1 Cos'è il bilanciamento attivo BMS
Il bilanciamento attivo BMS è un metodo per trasferire energia da singole celle di capacità maggiore a singole celle di capacità inferiore attraverso il trasferimento di energia, ottenendo così coerenza nel pacco batterie e migliorando le prestazioni del sistema di accumulo dell'energia.
Il bilanciamento attivo BMS è diverso dal bilanciamento passivo. Il bilanciamento passivo generalmente scarica l'energia delle batterie ad alta tensione attraverso resistori per mantenere uno stato uguale alla potenza delle batterie a bassa tensione. Questo metodo presenta svantaggi come bassa efficienza di utilizzo dell'energia, dissipazione del calore, bassa corrente di bilanciamento e lenta efficacia. Il bilanciamento attivo, d’altra parte, è il processo di trasferimento di energia dalle batterie ad alta energia a batterie a basso consumo, proprio come eliminare i punti di forza e di debolezza di una tavola di legno.
Attualmente esistono varie soluzioni di bilanciamento attivo, ad eccezione della soluzione del condensatore Fit che non è diventata mainstream a causa del basso numero di stringhe applicabili e delle limitazioni nel trasferimento, ci sono anche soluzioni di trasformatori e chip di conversione DCDC specifici per batteria progettati da produttori di semiconduttori che sono stati introdotti sul mercato. I vantaggi del bilanciamento attivo sono evidenti, con elevata efficienza, trasferimento di energia e solo perdite della bobina del trasformatore, che rappresentano una piccola percentuale; La corrente bilanciata può essere progettata per essere elevata, raggiungendo diversi ampere o addirittura il livello di 10 A, e l'effetto di bilanciamento è rapido.
Tuttavia, l’equilibrio attivo comporta anche nuovi problemi. In primo luogo, la struttura è complessa, soprattutto negli schemi di trasformatori in cui la progettazione e il controllo delle matrici di commutazione e dei driver sono impegnativi. Questo è anche il motivo per cui la funzione di bilanciamento attivo non può essere completamente integrata nei circuiti integrati dedicati. In secondo luogo c’è la questione dei costi. Strutture complesse portano inevitabilmente a circuiti complessi e l’aumento dei costi e del tasso di guasto è inevitabile, il che limita anche la promozione di BMS di bilanciamento attivo.
Per i BMS, oltre alla funzione di bilanciamento, la strategia di bilanciamento sottostante è ancora più importante. Quando la differenza di consistenza delle celle della batteria rientra in un certo intervallo, la capacità e la tensione della batteria sono correlate positivamente; Ma quando la consistenza della batteria è tutt’altro che buona, cioè quando una batteria è danneggiata, la correlazione tra potenza e tensione non è così forte e la base del bilancio non può essere giudicata esclusivamente sulla base dei dati di tensione. Se la batteria non rileva danni al di sotto dello stato critico e mantiene comunque il bilanciamento della tensione, può effettivamente causare danni alla batteria, soprattutto nel bilanciamento attivo, dove il danno causato dalla corrente elevata è maggiore rispetto al bilanciamento passivo.
Il bilanciamento attivo è adatto per applicazioni con batterie al litio di tipo ad alta potenza e ad alto numero di stringhe, mentre il bilanciamento passivo è adatto per applicazioni con batterie al litio di piccola capacità e a basso numero di stringhe. La consistenza della batteria di Tesla è molto buona e il bilanciamento passivo è sufficiente. Tuttavia, in Cina c’è ancora spazio per miglioramenti nelle materie prime e nei processi di produzione delle batterie, e il grado di dispersione nella consistenza delle batterie è relativamente ampio. Il bilanciamento attivo sarà più adatto per l'applicazione di pacchi batteria al litio di tipo power.
2 Il ruolo del bilanciamento attivo del BMS nei sistemi di accumulo energetico
(1) Migliora le prestazioni generali del pacco batteria
1. Alleviare lo squilibrio di potenza causato da singole celle incoerenti nel pacco batteria e migliorare la capacità complessiva e le prestazioni energetiche del pacco batteria.
