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Perché i sistemi di gestione delle batterie al litio sono così importanti
Con la crescente innovazione della scienza e della tecnologia, le batterie al litio si distinguono. Dai dispositivi mobili alle apparecchiature elettriche fino alle apparecchiature per lo stoccaggio dell’energia, le persone hanno trascurato il sistema di gestione delle batterie al litio. Il BMS può garantire le prestazioni, la sicurezza e la durata della batteria. Un BMS di alta qualità non può solo migliorare prestazioni, ma anche evitare potenziali rischi. Questo è il valore insostituibile di BMS.
Successivamente, seguimi per esplorare le batterie agli ioni di litio e comprendere il ruolo dei sistemi di gestione delle batterie. Ti svelerò i segreti di BMS dai componenti di BMS, dall'architettura di BMS e dalle funzioni derivate avanzate di BMS. Allo stesso tempo, discuterò su come scegliere un sistema di gestione della batteria adatto in base alle esigenze dell'utente e fornirò una guida autorevole per risparmiare denaro. Non vedo l'ora.
Cos'è la batteria agli ioni di litio
La batteria agli ioni di litio è inseparabile dalla nostra vita. Essendo attualmente la batteria ricaricabile più calda, dai telefoni cellulari, ai computer portatili, ai veicoli elettrici, fino ai power bank portatili e allo stoccaggio dell'energia solare, questa sezione esplorerà i vantaggi e le caratteristiche delle batterie al litio per comprendere appieno questa tecnologia chiave.
Principali caratteristiche e vantaggi
1. Densità energetica: Rispetto ad altri componenti della batteria, le batterie agli ioni di litio hanno una densità della batteria maggiore, il che significa che è possibile immagazzinare più energia in uno spazio di stoccaggio più piccolo.
2. Durata della vita: Le batterie agli ioni di litio hanno un ciclo di vita più lungo, 10 volte quello delle batterie al piombo. Le batterie al litio BSL possono ancora mantenere l'80% della loro capacità rimanente dopo 3.500 cicli di carica e scarica e hanno un valore più elevato a lungo termine.
3. Nessuna manutenzione richiesta: Non è necessario aggiungere acqua o acido e non è richiesta alcuna manutenzione regolare, il che riduce il costo totale di proprietà rispetto alle batterie al piombo-acido.
4. Carica e scarica rapida: Le batterie al litio supportano la ricarica rapida, caricando 5 volte più velocemente delle batterie al piombo-acido, tempi di inattività inferiori e una scarica elevata è molto adatta per applicazioni che richiedono potenza esplosiva. Ad esempio, auto turistiche da 72 V o golf cart.
5. Peso più leggero: Le batterie al litio pesano solo ¼ delle batterie al piombo, ma hanno più energia e maggiore flessibilità.
6. Temperatura: Le batterie al litio possono funzionare normalmente anche in ambienti meteorologici estremi. Le batterie BSL possono funzionare normalmente a temperature comprese tra -30 ℃ (-22 ℉) e 55 ℃ (131 ℉) senza degrado delle prestazioni. Temperamento più forte flessibilità della natura.
7. Profondità di scarico: Le batterie al litio hanno una profondità di scarica più profonda, con un tasso di scarica salutare del 90%, mentre le batterie al piombo hanno solo il 40-50%.
8. Benefici ambientali: Le batterie agli ioni di litio sono a inquinamento zero e sempre più aziende stanno iniziando ad abbandonare le batterie al piombo e a passare alle batterie al litio, fornendo un contributo eccezionale a zero emissioni di carbonio verdi e sostenibili a livello globale.
Applicazioni delle batterie al litio
1. Veicoli elettrici: auto elettriche, carrelli elevatori, carrelli da golf , Camper.
2. Dispositivi elettronici portatili: telefoni cellulari, computer portatili, droni, ecc.
3. Attrezzature mediche: pacemaker cardiaci e altre apparecchiature mediche.
4. Stoccaggio di energia rinnovabile: celle solari. Sistemi fotovoltaici.
5. Alimentazione di emergenza: Sistema di alimentazione di emergenza UPS
6. Mon. remoto sistema di torsione: Batterie agli ioni di litio hanno bassi tassi di autoscarica e una lunga durata, che li rendono più adatti al monitoraggio di aree remote e ai sistemi di allarme.
