Hệ thống lưu trữ năng lượng pin được đặt trong điều kiện thị trường ngày càng đòi hỏi, cung cấp một loạt các ứng dụng.Một câu hỏi đáng thảo luận là làm thế nào để xây dựng một hệ thống quản lý pin (BMS) đảm bảo tuổi thọ dài, tính linh hoạt và khả dụng.
Mỗi pin hiện đại cần một hệ thống quản lý pin (BMS), là sự kết hợp của điện tử và phần mềm, và hoạt động như bộ não của pin.Bài viết này tập trung vào công nghệ BMS cho các hệ thống lưu trữ năng lượng tĩnhCác chức năng cơ bản nhất của BMS là đảm bảo rằng pin pin vẫn cân bằng và an toàn, và thông tin quan trọng, chẳng hạn như năng lượng có sẵn,được chuyển sang người dùng hoặc các hệ thống được kết nối.
Sự cân bằng là cần thiết bởi vì hệ thống pin được tạo thành từ hàng trăm, đôi khi hàng ngàn tế bào riêng lẻ, tất cả đều có dung lượng và kháng cự hơi khác nhau.Những khác biệt này tăng lên theo thời gian khi các tế bào phân hủy với tốc độ khác nhauNếu các tế bào không được cân bằng ít nhất đôi khi, điện áp của chúng sẽ nhanh chóng trượt ra xa đến mức công suất pin trở nên không thể sử dụng được.
An toàn được đảm bảo bằng cách giữ các tế bào trong giới hạn hoạt động an toàn của điện áp, dòng điện và nhiệt độ, đặc biệt quan trọng đối với pin lithium-ion.sạc ở nhiệt độ rất thấp, hoặc tiếp xúc với dòng điện hoặc nhiệt độ quá cao, chúng có thể phát triển các lỗi có thể dẫn đến hỏa hoạn hoặc nổ.
Thông tin như năng lượng và công suất có sẵn không thể được đo trực tiếp, có nghĩa là BMS phải tính toán Nó dựa trên các phép đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Những tính toán này được gọi là ước tính trạng thái và kết quả được truyền đến các hệ thống cấp cao hơn, bao gồm cả giao diện người dùng.
Trước khi chúng ta xem xét các cân nhắc thiết kế BMS chi tiết hơn, nó là đáng mô tả các loại khác nhau của BMS và các yêu cầu của ngành công nghiệp thông báo các lựa chọn thiết kế.Phương pháp cân bằng thường được sử dụng để phân loại các loại BMS, mặc dù các khía cạnh thiết kế khác đóng vai trò quan trọng, chẳng hạn như các cách tiếp cận khác nhau cho ước tính trạng thái và luồng thông tin.
Xây dựng gói cơ bản
Các tế bào, hoặc các tế bào điện hóa, như tế bào lithium-ion là đơn vị lưu trữ năng lượng nhỏ nhất trong một gói. Chúng có kích thước vật lý khác nhau liên quan trực tiếp đến công suất của chúng.Điện áp tối thiểu của pin lithium-ion có thể thấp đến 2.5V (đối với các tế bào LFP) và điện áp tối đa có thể cao tới 4.3V cho hóa chất NMC.
Các tế bào được kết nối song song để tăng dòng điện tối đa có thể được rút ra từ gói.
Nói chung, các tế bào trong một siêu tế bào sẽ tự cân bằng và không cần phải quản lý chúng thêm.Ngoại lệ có thể bao gồm các hóa chất mới như lưu huỳnh lithium và hóa chất với trạng thái điện tích phẳng so với đường cong điện áp hoạt động trong điều kiện C-rate cực đoan như lithium iron phosphate.
Các siêu tế bào được kết nối theo chuỗi để tạo thành một chuỗi. Một gói pin thường bao gồm một chuỗi duy nhất.cần thiết trong các ứng dụng công suất cao để ngăn chặn các dòng điện hoạt động cực kỳ cao.
Khi thêm các tế bào vào cấu hình pin, dung lượng năng lượng tăng lên. Do đó, thêm các tế bào song song vào một siêu pin làm tăng dung lượng năng lượng của gói,cũng như kết nối một siêu tế bào bổ sung trong loạt.
Các loại BMS
Cách tiếp cận cân bằng
Sự cân bằng thụ động đồng bộ hóa điện áp tế bào vào cuối quá trình sạc bằng cách tiêu hao năng lượng, sẽ đi vào các tế bào sạc đầy đủ, dưới dạng nhiệt thông qua điện trở.Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thành phần thấp của các thiết bị điện tử.
