Ứng dụng công nghiệp
Loại sản phẩm
Tại sao hệ thống quản lý pin lithium lại quan trọng đến vậy
Với sự đổi mới ngày càng tăng của khoa học và công nghệ, pin lithium nổi bật. Từ thiết bị di động, thiết bị cấp nguồn cho đến thiết bị lưu trữ năng lượng, người ta đã bỏ qua hệ thống quản lý pin cốt lõi của pin lithium. BMS có thể đảm bảo hiệu suất, độ an toàn và tuổi thọ của pin. Một BMS chất lượng cao không chỉ có thể cải thiện hiệu quả mà còn tránh được những rủi ro tiềm ẩn. Đây chính là giá trị không thể thay thế của BMS.
Tiếp theo, hãy cùng tôi khám phá pin lithium-ion và hiểu vai trò của hệ thống quản lý pin. Tôi sẽ bật mí cho bạn những bí mật của BMS từ các thành phần của BMS, kiến trúc của BMS và các hàm phái sinh nâng cao của BMS. Đồng thời, tôi sẽ thảo luận về cách chọn hệ thống quản lý pin phù hợp theo nhu cầu của người dùng và đưa ra hướng dẫn chính thức để bạn tiết kiệm tiền. Tôi không thể đợi được.
Pin Lithium-ion là gì
Pin lithium-ion không thể tách rời khỏi cuộc sống của chúng ta. Là loại pin sạc hot nhất hiện nay, từ điện thoại di động, máy tính xách tay, xe điện đến bộ sạc di động và bộ lưu trữ năng lượng mặt trời, phần này sẽ tìm hiểu những ưu điểm và đặc điểm của pin lithium để hiểu đầy đủ về công nghệ then chốt này.
Các tính năng và ưu điểm chính
1. Mật độ năng lượng: So với các thành phần pin khác, pin lithium-ion có mật độ pin cao hơn, điều đó có nghĩa là có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong không gian lưu trữ nhỏ hơn.
2. Tuổi thọ: Pin lithium-ion có tuổi thọ dài hơn, gấp 10 lần so với pin axit chì. Pin lithium BSL vẫn có thể duy trì 80% dung lượng còn lại sau 3.500 chu kỳ sạc và xả và có giá trị lâu dài hơn.
3. Không cần bảo trì: Không cần thêm nước hoặc axit và không cần bảo trì thường xuyên, giúp giảm tổng chi phí sở hữu so với pin axit chì.
4. Sạc và xả nhanh: Pin lithium hỗ trợ sạc nhanh, sạc nhanh gấp 5 lần so với pin axit chì, thời gian ngừng hoạt động ít hơn và mức xả cao rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu năng lượng nổ. Ví dụ: xe tham quan 72V hoặc xe golf.
5. Trọng lượng nhẹ hơn: Pin lithium chỉ nặng bằng ¼ pin axit chì nhưng có nhiều năng lượng hơn và linh hoạt hơn.
6. Nhiệt độ: Pin lithium cũng có thể hoạt động bình thường trong môi trường thời tiết khắc nghiệt. Pin BSL có thể hoạt động bình thường ở nhiệt độ từ -30oC (-22℉) đến 55oC (131℉) mà không làm giảm hiệu suất. Nhiệt độ mạnh hơn sự linh hoạt tự nhiên.
7. Độ sâu xả: Pin lithium có độ sâu xả sâu hơn, với tỷ lệ xả tốt cho sức khỏe là 90%, trong khi pin axit chì chỉ có 40-50%.
8. Lợi ích về môi trường: Pin lithium-ion không gây ô nhiễm và ngày càng có nhiều công ty bắt đầu từ bỏ pin axit chì và chuyển sang sử dụng pin lithium, đóng góp nổi bật vào việc phát thải carbon xanh xanh bền vững toàn cầu.
Ứng dụng pin lithium
1. Xe điện: xe điện, xe nâng, xe golf , RV.
2. Thiết bị điện tử cầm tay: điện thoại di động, máy tính xách tay, máy bay không người lái, v.v.
3. Trang thiết bị y tế: máy tạo nhịp tim và các thiết bị y tế khác.
4. Lưu trữ năng lượng tái tạo: pin mặt trời. Hệ thống quang điện.
5. Nguồn điện dự phòng khẩn cấp: Hệ thống điện khẩn cấp UPS
6. Từ xa hệ thống toring: Pin lithium-ion có tỷ lệ tự phóng điện thấp và tuổi thọ dài, khiến chúng phù hợp hơn với các hệ thống giám sát và báo động ở khu vực xa.