Nei sistemi di accumulo dell'energia, a causa delle differenze nei materiali e nei processi produttivi, nonché delle variazioni negli ambienti di utilizzo e nei livelli di invecchiamento, esistono alcune differenze nelle caratteristiche chimiche ed elettriche tra le singole celle, che si manifestano come incongruenze nella capacità, resistenza interna CC, apertura tensione del circuito, stato di carica (SOC) e altri aspetti. Questa incoerenza può portare a una capacità non uniforme tra le singole celle del pacco batteria, influenzando la capacità complessiva e le prestazioni energetiche del pacco batteria. Il BMS bilancia attivamente il trasferimento di energia dalle singole celle a capacità maggiore alle singole celle a capacità inferiore attraverso il trasferimento di energia, alleviando così questo fenomeno di squilibrio di potenza e migliorando la capacità complessiva e le prestazioni energetiche del pacco batteria.
Ad esempio, i trasformatori sono ampiamente utilizzati nel bilanciamento attivo per bilanciare la distribuzione dell’energia all’interno del pacco batteria attraverso strategie di bilanciamento dal basso e dall’alto. Esistono anche metodi di bilanciamento basati su componenti di accumulo dell'energia come condensatori e induttori, o basati su convertitori DC-DC. Questi metodi di bilanciamento che non consumano energia trasferiscono principalmente energia tra singole celle o tra singole celle e l'intero pacco batteria attraverso condensatori, induttori o convertitori CC-CC. Rispetto alle strutture di bilanciamento che consumano energia, sono più complesse, ma hanno una maggiore efficienza di utilizzo dell'energia, un trasferimento flessibile di energia e possono migliorare efficacemente le prestazioni complessive del pacco batteria.
2. Rilevando lo stato di ogni singola cella nel pacco batteria, utilizzare metodi di bilanciamento per mantenere la tensione o lo stato di carica tra le singole celle entro un determinato intervallo.
Il sistema di bilanciamento attivo BMS valuta lo stato di funzionamento della batteria monitorando continuamente parametri chiave come tensione, corrente e temperatura di ciascuna cella della batteria. Quando viene rilevata una differenza di tensione o di stato di carica tra le singole batterie, viene attivato il metodo di bilanciamento. Ad esempio, utilizzando un convertitore CC-CC diretto bidirezionale come circuito principale di bilanciamento, quando l'energia viene trasferita dal lato ad alta tensione al lato a bassa tensione, i quattro transistor di commutazione funzionano secondo specifici tempi di conduzione del segnale di pilotaggio per ottenere il trasferimento di energia bidirezionale da dal lato a bassa tensione U1 dell'unità al lato ad alta tensione U2 e dal lato ad alta tensione U2 al lato a bassa tensione U1 dell'unità, mantenendo così la tensione o lo stato di carica tra le batterie dell'unità entro un certo intervallo.
Allo stesso tempo, il circuito di controllo del microcontrollore, in quanto nucleo dell'intero sistema di bilanciamento, controlla il modulo di acquisizione della tensione attraverso il bus CAN per raccogliere la tensione di ogni singola cella nel modulo batteria. Le informazioni sulla batteria vengono riepilogate e utilizzate per sviluppare un piano di bilanciamento. La serie di interruttori viene utilizzata per selezionare le celle che devono essere bilanciate, quindi il comando di bilanciamento viene inviato al circuito di controllo del bilanciamento per garantire che lo stato di ogni singola cella nel pacco batteria rientri in un intervallo ragionevole.
(2) Estendere la durata della batteria
1. Inibire il verificarsi di coerenza tra le celle della batteria e ridurre l'impatto della dispersione della batteria sulla durata della batteria.
L'incoerenza tra le celle della batteria si accumulerà gradualmente con l'aumento del tempo di utilizzo, formando uno squilibrio nella quantità di elettricità tra le celle della batteria, che non solo influisce sulla capacità complessiva e sulle prestazioni energetiche della batteria, ma limita anche la durata della batteria. pacchetto. Il BMS bilancia attivamente il trasferimento di energia dalle singole celle a capacità più elevata alle singole celle a capacità inferiore attraverso il trasferimento di energia, sopprimendo così il verificarsi della consistenza intercellulare.