7. Dispositivi di assistenza alla mobilità: biciclette elettriche e sedie a rotelle elettriche.
Il ruolo del sistema di gestione della batteria (BMS)
Essendo il cervello del pacco batteria, il BMS è una forte garanzia per la sicurezza, le prestazioni e la durata delle batterie al litio. Garantisce che la batteria funzioni entro l'intervallo ottimale di temperatura, corrente e tensione, monitora e protegge l'integrità della batteria in tempo reale e fornisce una garanzia affidabile per la sicurezza dell'utente.
Funzioni principali
1. Monitoraggio
Il BMS monitora continuamente lo stato di ciascuna batteria durante il giorno: tensione, corrente e temperatura. Questa raccolta di dati in tempo reale è essenziale per gestire in modo proattivo il pacco batteria poiché consente di apportare modifiche in qualsiasi momento per ottenere prestazioni ottimali.
2. Protezione
Il sistema di gestione della batteria svolge un ruolo importante nel proteggere le celle della batteria da danni e guasti. Gestisci condizioni di temperatura estreme e rileva connessioni e cortocircuiti.
Fornire sei protezioni principali:
• Protezione in carica
• Protezione dallo scarico
• Protezione dal surriscaldamento
• Protezione da cortocircuito
• Protezione da sovracorrente
• Protezione dell'equilibrio
Grazie a queste protezioni, BMS può migliorare la sicurezza delle batterie e l'affidabilità complessiva delle apparecchiature di alimentazione.
3. Rilevamento dello stato
Il sistema di gestione della batteria è in grado di rilevare lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della batteria
Ad esempio, il SOC può visualizzare la carica rimanente della batteria e stimare il chilometraggio rimanente o il tempo di alimentazione. SOH è in grado di rilevare lo stato di salute della batteria e rilevare potenziali problemi della batteria il prima possibile, il che aiuta a implementare la prevenzione e la manutenzione prima che si verifichi qualsiasi guasto.
4. Gestione termica
Il BMS svolge un ruolo fondamentale nel rilevamento delle condizioni termiche del pacco batteria. Monitorando in tempo reale e implementando strategie di raffreddamento, i BMS possono evitare efficacemente il rischio di surriscaldamento. Il surriscaldamento può ridurre significativamente la durata della batteria e, nei casi più gravi, portare a una fuga termica. Il BMS può essere utilizzato per raffreddare o estinguere automaticamente gli incendi per prevenire la fuga termica.
La fuga termica è una reazione catastrofica in cui la temperatura della batteria continua ad aumentare e non può essere controllata. Di solito è causato da un cortocircuito della batteria. Quando si verifica un cortocircuito, la corrente scorre senza restrizioni e genera calore.
Il calore danneggia la batteria interna, provocando un aumento della corrente e continuando a generare calore. Questo circuito di feedback può danneggiare seriamente la batteria e persino prendere fuoco o esplodere.
Il BMS può proteggere in modo completo la batteria monitorando la temperatura delle celle della batteria e intervenendo in base al sistema antincendio integrato per prevenire la probabilità di fuga termica.
5. Ottimizzazione delle prestazioni
Il BMS garantisce l'equilibrio delle celle all'interno del pacco batteria attraverso la gestione elettrica e termica. Una volta raggiunto questo equilibrio, la capacità e le prestazioni della batteria saranno massimizzate.
6. Segnalazione:
Il BMS fornisce informazioni importanti sul funzionamento della batteria ai dispositivi esterni. Grazie a queste informazioni tempestive, la batteria può essere utilizzata e mantenuta in modo efficace.
Componenti chiave di un BMS
1.Elemento sensibile
• Sensore di tensione
Voltaggio i dispositivi di monitoraggio sono parte integrante del monitoraggio della tensione di ciascuna cella della batteria. La sicurezza e l'efficienza della batteria dipendono dal mantenimento di livelli di tensione conformi. I dispositivi di tensione misurano la differenza di tensione di ciascuna cella della batteria. Il sistema di gestione della batteria (BMS) esegue le procedure di bilanciamento delle celle monitorando da vicino le tensioni della batteria, garantendo che tutte le celle della batteria vengano caricate e scaricate in modo uniforme. Inoltre calcola lo stato di carica (SOC) e protegge la batteria dal sovraccarico o dallo scaricamento completo, che potrebbero danneggiarla.