7. Thiết bị hỗ trợ di chuyển: xe đạp điện và xe lăn điện.
Vai trò của hệ thống quản lý pin (BMS)
Là bộ não của bộ pin, BMS là sự đảm bảo chắc chắn cho sự an toàn, hiệu suất và tuổi thọ của pin lithium. Nó đảm bảo rằng pin hoạt động trong phạm vi nhiệt độ, dòng điện và điện áp tối ưu, giám sát và bảo vệ tính toàn vẹn của pin trong thời gian thực và cung cấp sự đảm bảo đáng tin cậy cho sự an toàn của người dùng.
Chức năng cốt lõi
1. Giám sát
BMS liên tục theo dõi trạng thái của từng pin suốt cả ngày: điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Việc thu thập dữ liệu theo thời gian thực này rất cần thiết để chủ động quản lý bộ pin vì nó cho phép thực hiện các điều chỉnh bất kỳ lúc nào để có hiệu suất tối ưu.
2. Bảo vệ
Hệ thống quản lý pin đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ pin khỏi bị hư hỏng và hỏng hóc. Quản lý các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt và phát hiện các kết nối và đoản mạch.
Cung cấp sáu biện pháp bảo vệ chính:
• Bảo vệ sạc
• Bảo vệ xả
• Bảo vệ quá nhiệt
• Bảo vệ ngắn mạch
• Bảo vệ quá dòng
• Bảo vệ cân bằng
Nhờ những biện pháp bảo vệ này, BMS có thể cải thiện độ an toàn của pin và độ tin cậy tổng thể của thiết bị cung cấp điện.
3. Phát hiện trạng thái
Hệ thống quản lý pin có thể phát hiện trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH) của pin
Ví dụ: SOC có thể xem lượng pin còn lại và ước tính quãng đường còn lại hoặc thời gian cấp nguồn. SOH có thể phát hiện tình trạng sức khỏe của pin và phát hiện các sự cố tiềm ẩn về pin càng sớm càng tốt, giúp thực hiện phòng ngừa và bảo trì trước khi xảy ra bất kỳ lỗi nào.
4. Quản lý nhiệt
BMS đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện tình trạng nhiệt của bộ pin. Bằng cách giám sát thời gian thực và thực hiện các chiến lược làm mát, BMS có thể tránh được nguy cơ quá nhiệt một cách hiệu quả. Quá nóng có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ pin và trong trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt. BMS có thể được sử dụng để hạ nhiệt hoặc tự động dập tắt đám cháy nhằm ngăn chặn sự thoát nhiệt.
Sự thoát nhiệt là một phản ứng thảm khốc trong đó nhiệt độ của pin tiếp tục tăng và không thể kiểm soát được. Nguyên nhân thường là do chập mạch pin. Khi xảy ra đoản mạch, dòng điện chạy không hạn chế và sinh ra nhiệt.
Nhiệt làm hỏng pin bên trong, khiến dòng điện tăng lên và tiếp tục sinh nhiệt. Vòng phản hồi này có thể làm hỏng pin nghiêm trọng, thậm chí gây cháy hoặc nổ.
BMS có thể bảo vệ pin một cách toàn diện bằng cách theo dõi nhiệt độ của pin và thực hiện hành động dựa trên hệ thống chữa cháy tích hợp để ngăn chặn khả năng thoát nhiệt.
5. Tối ưu hóa hiệu suất
BMS đảm bảo sự cân bằng của các tế bào trong bộ pin thông qua quản lý điện và nhiệt. Khi đạt được sự cân bằng này, dung lượng và hiệu suất của pin sẽ được phát huy tối đa.
6. Báo cáo:
BMS cung cấp thông tin quan trọng về hoạt động của pin cho các thiết bị bên ngoài. Nhờ những thông tin kịp thời này mà ắc quy có thể được sử dụng và bảo trì một cách hiệu quả.
Các thành phần chính của BMS
1. Yếu tố cảm biến
• Cảm biến điện áp
Điện áp thiết bị giám sát là một phần không thể thiếu trong việc giám sát điện áp của từng cell pin. Sự an toàn và hiệu quả của pin phụ thuộc vào việc duy trì mức điện áp phù hợp. Thiết bị đo điện áp đo sự chênh lệch điện áp của từng cell pin. Hệ thống quản lý pin (BMS) thực hiện các quy trình cân bằng pin bằng cách giám sát chặt chẽ điện áp của pin, đảm bảo rằng tất cả các tế bào trong pin đều được sạc và xả đều. Ngoài ra, nó còn tính toán trạng thái sạc (SOC) và bảo vệ pin khỏi bị sạc quá mức hoặc xả quá sâu, có thể làm hỏng pin.
