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        電池管理系統(BMS)
        2018-12-10 15:58:36 瀏覽次數:1541

              BMS對于不同的人意味著不同的東西。它僅僅是一些電池監控系統,在充放電過程中檢查電壓、電流、電池以及內部環境中溫度大小等參數一個關鍵操作。 BMS的監測電路通常會向保護裝置提供輸入,如果任何參數超出設定的極限,保護裝置就會產生警報或將電池從負載或充電器上斷開。

              電力或設備工程師負責的備用電源電池是防御的最后一關,斷電或電信網絡故障的BMS,這里意味著電池管理系統。這樣的系統不僅包含電池的監測和保護,還包括在需要時隨時準備提供全功率的方法和延長電池壽命的方法。這包括從控制收費到維修的一切事務。

        汽車工程師的電池管理系統的一個組成部分,電池管理系統是一個復雜得多的速效能源管理系統的組成部分,必須與其他車載系統(如整車控制器、電機控制器、通信和安全系統等)進行接口連接。

        因此有許多品種的BMS。

         

        設計一個電池管理系統

              為了控制電池性能和安全需要理解需要控制什么,為什么需要控制。這需要一個深入了解的基本單體化學,性能特征和電池失效模型特別是鋰電池故障 。電池不能僅僅被視為一個黑盒子。

        電池管理系統的模塊

        有三個主要目標共同所有的電池管理系統

        • 保護單體或電池免受損害
        • 延長電池的壽命
        • 維護的電池狀態可以實現應用程序的功能性需求指定它。

         為了實現這些目標,BMS可以包含以下功能中的一個或多個。

              單體保護保護電池的離開超過限度的操作條件是所有BMS設計程序的基礎。  在實踐中,BMS必須提供完整的,并幾乎可以覆蓋任何可能性的電池單體保護。  對于高電壓和高功率的汽車電池來說,尤其如此,它們必須在惡劣的環境中工作,同時也會面臨用戶的胡亂使用。

             費用控制這是BMS的一個基本特征。電池充電不當造成的損壞比其他任何原因造成的損失都多

             需求管理不是與電池本身的操作直接相關的,而是指使用電池的應用程序。它的目標是通過在應用電路中設計節電技術,從而延長電池充電的時間,從而最大限度地減少電池的電流消耗。

             SOC的測定許多應用程序需要了解電池的電荷狀態(SOC)或電池鏈中的單個電池的狀態。這可能只是為了向用戶提供電池容量的指示,或者在控制電路中需要它來確保充電過程的最佳控制。

             SOH的測定健康狀況(SOH)是衡量電池能否提供其指定產出的能力。 這對評估應急電力設備的準備情況至關重要,并且是維護行動是否需要的指標。

            電池均衡在多單體電池連接而成的電池組中,由于生產工藝或操作條件之間的差異造成的,且往往與每個充電/放電循環而變大。在充電過程中,較弱的電池會因為過放時,會導致該電池變得更弱,直到電池最終失效。電池均衡是通過均衡單體電池的電壓讓每個單體電池電壓一致的一種方法,從而延遲電池的使用壽命。

            歷史記錄(日志函數)監控和存儲電池的歷史是BMS的另一個可能的功能。這是必要的,以估計電池的健康狀況,但也要確定是否受到濫用。諸如循環次數、最大和最小電壓、溫度和最大充放電電流等參數可以記錄下來進行后續評估。這也是對是否在保修期內需要索賠的重要記錄。

           身份驗證和識別BMS還允許記錄電池的信息,例如制造商的型號名稱和電池的類型,這有助于自動測試和批次或序列號和制造日期,以便在電池故障時啟用可追溯性。

           通信大多數BMS系統包含某種形式的電池和充電器或測試設備之間的通信。有些鏈接到其他系統與電池監測其條件或歷史。通信接口也需要允許用戶訪問修改BMS的電池控制參數或診斷和測試。

         下面的例子說明BMS的三個不同的應用程序。

         智能電池

        的生活可充電鎳鎘和鎳氫電池,如用于電動工具可以擴展的智能充電系統的使用,來促進了通信之間的電池和充電器。電池提供的信息規范,其現狀和其使用的歷史使用的充電器來確定最佳配置文件或收費,由應用程序的使用,控制其用法。