• Sensore di corrente
Il monitoraggio attuale è importante per molte ragioni. Innanzitutto calcola il SOC integrando la corrente nel tempo, una tecnica chiamata conteggio di Coulomb. Inoltre, aiuta a identificare condizioni anomale come sovracorrente o cortocircuiti, in modo che possano essere implementate misure protettive. I sensori di corrente disponibili includono sensori ad effetto Hall, resistori di shunt e trasformatori di corrente. Nelle impostazioni BMS, i sensori a effetto Hall sono ampiamente utilizzati perché hanno la flessibilità di misurare sia correnti CA che CC e forniscono isolamento elettrico tra il sensore e il conduttore che trasporta corrente.
• Sensore di temperatura
I sensori termici vengono utilizzati per monitorare le condizioni di temperatura della batteria. Le batterie generano calore quando funzionano e il loro ambiente termico può influenzarne notevolmente l'efficienza. Inoltre, il surriscaldamento può portare a una condizione pericolosa chiamata fuga termica, che può causare guasti alla batteria o addirittura un incendio. Questi problemi possono essere risolti posizionando strategicamente i sensori di temperatura, comprese termocoppie e termistori, all'interno del pacco batteria. Essenzialmente misurano la temperatura delle singole celle e la temperatura ambiente attorno alla batteria. Raccogliendo dati da questi sensori, il sistema di gestione della batteria (BMS) è in grado di prendere decisioni intelligenti. Queste decisioni possono comportare l’attivazione di sistemi di raffreddamento o la regolazione dei tassi di carica e scarica al fine di mantenere condizioni termiche sicure.
2.Controllore della batteria
Le batterie sono una componente chiave del quadro BMS. Coordina più operazioni sulla batteria come unità di elaborazione centrale e centro decisionale. Sulla base di algoritmi di controllo predefiniti, questo componente elabora i dati raccolti da vari sensori e intraprende azioni per garantire che la batteria mantenga prestazioni e sicurezza ottimali. I microcontrollori o i processori di segnale digitale (DSP) vengono generalmente utilizzati nelle unità di controllo della batteria insieme a dispositivi di monitoraggio e protezione della batteria.
• Monitoraggio e protezione della batteria
Il monitor della batteria monitora continuamente la tensione, la corrente e la temperatura della batteria. Utilizzando queste informazioni, è possibile determinare lo stato di carica, lo stato di salute e la salute generale della batteria. Quando viene rilevata un'anomalia dal monitor della batteria, la protezione della batteria risponde. Per evitare danni, la protezione impedisce il sovraccarico o lo scaricamento eccessivo della batteria adottando misure appropriate, come scollegare la batteria o modificare la velocità di carica/scarica.
• Algoritmo di controllo
Un algoritmo è un insieme di regole e modelli matematici che aiutano il sistema di gestione della batteria (BMS) a prendere decisioni intelligenti. Quando si progettano questi algoritmi è necessario tenere conto della chimica della batteria, dell'uso previsto e delle caratteristiche prestazionali desiderate. Possono essere molto complessi e sono progettati attentamente per tenere conto di tutti i fattori. Ad esempio, un algoritmo di controllo può determinare come la corrente di carica deve essere regolata dinamicamente quando la batteria si avvicina alla carica completa per evitare il sovraccarico. Per determinare lo stato di carica (SOC), un altro algoritmo potrebbe utilizzare i dati provenienti dai sensori di tensione e corrente. Affinché le batterie funzionino in modo efficiente e sicuro, questi algoritmi devono essere efficaci.