• Cảm biến hiện tại
Giám sát hiện tại là quan trọng vì nhiều lý do. Đầu tiên, nó tính toán SOC bằng cách tích phân dòng điện theo thời gian, một kỹ thuật gọi là đếm Coulomb. Ngoài ra, nó còn giúp xác định các tình trạng bất thường như quá dòng hoặc đoản mạch để có thể thực hiện các biện pháp bảo vệ. Các cảm biến dòng điện hiện có bao gồm cảm biến hiệu ứng Hall, điện trở shunt và máy biến dòng. Trong cài đặt BMS, cảm biến hiệu ứng Hall được sử dụng rộng rãi vì chúng có tính linh hoạt để đo cả dòng điện AC và DC, đồng thời cung cấp khả năng cách ly điện giữa cảm biến và dây dẫn mang dòng điện.
• Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt được sử dụng để theo dõi tình trạng nhiệt độ của pin. Pin tạo ra nhiệt khi hoạt động và môi trường nhiệt có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin. Ngoài ra, quá nhiệt có thể dẫn đến tình trạng nguy hiểm gọi là thoát nhiệt, có thể gây hỏng pin hoặc thậm chí cháy. Những vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách đặt các cảm biến nhiệt độ một cách chiến lược, bao gồm cặp nhiệt điện và điện trở nhiệt, bên trong bộ pin. Về cơ bản, chúng đo nhiệt độ của từng tế bào và nhiệt độ môi trường xung quanh bộ pin. Bằng cách thu thập dữ liệu từ các cảm biến này, hệ thống quản lý pin (BMS) có thể đưa ra quyết định thông minh. Những quyết định này có thể liên quan đến việc kích hoạt hệ thống làm mát hoặc điều chỉnh tốc độ sạc và xả để duy trì điều kiện nhiệt an toàn.
2. Bộ điều khiển pin
Pin là thành phần chính của khung BMS. Điều phối nhiều hoạt động của pin như một đơn vị xử lý trung tâm và trung tâm ra quyết định. Dựa trên các thuật toán điều khiển được xác định trước, thành phần này xử lý dữ liệu được thu thập từ nhiều cảm biến khác nhau và thực hiện các hành động để đảm bảo pin duy trì hiệu suất và độ an toàn tối ưu. Bộ vi điều khiển hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) thường được sử dụng trong bộ điều khiển pin cùng với bộ giám sát và bộ bảo vệ pin.
• Bộ theo dõi và bảo vệ pin
Màn hình pin liên tục theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin. Sử dụng thông tin này, bạn có thể xác định trạng thái sạc, trạng thái hoạt động và tình trạng tổng thể của pin. Khi bộ giám sát pin phát hiện sự bất thường, bộ bảo vệ pin sẽ phản hồi. Để tránh hư hỏng, bộ bảo vệ sẽ ngăn pin sạc quá mức hoặc xả quá mức bằng cách thực hiện các biện pháp thích hợp, chẳng hạn như ngắt kết nối pin hoặc thay đổi tốc độ sạc/xả.
• Thuật toán điều khiển
Thuật toán là một tập hợp các quy tắc và mô hình toán học hỗ trợ hệ thống quản lý pin (BMS) đưa ra quyết định thông minh. Thành phần hóa học của pin, mục đích sử dụng và các đặc tính hiệu suất mong muốn đều phải được tính đến khi thiết kế các thuật toán này. Chúng có thể rất phức tạp và được thiết kế cẩn thận để tính đến tất cả các yếu tố. Ví dụ: thuật toán điều khiển có thể xác định cách điều chỉnh dòng sạc một cách linh hoạt khi pin gần sạc đầy để tránh sạc quá mức. Để xác định trạng thái sạc (SOC), một thuật toán khác có thể sử dụng dữ liệu từ các cảm biến điện áp và dòng điện. Để pin hoạt động hiệu quả và an toàn, các thuật toán này phải có hiệu quả.
• Vi điều khiển hoặc Bộ xử lý tín hiệu số (DSP)
Bộ vi điều khiển hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) là trái tim của bộ điều khiển pin. Thuật toán điều khiển được thực thi bởi thành phần này. Tính linh hoạt và dễ tích hợp của bộ vi điều khiển khiến chúng trở thành bộ xử lý đa năng cực kỳ phổ biến. Ngoài việc thu thập dữ liệu, giao tiếp và thực hiện các thuật toán điều khiển, chúng còn có khả năng xử lý nhiều nhiệm vụ khác. Mặt khác, DSP là một bộ xử lý chuyên dụng có khả năng xử lý số vượt trội. DSP có thể được ưu tiên cho một số ứng dụng nhất định, đặc biệt là những ứng dụng yêu cầu xử lý dữ liệu tốc độ cao. Bộ vi điều khiển và DSP cuối cùng được lựa chọn dựa trên nhu cầu cụ thể của BMS và ứng dụng của nó.
