Заявление: Содержание этой статьи в основном основано на резюме KRIS. Вы можете следить за общедоступным аккаунтом KRIS.Чтобы лучше понять системы управления батареями электромобилей, давайте начнем с силовой батареи. 1 Силовая батарея В настоящее время практически во всех электромобилях в качестве силовых батарей используются литий-ионные батареи. По выбору полярных материалов силовые батареи можно разделить на три типа: тройные никель-кобальт-марганцевые батареи NMC, тройные никель-кобальт-алюминиевые батареи. батарея NCA и фосфорная кислота. Сравнительная информация литий-железной батареи LFP следующая:
1.1Тройная никель-кобальт-марганцевая батарея NMC, называемая NCM, представляет собой аббревиатуру трех основных составляющих металлических элементов и имеет названия в соответствии с различным содержанием. соотношения. В зависимости от содержания никеля существуют разные цифры, самые известные из которых — NCM523 и NCM811.
Никель-марганцево-кобальтовые (NMC) аккумуляторы обладают хорошей долговечностью и зарядными характеристиками и в настоящее время являются наиболее распространенным материалом катода аккумуляторов в электромобилях. Основным преимуществом аккумуляторов NMC является высокая плотность энергии, которая может достигать около 250 Втч/кг, что означает, что в объеме каждой батареи можно разместить больше энергии, тем самым обеспечивая больший запас хода и экономию места. Кроме того, аккумуляторы NMC. Менее чувствителен к низким температурам, он может заряжаться быстрее в холодном климате. Добыча кобальта и никеля загрязняет окружающую среду и обходится дорого. Цена аккумуляторных блоков NMC выше, чем аккумуляторных блоков LFP.
Кроме того, срок службы NMC короток и, по оценкам, он может гарантировать только 1000–2000 полных циклов зарядки (от 0 до 100%). Но после 1000 циклов емкость может упасть примерно на 40%. Большинство автомобильных брендов рекомендуют ежедневный лимит зарядки аккумуляторных блоков NMC на уровне 80 % для поддержания хорошего состояния аккумулятора.
1.2 NCA
Тройная никель-кобальт-алюминиевая батарея, называемая NCA, также является аббревиатурой трех ее основных элементов. Соотношение трех элементов составляет 8:1,5:0,5. Его плотность энергии достигает максимального значения 350 Втч/кг, требуемого действующими национальными стандартами, эффект зарядки и разрядки также первоклассный, а длительный срок службы батареи выше, чем у NCM811.
Литий-ионные батареи с никель-кобальт-алюминием (NCA) по своей сути аналогичны батареям NMC. Однако NCA заменила марганец более дешевым алюминием и уменьшила количество кобальта в катоде. Алюминий, содержащийся в батареях NCA, является щелочным металлом, который может вызывать побочные реакции с выделением большого количества газа во время работы батареи. Это приведет к вздутию аккумулятора. Чем выше содержание никеля в батареях NCA, тем хуже термостабильность. По сравнению с аккумуляторами NMC, аккумуляторы NCA имеют более высокую плотность энергии. Он заменяет вредный для окружающей среды марганец на алюминий, что также увеличивает срок службы аккумулятора. Однако жизненный цикл аккумуляторной батареи NCA по-прежнему короче, а поскольку в ней используются кобальт и никель, цена также выше, чем у батареи LFP.
1.3
Литий-железо-фосфатная батарея LFP, называемая LFP. Батарея LFP характеризуется низкой плотностью энергии, всего 200 Втч/кг, и не является морозостойкой. При температуре наружного воздуха ниже минус 10–20°C плотность энергии литий-железо-фосфатных аккумуляторов пропорционально снижается, что приводит к сокращению срока службы аккумуляторов.
Кроме того, батареи LFP обладают такими характеристиками, как устойчивость к высоким температурам, стабильная внутренняя структура и надежная форма батареи. Даже если его максимальная температура достигнет 700-800°C, он не взорвется так легко, как тройная батарея. Литий-железо-фосфатный (LFP) становится более дешевым и более экологичным типом аккумуляторов и рассматривается как ключ к снижению ценового барьера для электромобилей начального уровня. В отличие от NMC и NCA, батареи LFP не содержат никель, кобальт и магний, что делает их производство более дешевым. Ключевым преимуществом LFP является его более длительный жизненный цикл. Аккумуляторные блоки LFP способны выдерживать более 3000 полных циклов зарядки, а аккумуляторные блоки NMC — только 1000–2000 циклов. Однако батареи LFP не только имеют меньшую плотность энергии (примерно на 70 % ниже, чем NMC), но также медленнее заряжаются в условиях низких температур и по-прежнему полагаются на литий, который является ограниченным ресурсом, а стоимость лития растет из-за высокой требовать. . 2 Система управления аккумулятором электромобиля
Независимо от типа силового аккумулятора, для управления состоянием аккумулятора требуется система управления аккумулятором (широко известная как BMS). Являясь чрезвычайно важным электронным компонентом электромобилей, BMS может контролировать и контролировать напряжение, температуру аккумуляторной батареи, а также состояние зарядки и разрядки. Это ключевые параметры для безопасной эксплуатации аккумуляторов электромобилей, тем самым обеспечивая производительность и безопасность электромобилей.