        充電器/電池組合的主要目標是允許更廣泛的保護電路防止過度充電,或者損壞,電池,從而延長其壽命。負責控制可以在電池中或充電器中。應用程序/電池組合的目的是防止過載并保護電池。類似于充電器組合,放電控制可以在充電器中或電池中。

        雖然已經開發了一些包含智能的特殊電池,但智能化很可能在電池組中實現。

        系統的工作原理如下:

         智能電池,或智能電池,提供從傳感器輸出電壓的實際狀態,電流和溫度在電池以及充電的狀態。它還可以提供報警功能指示允許的操作條件。

         智能電池還包含一個程序的內存芯片制造商與電池的信息規范如:-

        • 制造業數據(名稱、日期、編號等)
        • 電池類型
        • 電池容量
        • 機械大綱代碼
        • 上下電壓限制
        • 最大電流限制
        • 溫度限制

         一旦放入電池中使用,內存也可以記錄:-

        • 電池充電放電次數
        • 運行時間
        • 內部電池的阻抗
        • 它所經受的溫度曲線
        • 任何強制冷卻回路的操作
        • 任何超出限制的情況

        該系統還需要可以在電池或充電器中的設備,或者兩者都可以根據一組規則中斷充電或修改充電方式。類似地,電池放電可以由應用中的電池或需求管理電路來控制。

        智能電池還需要一個智能充電器,它可以說話或用一種語言進行通話。

        充電器已經這幾個方面進行了編程,如對響應電池輸入,優化充電過程,充電中以最大速度在預定的溫度內充電,當溫度過高時,采用放慢充電或停止充電,或接通冷卻風扇,不超過極限工作溫度,從而避免電池永久性損傷。如果電池內部阻抗變大,這表明對電池的修復是必要的,充電器也可以通過對電池進行多次深度充電,放電循環程序來改造電池。由于電池包含有關其規格的信息,可由充電器讀取,因此只要符合約定的消息協議,就可以構建通用充電器,該充電器可以自動將充電配置文件調整到一系列電池化學和容量。

        它構成了主要用于低功率應用的智能電池系統的一部分。 符合SBS標準的電池稱為智能電池。 然而,智能電池不限于SMS方案,并且許多制造商已經實現了它們自己的專有方案,這可能更簡單或更復雜,這取決于應用的要求。

         使用這種技術,電池壽命提高了50%。

        自動控制系統

        這是一個自動控制系統的例子,其中電池向充電器提供關于其實際狀況的信息,其將實際條件與期望條件進行比較,并產生用于啟動控制動作以使實際條件與期望條件一致的誤差信號。 控制信號構成反饋回路的一部分,其提供自動補償以將電池保持在其期望的操作參數內。 它不需要任何用戶干預。 一些形式的自動控制系統是所有BMS的重要組成部分。

        電池監控

        除了與充電器通話,智能電池還可以與用戶或其他系統進行通話,電池可能是其中的一部分。它提供的信號可以用來打開警告燈,或者告訴用戶電池的狀況以及電池的電量。

        監控電池狀況是所有電池管理系統的重要組成部分。 在以下兩個示例中的第一個中,控制措施是手動的, - 電站維護工程師解決了任何缺陷。 在第二個例子中,電池是自動控制系統的一部分,它由幾個互連的反饋回路組成,控制電池本身以及作為整個車輛能源管理系統的一部分。

         電廠BMS

        備用和應急電源設備的電池管理要求有很大差異。電池長時間可能無法充電,不時會涓流充電,或者在電信設備中,電池可能會保持浮充電,以使其始終充滿電。由于其性質,這些設備必須隨時可用。管理這種設備的重要責任是了解電池的狀態,以及是否可以依賴于在中斷期間支持其負載。為此,了解電池的SOH和SOC至關重要。在鉛酸電池的情況下,可以通過使用比重計測量細胞中電解質的比重來確定各個單體的SOC。傳統上,確定SOH的唯一方法是通過放電測試,即通過完全放電和測量其輸出。這樣的測試是非常不方便的。對于大型安裝,可能需要8個小時才能卸下電池,另外需要三天才能充電。在此期間,除非提供備用電池,否則安裝將不會有緊急電源。