3.Giao diện truyền thông
Giao diện truyền thông là thành phần chính của BMS, cho phép trao đổi thông tin với các thiết bị hoặc hệ thống khác. Giao diện truyền thông bao gồm ghi dữ liệu, báo cáo và giao thức truyền thông.
Giao thức truyền thông
Định dạng và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong BMS được kiểm soát bởi các giao thức truyền thông. Các giao thức này được yêu cầu để đảm bảo rằng các thiết bị có thể hiểu nhau và giao tiếp thành công. Các thực hành BMS điển hình bao gồm:
• Mạng khu vực điều khiển (CAN): Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô. Nó hỗ trợ giao tiếp thời gian thực và có độ tin cậy và độ bền tốt.
• Mạch tích hợp liên (I2C): Trong các hệ thống nhúng, I2C thường được sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi tốc độ thấp. Nó thường được sử dụng cho các thiết bị đơn lẻ giao tiếp trong khoảng cách ngắn.
• Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI): SPI phù hợp với các hệ thống nhúng và được sử dụng để liên lạc ở khoảng cách ngắn. Nó nhanh hơn giao thức I2C và do đó được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu tốc độ cao.
• Modbus: Nó thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp. Ưu điểm là nó có thể giao tiếp giữa nhiều thiết bị kết nối với cùng một mạng.
• RS-485: RS-485 là giao thức truyền thông nối tiếp bắt đầu xuất hiện từ giữa những năm 1980 và ban đầu được phát triển cho các ứng dụng công nghiệp. Được đồng xuất bản bởi Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông và Liên minh Công nghiệp Điện tử.
• Bluetooth: Công nghệ truyền thông không dây truyền dữ liệu đến các thiết bị cá nhân, chẳng hạn như điện thoại thông minh và thiết bị di động.
Ghi nhật ký và báo cáo dữ liệu
BMS ghi lại dữ liệu về điện áp, dòng điện, nhiệt độ và SOC trong một khoảng thời gian cụ thể. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích hiệu suất và khắc phục các rủi ro tiềm ẩn.
Bằng cách gửi dữ liệu này đến các hệ thống và thiết bị khác, quy trình báo cáo sẽ được đưa ra bên ngoài. Ví dụ: SOC có thể được hiển thị trên bảng điều khiển của xe điện thông qua BMS để người lái xe có thể xem mức công suất và quãng đường ước tính bất cứ lúc nào. Trong các ứng dụng công nghiệp, BMS có thể cung cấp dữ liệu cho hệ thống điều khiển tập trung để giám sát và điều khiển.
4. Mạch bảo vệ
Để đảm bảo sự an toàn và tin cậy của hệ thống ắc quy, mạch bảo vệ là một bộ phận quan trọng của BMS. Để ngăn ngừa các tình huống có hại hoặc nguy hiểm, nó liên tục theo dõi tình trạng pin và điều chỉnh hoặc can thiệp theo thời gian thực.
Có bốn tính năng an toàn chính trong BMS:
• Bảo vệ quá tải
• Bảo vệ quá tải
• Ngắn bảo vệ mạch
• Bảo vệ nhiệt
5. Mạch cân bằng
Mạch cân bằng là thành phần cơ bản của khung BMS. Trong bộ pin có nhiều ô, việc cân bằng ô là điều cần thiết để đảm bảo rằng tất cả các ô trong bộ pin đều có cùng trạng thái sạc (SOC). Bên cạnh việc đảm bảo hiệu suất tối ưu, điều này còn nâng cao độ bền và độ tin cậy của bộ pin.
• Cân bằng thụ động:
Cân bằng thụ động liên quan đến việc phân tán năng lượng dư thừa từ các tế bào có SOC cao hơn dưới dạng nhiệt sang các tế bào có điện tích thấp hơn ở SOC cao hơn.
• Cân bằng hoạt động:
Ngược lại với cân bằng thụ động, cân bằng chủ động phân phối lại điện tích giữa các tế bào thay vì để nó đi. Bộ chuyển đổi DC-DC, cuộn cảm và tụ điện đều được sử dụng trong cân bằng hoạt động. Năng lượng được truyền từ các tế bào có SOC cao hơn đến các tế bào có SOC thấp hơn trong quá trình cân bằng hoạt động.