• Microcontrollore o processore di segnale digitale (DSP)
I microcontrollori o processori di segnale digitale (DSP) sono il cuore di un controller della batteria. L'algoritmo di controllo viene eseguito da questo componente. La versatilità e la facilità di integrazione dei microcontrollori li rendono un processore per uso generale estremamente popolare. Oltre ad acquisire dati, comunicare ed eseguire algoritmi di controllo, hanno la capacità di gestire molti altri compiti. Un DSP, d'altra parte, è un processore specializzato che eccelle nell'elaborazione numerica. I DSP possono essere preferiti per alcune applicazioni, in particolare quelle che richiedono un'elaborazione dei dati ad alta velocità. Microcontrollori e DSP vengono infine scelti in base alle esigenze specifiche del BMS e della sua applicazione.
3.Interfacce di comunicazione
Le interfacce di comunicazione sono componenti chiave di un BMS, poiché consentono lo scambio di informazioni con dispositivi o altri sistemi. Le interfacce di comunicazione includono la registrazione dei dati, il reporting e i protocolli di comunicazione.
Protocolli di comunicazione
Il formato e lo scambio di dati tra i dispositivi in un BMS sono controllati da protocolli di comunicazione. Questi protocolli sono necessari per garantire che i dispositivi possano capirsi e comunicare correttamente. Le pratiche tipiche del BMS includono:
• Controller Area Network (CAN): Viene spesso utilizzato nelle applicazioni automobilistiche. Supporta la comunicazione in tempo reale e ha una buona affidabilità e durata.
• Circuito interintegrato (I2C): Nei sistemi embedded, I2C viene spesso utilizzato per connettere periferiche a bassa velocità. Di solito viene utilizzato per singoli dispositivi che comunicano su brevi distanze.
• Interfaccia periferica seriale (SPI): SPI è adatto per sistemi embedded e viene utilizzato per la comunicazione a breve distanza. È più veloce del protocollo I2C e viene quindi utilizzato in applicazioni con requisiti di alta velocità.
•Modbus: Viene spesso utilizzato in ambienti industriali. Il vantaggio è che può comunicare tra più dispositivi collegati alla stessa rete.
•RS-485: RS-485 è un protocollo di comunicazione seriale che ha cominciato ad apparire a metà degli anni '80 ed è stato originariamente sviluppato per applicazioni industriali. Pubblicato congiuntamente dalla Telecommunications Industry Association e dalla Electronic Industries Alliance.
• Bluetooth: Una tecnologia di comunicazione wireless che trasmette dati a dispositivi personali, come smartphone e dispositivi mobili.
Registrazione e reporting dei dati
Il BMS registra i dati su tensione, corrente, temperatura e SOC in un periodo di tempo specifico. Ciò facilita l'analisi delle prestazioni e la risoluzione dei problemi potenziali.
Inviando questi dati ad altri sistemi e dispositivi, il processo di reporting viene esternalizzato. Ad esempio, il SOC può essere visualizzato sul cruscotto di un veicolo elettrico tramite un BMS in modo che il conducente possa visualizzare in qualsiasi momento il livello di potenza e il chilometraggio stimato. Nelle applicazioni industriali, il BMS può fornire dati a un sistema di controllo centralizzato per il monitoraggio e il controllo.
4.Circuiti di protezione
Per garantire la sicurezza e l'affidabilità del sistema batteria, il circuito di protezione è una parte cruciale del BMS. Per prevenire situazioni potenzialmente dannose o pericolose, monitora continuamente lo stato della batteria e la regola o interviene in tempo reale.
Ci sono quattro caratteristiche di sicurezza principali nel BMS:
• Protezione da sovraccarico
• Protezione da scarica eccessiva
• Corto protezione del circuito
• Protezione termica
5.Circuiti di bilanciamento
Il circuito di bilanciamento è una componente fondamentale del framework BMS. In un pacco batteria con più celle, il bilanciamento delle celle è essenziale per garantire che tutte le celle all'interno del pacco batteria abbiano lo stesso stato di carica (SOC). Oltre a garantire prestazioni ottimali, ciò migliora anche la durata e l'affidabilità della batteria.
• Bilanciamento passivo:
Il bilanciamento passivo prevede la dispersione dell'energia in eccesso dalle celle con SOC più elevato sotto forma di calore alle celle con carica inferiore e SOC più elevato.