Ad esempio, l’adozione della tecnologia di bilanciamento attivo può evitare l’invecchiamento precoce di alcune batterie causato da singole celle incoerenti. I prodotti BMS sviluppati da Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. con funzioni tecnologiche fondamentali di "bilanciamento attivo e trasmissione wireless" possono monitorare accuratamente l'energia di ogni singola batteria e ottenere attivamente un trasferimento efficiente di energia tra le singole batterie, raggiungendo l'obiettivo del bilancio energetico tra singole batterie, migliorando significativamente le prestazioni della batteria, eliminando il verificarsi di coerenza tra le celle della batteria e riducendo l'impatto della dispersione della batteria sulla durata del pacco batteria.
2. Può aumentare la capacità disponibile del sistema batteria e migliorare significativamente la durata del ciclo.
La tecnologia di bilanciamento attivo BMS elimina efficacemente il problema dello squilibrio di capacità tra le celle della batteria attraverso il trasferimento di energia, migliorando le prestazioni dell'intero pacco batteria. Adottando il chip di bilanciamento attivo DC-DC bidirezionale sviluppato in modo indipendente da Kelie, rispetto ai tradizionali chip di bilanciamento, l'innovativo algoritmo intelligente avanzato incorporato compensa in modo rapido ed efficace le differenze generate dal pacco batteria attraverso il trasferimento di energia, garantendo la coerenza della batteria, prolungandone la durata. e il tempo medio tra i guasti del pacco batteria e migliorando efficacemente i vantaggi economici dell'intero ciclo di vita del prodotto. I dati dei test ciclici a lungo termine mostrano che questa tecnologia di bilanciamento attivo può aumentare la capacità disponibile del sistema batteria di oltre il 10%, migliorare la durata del ciclo di oltre il 20% e maggiore è il numero di serie collegate, più significativo è l'effetto di miglioramento.
3 Il principio di funzionamento del bilanciamento attivo BMS
(1) Composizione del sistema di equilibrio
Il sistema di bilanciamento attivo BMS è costituito principalmente da un modulo batteria in serie, un pacco batteria da 12 V, un array di interruttori, un circuito principale di bilanciamento, un circuito di acquisizione della tensione e un circuito di controllo del microcontrollore.
1. Cambia array:
La serie di interruttori è composta da interruttori di comando delle celle della batteria e interruttori di comando della polarità della batteria, che possono ottenere il comando delle celle che devono essere bilanciate. Ad esempio, per un pacco batteria collegato in serie 7-, esistono combinazioni di interruttori specifiche per selezionare batterie diverse. Prendendo come esempio la selezione della batteria 1 e della batteria 2, quando viene selezionata la batteria 1, gli interruttori K1, K2, KP3 e KP4 vengono accesi e gli altri interruttori vengono spenti, formando uno specifico circuito di carica e scarica; Quando si seleziona la batteria 2, gli interruttori K2, K3, KP1 e KP2 vengono attivati e gli altri interruttori vengono disattivati, formando un corrispondente circuito di carica e scarica. Il gating delle celle dispari può fare riferimento alla combinazione dell'interruttore di gating della batteria 1, mentre anche il gating delle celle può fare riferimento alla combinazione dell'interruttore di gating della batteria 2.
2. Circuito principale bilanciato:
Adozione di un convertitore DC-DC bidirezionale in avanti per ottenere il trasferimento di energia bidirezionale. Questa topologia include principalmente un trasformatore T, due resistori di campionamento R1 e R2, due condensatori di filtraggio C1 e C2, un condensatore di clamping C3, un induttore di filtraggio L e quattro transistor di commutazione da Q1 a Q4.
(2) Modalità di lavoro
1. L'energia viene trasferita dal lato a bassa pressione di una singola unità al lato ad alta pressione.
2. L'energia viene trasferita dal lato ad alta tensione al lato a bassa tensione di una singola unità, che è divisa in quattro fasi. Il trasferimento e il rilascio dell'energia si ottengono attraverso la conduzione e la disconnessione del tubo dell'interruttore:
Fase 1: dal tempo t1 al tempo t2, i tubi di commutazione Q2 e Q3 sono accesi. In questo momento, la corrente di ingresso I1 fluisce nello stesso terminale dell'avvolgimento lato ad alta tensione del trasformatore e la corrente di uscita I2 fluisce dallo stesso terminale dell'avvolgimento lato a bassa tensione del trasformatore. Il lato ad alta tensione U2 trasferisce simultaneamente energia al lato a bassa tensione U1 e all'induttore L.