В ненормальных условиях литий-ионные аккумуляторы могут выйти из строя по различным причинам, таким как перезарядка/чрезмерная разрядка, перегрев, старение и износ, и даже стать причиной пожара. Для этого требуется система управления аккумулятором (BMS), чтобы гарантировать, что аккумулятор электромобиля всегда находится в наилучшем безопасном режиме.
Существует два типа систем управления батареями: централизованная BMS и распределенная BMS. 1) Централизованная архитектура BMS
включает центральную BMS в блоке аккумуляторных батарей, и все аккумуляторные блоки напрямую подключены к центральной BMS, как показано на рисунке ниже. Централизованные BMS более компактны и, как правило, наиболее экономичны, поскольку существует только одна BMS. Однако централизованная BMS имеет и недостатки. Поскольку все батареи подключаются непосредственно к BMS, BMS требует большого количества портов для подключения всех аккумуляторных блоков. Это означает, что большие аккумуляторные блоки требуют большого количества кабелей, разъемов и т. д., что усложняет поиск и устранение неисправностей и обслуживание.
Кроме того, входы можно легко перепутать и неправильно подключить, а соединения могут ослабнуть, что увеличивает вероятность сбоя. Еще одним недостатком является отсутствие масштабируемости и гибкости структуры системы. Кроме того, главный контроллер является ядром. Если главный контроллер выйдет из строя, работа всей системы окажется под угрозой. Это большой недостаток.
2) Модульная топология BMS
Модульная BMS характеризуется наличием нескольких одинаковых модулей, каждый модуль соединен друг с другом жгутами проводов, а модули подключены к одной батарее или аккумуляторному блоку с помощью кабелей, аналогично централизованной BMS. Модуль BMS обеспечивает сбор данных (напряжение одной ячейки, ток, температура) и интерфейсы связи с другими модулями BMS. Обычно один из модулей назначается мастер-модулем, либо мастер-модулем служит отдельный модуль. Главный модуль управления управляет всем аккумуляторным блоком и взаимодействует с другими частями системы, в то время как другие модули просто записывают данные измерений и передают их в главный модуль управления.
Устранение неполадок и техническое обслуживание упрощается благодаря повторяющейся модульной конструкции, а масштабируемость легко увеличивается до более крупных аккумуляторных блоков. Недостатком является то, что общая стоимость немного выше, и в зависимости от приложения могут быть случаи, когда интерфейс используется не полностью. По сравнению с централизованной BMS выход из строя одного модуля BMS не поставит под угрозу работу всей батареи. Дефектный аккумуляторный элемент или аккумуляторную батарею можно удалить из системы, что снизит ее емкость, но сохранит работоспособность.
3) BMS «главный/подчиненный»
концептуально аналогична топологии модуля, но в этом случае подчиненное устройство более ограничено пересылкой измерительной информации, в то время как главное устройство предназначено для вычислений, управления и внешней связи. Таким образом, несмотря на схожесть с типом модуля, стоимость ниже, поскольку функции ведомых устройств, как правило, проще.
Максимальное количество аккумуляторов в системе «главный-подчиненный» BMS устанавливается заранее . Во время разработки системы количество используемых батарей фиксируется. Если используются все входные разъемы, количество батарей невозможно увеличить. Аналогично, в некоторых случаях некоторые входные разъемы могут не использоваться, что приводит к пустой трате ресурсов.
4) Распределенная архитектура BMS
Распределенная BMS объединяет все электронное оборудование на плате управления, причем плата управления устанавливается непосредственно на контролируемую батарею или модуль. При этом остается лишь несколько линий датчиков и связи для проводки между соседними модулями BMS. Таким образом, каждая BMS более независима и может выполнять вычисления и обмениваться данными по мере необходимости.