• Bilanciamento attivo:
A differenza del bilanciamento passivo, il bilanciamento attivo ridistribuisce la carica tra le celle invece di lasciarla andare. Convertitori DC-DC, induttori e condensatori sono tutti utilizzati nel bilanciamento attivo. L'energia viene trasferita dalle celle con SOC più alto alle celle con SOC più basso durante il bilanciamento attivo.
Tipi di sistemi di gestione della batteria
1.BMS centralizzato Architettura
C'è un solo BMS centrale nel gruppo batteria e tutti i pacchi batteria sono collegati direttamente a quello centrale.
Vantaggi:
Compatto ed economico.
Svantaggi:
Poiché le batterie sono tutte collegate al BMS, lo sono un gran numero di connessioni alle porte richiesto, quindi ci sono molti cavi del cablaggio, il che risulta scomodo per la manutenzione successiva.
2.Topologia BMS modulare
Simile a un BMS centralizzato, un BMS modulare è diviso in più moduli ripetitivi, ciascuno con il proprio fascio di cavi per il collegamento ai pacchi batteria adiacenti. Questi sottomoduli BMS possono essere monitorati da un modulo BMS master, che è responsabile del monitoraggio dello stato dei sottomoduli e della comunicazione con i dispositivi periferici.
Vantaggi:
La modularità è più favorevole alla risoluzione dei problemi e alla manutenzione ed è anche conveniente espandere il pacco batteria.
Svantaggi:
Costo totale più elevato e potrebbero esserci funzioni duplicate inutilizzate a causa delle diverse applicazioni.
3.BMS master/slave
Analogamente alla topologia modulare, i dispositivi slave si limitano a trasmettere le informazioni di misurazione, mentre il dispositivo master è responsabile del calcolo, del controllo e delle comunicazioni esterne. Sebbene simili al tipo modulare, i dispositivi slave tendono ad avere funzionalità più semplici, potenzialmente meno spese generali e meno funzionalità inutilizzate.
4.Architettura BMS distribuita
In un BMS distribuito, tutto l'hardware elettronico è integrato su una scheda di controllo sulla batteria o sul modulo posizionato. Semplifica la maggior parte del cablaggio su alcune linee di sensori e linee di comunicazione tra moduli BMS adiacenti.
Vantaggi:
Ciascun BMS è indipendente e può gestire calcoli e comunicazioni in modo autonomo.
Svantaggi:
Questa forma di integrazione è situata in profondità all'interno del gruppo del modulo schermato, pertanto la risoluzione dei problemi e la manutenzione possono risultare difficili. I costi tendono inoltre ad essere più elevati a causa della presenza di più BMS nella struttura complessiva del pacco batterie.
Applicazione di BSLBATT nei sistemi BMS agli ioni di litio.
La nuova tecnologia della piattaforma cloud può visualizzare le informazioni di base tramite BMS
Informazioni di base
Include le informazioni sul progetto del veicolo, informazioni sul software e sull'hardware BMS, statistiche operative, ecc.
Stato in tempo reale
È possibile sfogliare le informazioni sul funzionamento in tempo reale del veicolo, inclusa la tensione delle celle della batteria, la temperatura, ecc., anche se il veicolo è in funzione.
Informazioni sulla posizione
È possibile sfogliare le informazioni sulla posizione del veicolo in tempo reale e supportare la visualizzazione della traiettoria di movimento del veicolo in base all'ora
Configurazione BMS
Visualizza i valori di calibrazione correnti di vari parametri BMS, che favoriscono il tracciamento dello stato BMS e l'analisi dei guasti
Storia dell'operazione
Registra ogni traiettoria di carica e scarica del veicolo
Storia dei guasti
Registra i dati di ogni guasto del veicolo, supporta l'ordinamento per ora, tipo/livello di guasto, ecc.
Cronologia degli aggiornamenti
Che si tratti di un aggiornamento 0TA aereo o di un aggiornamento CAN in loco, ogni aggiornamento del software BMS verrà registrato e supporterà query online, realizzando la tracciabilità dell'intero ciclo di vita del software
Cambio attrezzatura
Per il sistema BMS a struttura distribuita, ogni sostituzione di slave verrà rilevata e registrata in tempo reale
Esportazione dei dati
Il terminale BMS invia periodicamente i dati operativi alla piattaforma cloud durante il funzionamento