Fase 2: dal momento t2 al t3, gli interruttori Q2 e Q3 sono spenti, I2 è continuato dai diodi del corpo degli interruttori Q1 e Q2, IT2 diminuisce gradualmente, IQ1 aumenta gradualmente e l'energia immagazzinata nell'induttore L e l'energia magnetica residua dell'avvolgimento a bassa tensione vengono rilasciati sul lato a bassa tensione.
Fase 3: dal momento t3 al momento t4, l'interruttore Q1 viene acceso, I2 viene continuato dall'interruttore Q1 e l'energia immagazzinata nell'induttore L viene rilasciata sul lato a bassa tensione U1.
Fase 4: dal momento t4 al momento t5, l'interruttore Q1 viene spento, I2 viene continuato dal diodo body dell'interruttore Q1 e l'energia immagazzinata nell'induttore L continua a essere rilasciata sul lato a bassa tensione U1. Tra questi, lo stadio due e lo stadio quattro sono entrambi stadi di zona morta, per evitare che Q1 cortocircuiti l'avvolgimento a bassa tensione quando Q2 e Q3 sono in conduzione. L'interruttore Q4 è collegato in serie con il condensatore di bloccaggio C3 e collegato in parallelo ad entrambe le estremità dell'interruttore Q3 per il bloccaggio attivo e il ripristino magnetico del trasformatore.
4 Lo stato attuale dell'applicazione del bilanciamento attivo BMS nei sistemi di accumulo dell'energia
(1) Imprese partecipanti al mercato
Attualmente, ci sono tre tipi principali di partecipanti al mercato nel bilanciamento attivo dei BMS nei sistemi di accumulo dell’energia: produttori di veicoli, produttori di batterie al litio e produttori indipendenti di BMS.
La capacità installata di BMS prodotta dai produttori di veicoli rappresenta circa il 21,3% del totale, la capacità installata di BMS prodotta dalle fabbriche di batterie al litio rappresenta circa il 45,4% e i produttori di BMS professionali rappresentano circa il 33,3% della quota. Sebbene i produttori di veicoli e di batterie detengano ancora posizioni importanti, con la tendenza al progresso tecnologico e alla divisione specializzata del lavoro, i produttori professionali di BMS sono in forte crescita e sono diventati dominanti nel campo dei veicoli commerciali e si prevede che avranno un grande impatto nel settore energetico. campo di stoccaggio.
Ad esempio, CATL e BYD detengono quote di mercato significative nel campo delle batterie al litio, pur avendo una certa influenza nel mercato dei BMS per lo stoccaggio dell’energia. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power e altri produttori di automobili, nonché produttori di batterie come BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd. e Beijing Plaid, partecipano attivamente allo stoccaggio dell'energia Il mercato dei BMS. Inoltre, anche produttori di BMS professionali come Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology e Sci Tech Electronics esplorano costantemente il campo dei BMS per lo stoccaggio dell'energia.
(2) Problemi esistenti
1. Il BMS cinese per lo stoccaggio dell’energia è iniziato relativamente tardi, con standard incompleti e senza una strategia di controllo unificata. Sebbene esistano standard quadro in vigore, ogni azienda ha requisiti diversi per le scatole ad alta tensione e i cablaggi di stoccaggio dell’energia, il che porta a elevati costi di installazione e messa in servizio, guasti multipli e difficoltà di funzionamento e manutenzione dei sistemi di stoccaggio dell’energia. I dipartimenti competenti del paese stanno formulando standard relativi al settore, che dovrebbero regolamentare ulteriormente il settore BMS, garantire la sicurezza e la durata delle batterie e ridurre il costo dei sistemi di accumulo dell’energia attraverso la standardizzazione e il ridimensionamento.
2. L'affidabilità della tecnologia di bilanciamento attivo deve ancora essere ulteriormente migliorata e i costi devono essere ulteriormente ridotti. Allo stato attuale, la struttura dell’equilibrio attivo è complessa e il costo è molto più elevato di quello dell’equilibrio passivo. Ad esempio, il metodo comune di bilanciamento attivo utilizzando trasformatori per carica e scarica CC-CC ha una struttura complessa e la progettazione e il controllo delle matrici di commutazione e dei driver sono difficili, il che limita anche la piena integrazione della funzione di bilanciamento attivo nei circuiti integrati dedicati. Inoltre, strutture complesse portano inevitabilmente a circuiti complessi, ed è inevitabile l’aumento dei costi e del tasso di guasto, il che limita anche la promozione di BMS di bilanciamento attivo.
