalb des Akkupacks den gleichen Ladezustand (SOC) haben. Dies gewährleistet nicht nur eine optimale Leistung, sondern erhöht auch die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Akkupacks.
• Passives Balancieren:
Beim passiven Ausgleich wird überschüssige Energie von Zellen mit höherem SOC in Form von Wärme an Zellen mit niedrigerer Ladung und höherem SOC verteilt.
• Aktives Balancieren:
Im Gegensatz zum passiven Ausgleich wird beim aktiven Ausgleich die Ladung zwischen den Zellen neu verteilt, anstatt sie freizugeben. Beim aktiven Ausgleich werden DC-DC-Wandler, Induktivitäten und Kondensatoren verwendet. Während des aktiven Ausgleichs wird Energie von Zellen mit höherem SOC zu Zellen mit niedrigerem SOC übertragen.
Arten von Batteriemanagementsystemen
1. Zentralisiertes BMS Architektur
Es gibt nur ein zentrales BMS in der Batteriebaugruppe und alle Batteriepakete sind direkt mit dem zentralen verbunden.
Vorteile:
Kompakt und günstig.
Nachteile:
Da die Batterien alle mit dem BMS verbunden sind, ist eine große Anzahl von Portanschlüssen erforderlich erforderlich, also es gibt viel Kabelbaumkabel, was für die spätere Wartung unpraktisch ist.
2.Modulare BMS-Topologie
Ähnlich wie ein zentralisiertes BMS ist ein modulares BMS in mehrere sich wiederholende Module unterteilt, von denen jedes über ein eigenes Kabelbündel zum Anschluss an benachbarte Batteriepakete verfügt. Diese BMS-Submodule können von einem Master-BMS-Modul überwacht werden, das für die Überwachung des Status der Submodule und die Kommunikation mit Peripheriegeräten verantwortlich ist.
Vorteile:
Modularität erleichtert die Fehlersuche und Wartung und erleichtert auch die Erweiterung des Akkus.
Nachteile:
Höhere Gesamtkosten und möglicherweise ungenutzte Doppelfunktionen aufgrund unterschiedlicher Anwendungen.
3.Master/Slave-BMS
Ähnlich wie bei der modularen Topologie beschränken sich Slave-Geräte auf die Weiterleitung von Messinformationen, während das Master-Gerät für die Berechnung, Steuerung und externe Kommunikation verantwortlich ist. Obwohl sie dem modularen Typ ähneln, verfügen Slave-Geräte tendenziell über einfachere Funktionen, möglicherweise weniger Overhead und weniger ungenutzte Funktionen.
4. Verteilte BMS-Architektur
In einem verteilten BMS ist die gesamte elektronische Hardware auf einer Steuerplatine auf der platzierten Batterie oder dem platzierten Modul integriert. Es vereinfacht den größten Teil der Verkabelung auf einige wenige Sensorleitungen und Kommunikationsleitungen zwischen benachbarten BMS-Modulen.
Vorteile:
Jedes BMS ist unabhängig und kann Berechnungen und Kommunikation selbstständig durchführen.
Nachteile:
Diese Form der Integration erfolgt tief im Inneren der abgeschirmten Modulbaugruppe, sodass Fehlerbehebung und Wartung schwierig sein können. Auch die Kosten sind tendenziell höher, da mehr BMS in der gesamten Batteriepackstruktur vorhanden sind.
Anwendung von BSLBATT in Li-Ionen-BMS-Systemen.
Neue Cloud-Plattform-Technologie kann grundlegende Informationen über BMS anzeigen
Grundlegende Informationen
Enthält die Projektinformationen des Fahrzeugs, BMS-Software- und Hardwareinformationen, Betriebsstatistiken usw.
Echtzeitstatus
Sie können die Echtzeit-Betriebsinformationen des Fahrzeugs durchsuchen, einschließlich Batteriezellenspannung, Temperatur usw., unabhängig davon, ob das Fahrzeug fährt.
Standortinformationen
Sie können die Standortinformationen des Fahrzeugs in Echtzeit durchsuchen und die Fahrzeugbewegungsbahn nach Zeit anzeigen
BMS-Konfiguration
Zeigen Sie die aktuellen Kalibrierungswerte verschiedener BMS-Parameter an, was der BMS-Statusverfolgung und Fehleranalyse förderlich ist
Operationsgeschichte
Zeichnen Sie jede Lade- und Entladebahn des Fahrzeugs auf
Fehlerhistorie
Erfassen Sie alle Fehlerdaten des Fahrzeugs, unterstützen Sie die Sortierung nach Zeit, Fehlertyp/-niveau usw.
Upgrade-Verlauf
Unabhängig davon, ob es sich um ein 0TA-Upgrade aus der Luft oder ein CAN-Upgrade vor Ort handelt, wird jedes Update der BMS-Software aufgezeichnet und unterstützt Online-Abfragen, wodurch die Rückverfolgbarkeit der Software über den gesamten Lebenszyklus gewährleistet wird
Ausrüstungswechsel
Bei einem BMS-System mit verteilter Struktur wird jeder Slave-Austausch in Echtzeit erkannt und aufgezeichnet
Datenexport
Das BMS-Terminal sendet während des Betriebs regelmäßig Betriebsdaten an die Cloud-Plattform