Các loại hệ thống quản lý pin
1.BMS tập trung Ngành kiến trúc
Chỉ có một BMS trung tâm trong cụm pin và tất cả các bộ pin được kết nối trực tiếp với BMS trung tâm.
Thuận lợi:
Nhỏ gọn và giá rẻ.
Nhược điểm:
Bởi vì tất cả các pin đều được kết nối với BMS nên một số lượng lớn các kết nối cổng được bắt buộc, vì vậy có rất nhiều dây cáp, gây bất tiện cho việc bảo trì sau này.
2. Cấu trúc liên kết BMS mô-đun
Tương tự như BMS tập trung, BMS mô-đun được chia thành nhiều mô-đun lặp lại, mỗi mô-đun có bó dây riêng để kết nối với các bộ pin liền kề. Các mô-đun con BMS này có thể được giám sát bởi mô-đun BMS chính, chịu trách nhiệm giám sát trạng thái của các mô-đun con và liên lạc với các thiết bị ngoại vi.
Thuận lợi:
Tính mô-đun thuận lợi hơn cho việc khắc phục sự cố và bảo trì, đồng thời cũng thuận tiện cho việc mở rộng bộ pin.
Nhược điểm:
Tổng chi phí cao hơn và có thể có các chức năng trùng lặp không được sử dụng do các ứng dụng khác nhau.
3.BMS chính/phụ
Tương tự như cấu trúc liên kết mô-đun, các thiết bị phụ bị giới hạn ở việc chuyển tiếp thông tin đo lường, trong khi thiết bị chính chịu trách nhiệm tính toán, điều khiển và liên lạc bên ngoài. Mặc dù tương tự như loại mô-đun, các thiết bị phụ có xu hướng có chức năng đơn giản hơn, ít chi phí hơn và ít tính năng không được sử dụng hơn.
4. Kiến trúc BMS phân tán
Trong BMS phân tán, tất cả phần cứng điện tử được tích hợp trên bảng điều khiển trên pin hoặc mô-đun được đặt. Nó đơn giản hóa hầu hết việc nối dây tới một số đường dây cảm biến và đường dây liên lạc giữa các mô-đun BMS liền kề.
Thuận lợi:
Mỗi BMS độc lập và có thể tự xử lý các tính toán và liên lạc.
Nhược điểm:
Hình thức tích hợp này nằm sâu bên trong cụm mô-đun được bảo vệ nên việc khắc phục sự cố và bảo trì có thể gặp khó khăn. Chi phí cũng có xu hướng cao hơn do có nhiều BMS hơn trong cấu trúc bộ pin tổng thể.
Ứng dụng BSLBATT trong Hệ thống BMS Li-ion.
Công nghệ nền tảng đám mây mới có thể xem thông tin cơ bản qua BMS
Thông tin cơ bản
Bao gồm thông tin dự án của xe, thông tin phần cứng và phần mềm BMS, số liệu thống kê vận hành, v.v.
Trạng thái thời gian thực
Bạn có thể duyệt thông tin vận hành theo thời gian thực của xe, bao gồm điện áp pin, nhiệt độ, v.v., cho dù xe có đang chạy hay không.
Thông tin vị trí
Bạn có thể duyệt thông tin vị trí thời gian thực của xe, hỗ trợ xem quỹ đạo di chuyển của xe theo thời gian
Cấu hình BMS
Hiển thị các giá trị hiệu chuẩn hiện tại của các tham số BMS khác nhau, có lợi cho việc theo dõi trạng thái BMS và phân tích lỗi
Lịch sử hoạt động
Ghi lại từng quỹ đạo sạc và xả của xe
Lịch sử lỗi
Ghi lại từng dữ liệu lỗi của xe, hỗ trợ sắp xếp theo thời gian, loại/mức độ lỗi,…
Lịch sử nâng cấp
Cho dù đó là bản nâng cấp air 0TA hay nâng cấp CAN tại chỗ, mọi bản cập nhật của phần mềm BMS sẽ được ghi lại và hỗ trợ truy vấn trực tuyến, thực hiện truy xuất nguồn gốc phần mềm toàn bộ vòng đời
Thay đổi trang bị
Đối với hệ thống BMS cấu trúc phân tán, mỗi lần thay thế nô lệ sẽ được phát hiện và ghi lại theo thời gian thực
Xuất dữ liệu
Thiết bị đầu cuối BMS gửi dữ liệu vận hành lên nền tảng đám mây định kỳ trong quá trình vận hành