3. L’algoritmo BMS per lo stoccaggio dell’energia è appena agli inizi e c’è ancora spazio per miglioramenti nella stima dei progressi, della convergenza degli algoritmi e della robustezza. Soprattutto l’algoritmo di avviso della batteria è molto importante nei sistemi di accumulo dell’energia, ma in Cina è ancora quasi vuoto nel settore. Nel complesso, il settore BMS nel campo dello stoccaggio dell’energia ha un livello generale basso, con una varietà di imprese di produzione BMS e una qualità dei prodotti non uniforme. Alcune imprese non hanno una conoscenza sufficiente dei sistemi di stoccaggio dell’energia. Ciò fa sì che il BMS sia sempre ai primi posti nella classifica dei guasti dei componenti dell’intero sistema di accumulo dell’energia.
5 Il trend di sviluppo del bilanciamento attivo dei BMS nei sistemi di accumulo energetico
(1) La tecnologia del bilanciamento attivo diventa una tendenza futura
Con il continuo miglioramento dei requisiti prestazionali dei sistemi di accumulo dell’energia, i vantaggi della tecnologia di bilanciamento attivo stanno diventando sempre più evidenti. Può migliorare efficacemente la consistenza del pacco batteria, migliorando così le prestazioni complessive del sistema di accumulo dell'energia. Nelle applicazioni pratiche, la tecnologia di bilanciamento attivo può trasferire energia da batterie ad alta energia a batterie a basso consumo, ottenendo un equilibrio energetico nel pacco batterie, proprio come eliminando i punti di forza e di debolezza delle assi di legno. Questa tecnologia non solo ha un'elevata efficienza e basse perdite, ma ha anche una corrente bilanciata e risultati rapidi. Pertanto, la tecnologia di bilanciamento attivo sarà ampiamente applicata nei sistemi di gestione delle batterie di accumulo di energia e diventerà una tendenza di sviluppo futura.
(2) Localizzazione dei componenti chiave
Lo sviluppo dell’industria BMS nazionale deve concentrarsi sulla localizzazione dei componenti chiave. Al momento, il BMS cinese per lo stoccaggio dell’energia è iniziato relativamente tardi e i componenti chiave fanno affidamento sulle importazioni, il che non solo aumenta i costi ma potrebbe anche far fronte al rischio di un’offerta instabile. Migliorare le capacità di ricerca e sviluppo indipendenti e ottenere la localizzazione dei componenti chiave sono cruciali per migliorare la competitività dell’industria cinese dei BMS. Ad esempio, un rapporto di ricerca pubblicato dalla China International Capital Corporation (CICC) ha sottolineato che esiste un ampio margine di miglioramento nel tasso di localizzazione dei chip di gestione delle batterie e che i produttori locali si trovano di fronte a significative opportunità commerciali. Con la crescita dello spazio di mercato nazionale a valle e l’aumento della quota dei produttori locali a valle, si prevede che i produttori locali di chip per la gestione delle batterie introdurranno nuove opportunità.
(3) Migliore integrazione del prodotto
In futuro, la combinazione di algoritmi sullo stato della batteria e big data basati sul cloud diventerà mainstream e gli algoritmi di intelligenza artificiale saranno ampiamente applicati anche nei BMS. Ciò migliorerà l’affidabilità e la sicurezza del sistema. Ad esempio, il brevetto per "Convertitore di accumulo di energia e sistema di accumulo di energia" applicato da Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. semplifica la progettazione, riduce la complessità e il numero di componenti del sistema e riduce significativamente la progettazione costi e difficoltà di integrazione. Allo stesso tempo, il design dell'unità di controllo consente al dispositivo di allocare in modo intelligente la potenza, migliorando l'efficienza operativa del sistema di accumulo dell'energia. Con il continuo progresso della tecnologia, l’integrazione dei prodotti BMS continuerà a migliorare, fornendo un supporto più forte per lo sviluppo di sistemi di accumulo dell’energia.