Распределенная BMS может обеспечить как высокую надежность и надежность, так и экономически эффективный процесс разработки, что значительно снижает стоимость конечного аккумуляторного блока. По сравнению с централизованными и модульными топологиями преимуществами распределенной BMS являются масштабируемость и гибкость. Максимальное количество входов не указано, а элементы батареи можно добавлять или удалять даже после установки. Никаких изменений в аппаратном или программном обеспечении модуля не требуется. Кроме того, исключается единая точка отказа централизованного подхода. Локальное управление каждым аккумуляторным элементом также повышает безопасность. Еще одним преимуществом является высокая точность измерений. Кроме того, более короткие соединительные линии позволяют более точно измерять напряжение и повышают устойчивость к помехам. Модульная распределенная структура облегчает обслуживание или замену неисправных компонентов.
Недостатком является повышенная стоимость BMS, поскольку для каждого элемента батареи требуется отдельный модуль BMS, а в большинстве случаев — дополнительный основной модуль управления.
3 функции BMS
1) Мониторинг рабочего состояния батареи
BMS может получать в режиме реального времени данные об основных параметрах батареи, таких как напряжение, температура и ток. Используя эти показатели, BMS может внимательно отслеживать важные параметры производительности, такие как состояние заряда (SoC), которое указывает оставшуюся емкость максимальной емкости аккумулятора электромобиля, и состояние работоспособности (SoH), которое показывает общее состояние аккумуляторной батареи. . Мониторинг SoC помогает пользователям электромобилей оценить запас хода, имеющийся в их распоряжении, и планировать остановки на зарядных станциях, не беспокоясь о запасе хода. Благодаря мониторингу SoH производители могут помочь клиентам проводить профилактическое обслуживание для поддержания работоспособного состояния батареи и повышения производительности.
2) Управление температурным режимом
Аккумуляторы электромобилей очень чувствительны к изменениям температуры, что может повлиять на их производительность и срок службы. В связи с этим BMS постоянно отслеживает и контролирует значения температуры аккумулятора для поддержания оптимальной работы. Например, можно использовать механизмы нагрева и охлаждения, чтобы поддерживать батарею в идеальном температурном диапазоне, чтобы максимизировать ее производительность и срок службы.
3) Баланс заряда и разряда аккумуляторной батареи
BMS может контролировать батарею в процессе динамической балансировки для поддержания стабильной производительности между аккумуляторными блоками. В состоянии зарядки он балансирует напряжение между аккумуляторами двумя разными методами:
активная балансировка — передача энергии от перезаряда к недозаряду;
пассивная балансировка — избыточная энергия расходуется через механизм диссипативного обхода. Это гарантирует, что ни одна батарея не будет перезаряжена или недозаряжена, что повышает эффективность и срок службы аккумуляторной батареи электромобиля.
4) Защита от ненормального состояния батареи. Поскольку элементы батареи со временем естественным образом стареют и теряют свою стабильность, BMS будет контролировать множество параметров аккумуляторной батареи. Он имеет встроенные функции защиты от перенапряжения, понижения напряжения, перегрузки по току, терморегулирования и внешней защиты от перезаряда/переразряда. При возникновении неисправности система автоматически выполняет предварительно заданные программы защиты, такие как оптимизация низковольтной зарядки аккумуляторов с ухудшенными характеристиками и балансировка падения напряжения, вызванного старением аккумуляторов, для поддержания оптимальной производительности аккумуляторов.
4 Текущие тенденции в разработке BMS
1) Интеллектуальная BMS.
Используя передовые алгоритмы и технологию машинного обучения, BMS может оптимизировать производительность батареи на основе моделей использования батареи, условий окружающей среды и других динамических сценариев.
2) Обновление OTA
Протоколы беспроводной связи все чаще используются в сочетании с BMS, что позволяет обновлять систему через OTA.
3) Алгоритмы прогнозируемого обслуживания.
Системы управления батареями электромобилей интегрируются с передовыми системами прогнозируемого обслуживания. Эти алгоритмы опираются на данные в реальном времени, чтобы предсказать, когда компоненты аккумулятора потребуют ремонта или замены, тем самым снижая затраты клиентов на техническое обслуживание и повышая надежность транспортных средств.
Мы видим, что благодаря постоянному внедрению новых технологий функции BMS также стремительно развиваются, что также будет способствовать более эффективному и безопасному вхождению электромобилей в жизнь каждого человека.
Статья предоставлена пользователями сети только для ознакомления.