Những nhược điểm bao gồm tất cả các tế bào được tiếp xúc với cùng một dòng điện, có nghĩa là các tế bào nối hàng yếu nhất hạn chế năng lượng, công suất, tuổi thọ và an toàn của toàn bộ pin.Sự phân hủy tế bào được tăng tốc vì dòng điện trên các tế bào yếu hơn cao hơn so với công suất của chúng, cũng có thể gây ra các điểm nóng địa phương có thể dẫn đến giảm công suất pin hoặc thậm chí là các vấn đề an toàn.BMS thụ động chỉ có thể theo dõi dòng gói và ngắt nó thông qua một công tắc ngắt kết nối trong trường hợp lỗi.
Nếu dòng thông tin hai chiều được thực hiện, các thông số cấp hệ thống như cài đặt hoạt động có thể được thay đổi để ưu tiên thời lượng pin hoặc hiệu suất.Thời gian sử dụng được ưu tiên bằng cách giảm cửa sổ hoạt động với chi phí năng lượng hoặc điện năng có sẵn, trong khi hiệu suất được ưu tiên bằng cách mở rộng cửa sổ hoạt động, bằng cách chi phí cho tuổi thọ pin.
Sự cân bằng hoạt động thường được thực hiện thông qua các mạch bypass dòng điện thấp, hướng dòng điện sạc thấp đến các tế bào chưa sạc, thay vì tiêu tan năng lượng dưới dạng nhiệt.Lợi ích chính của phương pháp này là cải thiện hiệu quả sạc, có thể quan trọng nếu năng lượng sạc có sẵn phải được sử dụng hiệu quả nhất có thể.cân bằng tích cực không biện minh cho chi phí bổ sung thành phần cho lợi ích mà chúng mang lạiGiống như cân bằng thụ động, sự phân hủy tế bào được tăng tốc bởi dòng tương đối cao hơn trên các tế bào yếu hơn và các điểm nóng có thể hình thành.
Ước tính của nhà nước
Ước tính trạng thái sạc (SoC) và trạng thái sức khỏe (SoH) dựa trên sự kết hợp của các mô hình pin và các thuật toán ước tính.Mức độ tinh vi và chính xác có thể cho ước tính trạng thái và các mô hình pin cơ bản phụ thuộc rất nhiều vào phần cứng, mà chúng ta sử dụng ở đây để phân biệt các cách tiếp cận khác nhau.
Các mạch tích hợp (IC) được sử dụng trong hầu hết các BMS thông thường để ước tính trạng thái, thường được gọi là fuel gauge.Các IC được cáp cứng với mô hình pin đặc biệt về hóa học và thuật toán ước tính trạng tháiƯu điểm của IC là chúng có chi phí thấp. Những nhược điểm bao gồm sự linh hoạt và độ chính xác thiết kế hệ thống hạn chế.Sự linh hoạt thiết kế bị hạn chế bởi vì IC thường được tạo ra cho một hóa học pin cụ thể với các đặc điểm kỹ thuật cụ thể.
Nếu hóa học hoặc thông số kỹ thuật của pin thay đổi, IC cũng cần phải được thay đổi và thiết kế được điều chỉnh. 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, có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất, định dạng và lô,ngay cả đối với cùng một hóa học (ii) sức mạnh tính toán hạn chế trên IC hạn chế sự phức tạp và độ trung thực của các thuật toán ước tính trạng thái và các mô hình pin cơ bản, và (iii) đặc điểm tế bào thay đổi theo thời gian, không thể được nắm bắt bởi các thuật toán IC có dây cứng, dẫn đến sự không chính xác ngày càng tăng theo thời gian.
Các vi xử lý có thể được lập trình với các mô hình pin phức tạp hơn, độ trung thực cao hơn và các thuật toán ước tính trạng thái,có thể được điều chỉnh để tính đến các đặc điểm và thông số kỹ thuật tế bào cụ thểCác đặc điểm tế bào thay đổi có thể được phù hợp bằng cách cập nhật các tham số của các thuật toán ước tính trạng thái và mô hình pin, giữ cho đầu ra chính xác hơn theo thời gian.Các phần cứng tương tự có thể được sử dụng cho bất kỳ loại hóa học pin hoặc nhà sản xuấtNhược điểm có thể là chi phí thành phần cao hơn, tùy thuộc vào chức năng và sức mạnh tính toán cần thiết.
Dòng thông tin
Dòng thông tin đơn hướng là phổ biến trong hầu hết các hệ thống pin: dòng thông tin từ BMS đến các hệ thống cấp cao hơn và giao diện người dùng.thông tin cấp thấp có sẵn ít hơnThông tin quan trọng nhất liên quan đến an toàn và hiệu suất và bao gồm các chỉ số như SoC và SoH.
Dòng thông tin hai chiều có thể nếu BMS có thể xử lý đầu vào, chẳng hạn như thay đổi cài đặt hoạt động (ví dụ như điện áp pin tối đa và tối thiểu được phép hoặc SoC),hoặc thậm chí cập nhật các mô hình pin hoặc thuật toán ước tính trạng thái để duy trì độ chính xác của chúng, nếu sử dụng vi điều khiển.
