Pil enerji depolama sistemleri, giderek daha zorlu pazar koşullarına yerleştirilir ve çok çeşitli uygulamalar sağlar.Uzun ömürleri sağlayan bir pil yönetim sistemi (BMS) nasıl inşa edileceği tartışmaya değer bir soru olacaktır., çok yönlülüğü ve kullanılabilirliği.
Her modern bataryaya, elektronik ve yazılımların bir kombinasyonu olan ve bataryanın beyni olarak çalışan bir batarya yönetim sistemine (BMS) ihtiyaç vardır.Bu makale, sabit enerji depolama sistemleri için BMS teknolojisine odaklanmaktadırBMS'nin en temel işlevleri, pil hücrelerinin dengelenmiş ve güvenli kalmasını sağlamak ve mevcut enerji gibi önemli bilgiler,Kullanıcıya veya bağlı sistemlere aktarılır.
Denge gerekir çünkü pil sistemleri yüzlerce, bazen de binlerce bireysel hücreden oluşur ve bunların hepsi biraz farklı kapasite ve dirençlere sahiptir.Bu farklılıklar zamanla artar ve hücreler farklı hızlarda parçalanır.Eğer hücreler en azından ara sıra dengelenmezse, voltajları çok geçmeden batarya kapasitesinin kullanılamaz hale gelmesi için birbirinden uzaklaşır.
Güvenlik, hücrelerin özellikle lityum iyonlu piller için önemli olan gerilim, akım ve sıcaklık güvenli çalışma sınırları içinde tutulması ile sağlanır.çok düşük sıcaklıklarda şarj, veya aşırı akımlara veya sıcaklıklara maruz kalırlarsa, yangınlara veya patlamalara yol açabilecek hatalar geliştirebilirler.
Mevcut enerji ve güç gibi bilgiler doğrudan ölçülemez, bu da BMS'nin hesaplaması gerektiği anlamına gelir. Bu hesaplamalar durum tahmini olarak adlandırılır ve sonuçlar kullanıcı arayüzleri de dahil olmak üzere üst düzey sistemlere aktarılır.
BMS tasarım düşüncelerine daha ayrıntılı bir şekilde bakmadan önce, tasarım seçimlerini bilgilendiren farklı BMS türlerini ve endüstri gereksinimlerini tanımlamaya değer.Denge yaklaşımı tipik olarak BMS türlerini sınıflandırmak için kullanılır., diğer tasarım yönleri önemli rol oynarsa da, örneğin devlet tahmini ve bilgi akışlarına farklı yaklaşımlar.
Temel Paket Yapımı
Lityum iyon hücreleri gibi hücreler veya elektrokimyasal hücreler, bir paket içindeki en küçük enerji depolama birimidir.Lityum iyonlu bir hücrenin asgari voltajı 2.5V (LFP hücreleri için) ve maksimum voltaj NMC kimyasalları için 4.3V kadar yüksek olabilir.
Hücreler, paketten çekilebilecek maksimum akımı artırmak için paralel olarak bağlanır.
Genel olarak, bir süper hücre içindeki hücreler kendi kendini dengeler ve daha fazla yönetmeye gerek yoktur.İstisnalar, lityum kükürt gibi yeni kimyasalları ve lityum demir fosfat gibi aşırı C oranı koşullarında çalışan düz şarj durumuna karşı voltaj eğrileriyle kimyasalları içerebilir..
Süper hücreler bir dize oluşturmak için seri olarak bağlanır. Bir pil paketi genellikle tek bir dize içerir. Süper hücreleri seri olarak bağlamak, paketin voltajını arttırır.Yüksek güç uygulamalarında, aksi takdirde son derece yüksek çalışma akımlarını önlemek için gerekli olan.
Bir batarya paketi yapılandırmasına hücreler eklendiğinde, enerji kapasitesi artar. Bu nedenle, bir süper hücreye paralel hücreler eklemek, paketin enerji kapasitesini artırır.Aynı şekilde seriye ek bir süper hücre bağlamak.
BMS türleri
Denge yaklaşımı
Pasif dengeleme, tamamen şarj edilmiş hücrelere giden enerjiyi dirençler aracılığıyla ısı olarak dağıtarak şarj sürecinin sonunda hücre voltajlarını senkronize eder.Bu yaklaşımın avantajı, elektronik parçaların düşük maliyetidir..
dezavantajları, tüm hücrelerin aynı akıma maruz kalması, bu da en zayıf seri bağlantılı hücrelerin tüm pilin enerjisini, gücünü, ömrünü ve güvenliğini sınırladığı anlamına gelir.Hücre bozulması hızlanır çünkü zayıf hücrelerin üzerindeki akım kapasitelerine göre daha yüksektir., ayrıca, şarj sürecinde enerji israfına yol açabilecek yerel sıcak noktalara yol açabilir.Pasif BMS sadece paket akımını izleyebilir ve bir arıza durumunda bir kesme düğmesi aracılığıyla kesilebilir.