        已經發現,電池的阻抗與SOC具有反相關性,并且作為阻抗的倒數的電導與電池的SOH具有直接的相關性。 這兩個測試都可以在不釋放電池的情況下進行,但監控設備仍然可以保持原位,從而提供永久的在線測量。這允許工廠工程師對電池狀況進行最新的評估,以便能夠檢測到電池性能的任何惡化,并且可以規劃適當的維護動作。( 備注:因此有些電池廠將電池電量放到最低后測電池阻抗大小或者通過看充滿后的容量大小,將數值一致的單體電池配成一組進行并聯,對電池廠配組的朋友有幫助)

         汽車BMS

        汽車電池管理比前兩個例子要求要高得多。它必須與許多其他車載系統接口,它必須在快速變化的充放電條件下實時工作。

        隨著車輛的加速和制動,它必須在惡劣和不受控制的環境中工作。 該示例描述了一個復雜的系統,作為可能的示例,然而并不是所有的應用程序將需要這里顯示的所有功能。

        BMS的功能適合混合動力電動汽車的如下:

         監控單個細胞的條件構成了電池

        • 監控構成電池的各個單體電池的狀況
        • 保持所有單體電池都在其操作限制內
        • 在不受控制的條件、通訊或濫用的情況下提供“故障安全”機制
        • 隔離電池在緊急的情況下
        • 補償任何失衡的單體電池
        • 設置電池的工作點,允許再生制動充電被未過充的電池吸收
        • 提供信息上的電荷狀態(SOC)的電池。這個函數通常被稱為“燃油量表”或“油表 
        • 提供信息的健康狀況(SOH)的電池。這個條件的測量提供了一個指示使用電池相對于一個新的電池。
        • 為司機提供信息顯示和警報
        • 預測范圍可能與電池的剩余電荷(EVs需要這個)
        • 接受和執行控制指令相關的車輛系統
        • 提供充電電池的最佳充電算法
        • 前提供pre-charging允許負載阻抗測試開關和兩階段充電限制涌入電流
        • 提供存取單個電池的方法
        • 應對車輛工況的變化
        • 記錄電池使用和濫用。 (頻率、強度和持續時間的寬容條件)稱為日志功能
        • 在單體電池故障的情況下緊急“Limp Home Mode”。

         

        在實際系統的BMS不僅僅可以將車輛功能管理電池。它可以確定車輛所需的操作模式,無論是加速、制動、空轉或停止,并實施相關的電力管理行為。

         單體保護

        電池管理系統的主要功能之一是提供必要的監視和控制,以保護單體電池不受外界環境或操作環境的影響。由于惡劣的工作環境,這在汽車應用中尤其重要。除了個別電池保護,汽車系統必須設計,以應對外部故障情況下,隔離電池,以及解決故障的原因。例如,冷卻風扇可以打開如果電池過熱。如果過熱過度,則電池可能斷開。

         電池電荷狀態(SOC)

        確定電池的充電狀態(SOC)是BMS的第二大功能。 不僅需要SOC來提供燃油表指示。 BMS監測和計算電池中每個單個電池的SOC,以檢查所有電池中的均勻電荷,以便驗證各個電池不會過壓。

        SOC指示也用于確定充電和放電周期的結束。 過充電和過放電是電池故障的主要原因之一,BMS必須將電池保持在所需的DOD運行極限內。

        混合動力車輛電池需要高功率充電能力用于再生制動和高功率放電能力,用于發射輔助或升壓。 因此,它們的電池必須保持在能夠釋放所需功率的SOC,但是仍然具有足夠的凈空以接受所需的再生能量,而不會使電池過度充電。 為了完全充電HEV電池進行電池平衡(見下文)將會降低再生制動的充電接受能力,從而降低制動效率。 設定下限以優化燃油經濟性,并且還可以防止可能縮短電池壽命的過度放電。 因此,HEV需要精確的SOC信息來保持電池工作在所需的安全限度內。
         

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