İki yönlü bilgi akışı uygulanırsa, işletim ayarları gibi sistem düzeyinde parametreler, pil ömrüne veya performansına öncelik vermek için değiştirilebilir.Kullanılabilir enerji veya güç pahasına çalışma penceresini azaltarak yaşam süresi önceliklidir., Batarya ömrü pahasına, operasyon penceresini genişletmekle performans önceliği verilir.
Aktif dengeleme genellikle düşük akımlı bypass devreleri aracılığıyla uygulanır ve enerjiyi ısı olarak dağıtmak yerine henüz şarj edilmemiş hücrelere düşük şarj akımlarını yönlendirir.Bu yaklaşımın en büyük yararı, şarj verimliliğinin arttırılmasıdır.Bu, mevcut şarj enerjisinin mümkün olduğunca verimli bir şekilde kullanılması için önemli olabilir.Aktif dengeleme, elde ettikleri faydalar için ek eleman maliyetini haklı çıkarmaz.Pasif dengeleme gibi, hücre bozulması daha zayıf hücrelerde daha yüksek göreceli akımlarla hızlanır ve sıcak noktalar oluşabilir.
Devlet Tahmini
Şarj durumunun (SoC) ve sağlık durumunun (SoH) tahmin edilmesi, pil modellerinin ve tahmin algoritmalarının bir kombinasyonuna dayanır.Durum tahmini ve altta yatan batarya modelleri için mümkün olan sofistikelik ve doğruluk seviyesi, donanıma çok bağlıdır., burada farklı yaklaşımları ayırt etmek için kullandığımız.
Çoğu geleneksel BMS'de durum tahmini için entegre devreler (IC) kullanılır ve genellikle yakıt ölçer olarak adlandırılır.IC'ler kimyaya özgü batarya modelleri ve durum tahmin algoritmaları ile kablolanmışdır.. IC'lerin avantajı düşük maliyetli olmalarıdır. dezavantajları sınırlı sistem tasarımı esnekliği ve doğruluğunu içerir. Sonuncusu zamanla kötüleşme eğilimindedir.Tasarım esnekliği sınırlıdır çünkü IC'ler tipik olarak belirli özelliklere sahip belirli bir pil kimyası için oluşturulur..
Pil kimyası veya özellikleri değişirse, IC'nin de değiştirilmesi ve tasarımı uyarlanması gerekir. The reasons for the limited and deteriorating accuracy are (i) state estimation on ICs is based on generalised representations of the battery chemistry and doesn’t capture the nuanced thermodynamic and dynamic properties of cells, üreticiler, formatlar ve partiler arasında değişebilir,Aynı kimya için bile (ii) IC'lerde sınırlı bilgisayar gücü, durum tahmin algoritmalarının ve altta yatan pil modellerinin karmaşıklığını ve sadakatini kısıtlar, ve (iii) hücre özellikleri zamanla değişir, bu da sabit kablolu IC algoritmaları tarafından yakalanamaz, bu da zamanla artan yanlışlığa yol açar.
Mikroprosesörler daha karmaşık, daha yüksek sadakatli pil modelleri ve durum tahmin algoritmaları ile programlanabilir.Özel hücre özelliklerini ve özelliklerini dikkate alarak ince ayarlanabilirDeğişen hücre özellikleri, durum tahmin algoritmaları ve batarya modellerinin parametrelerini güncelleyerek uyumlu hale getirilebilir, bu da çıktıları zamanla daha doğru tutar.Aynı donanım her türlü pil kimyası veya üreticisi için kullanılabilir, son tasarım esnekliğini sağlar. dezavantaj, gerekli işlevsellik ve hesaplama gücüne bağlı olarak daha yüksek bileşen maliyeti olabilir.
Bilgi akışı
Tek yönlü bilgi akışı, çoğu batarya sisteminde yaygındır: BMS'den daha üst düzey sistemlere ve kullanıcı arayüzlerine bilgi akışı.Daha az düşük düzeyde bilgi mevcut olma eğilimindedir.En önemli bilgi güvenlik ve performans ile ilgili ve SoC ve SoH gibi ölçümleri içerir.
BMS, işletim ayarlarındaki değişiklikler (örneğin maksimum ve minimum izin verilen hücre voltajı veya SoC) gibi girişleri işleyebilirse, iki yönlü bilgi akışı mümkündür.Ya da akü modellerinin veya durum tahmin algoritmalarının doğruluğunu korumak için güncellemeleri bile, eğer mikro denetleyici kullanılıyorsa.
