1 ¿Qué es el equilibrio activo BMS?
El equilibrio activo BMS es un método para transferir energía desde celdas individuales de mayor capacidad a celdas individuales de menor capacidad mediante la transferencia de energía, logrando así consistencia en el paquete de baterías y mejorando el rendimiento del sistema de almacenamiento de energía.
El equilibrio activo BMS es diferente del equilibrio pasivo. El equilibrio pasivo generalmente descarga la energía de las baterías de alto voltaje a través de resistencias para mantener el mismo estado que la potencia de las baterías de bajo voltaje. Este método tiene desventajas como baja eficiencia de utilización de energía, disipación de calor, baja corriente de equilibrio y baja efectividad. El equilibrio activo, por otro lado, es el proceso de transferir energía de baterías de alta energía a baterías de baja energía, muy parecido a cortar las fortalezas y debilidades de una tabla de madera.
En la actualidad, existen varias soluciones de equilibrio activo, a excepción de la solución de condensadores Fit, que no se ha generalizado debido a su bajo número de cadenas aplicables y limitaciones en la transferencia, también existen soluciones de transformadores y chips de conversión DCDC específicos para baterías diseñados por fabricantes de semiconductores que han sido introducidos en el mercado. Los beneficios del equilibrio activo son obvios, con alta eficiencia, transferencia de energía y solo pérdidas en la bobina del transformador, que representan una pequeña proporción; La corriente equilibrada se puede diseñar para que sea grande, alcanzando varios amperios o incluso un nivel de 10 A, y el efecto de equilibrio es rápido.
Sin embargo, el equilibrio activo también trae consigo nuevos problemas. En primer lugar, la estructura es compleja, especialmente en esquemas de transformadores donde el diseño y control de matrices de interruptores y controladores son desafiantes. Esta es también la razón por la que la función de equilibrio activo no se puede integrar completamente en circuitos integrados dedicados. En segundo lugar, está la cuestión del coste. Las estructuras complejas conducen inevitablemente a circuitos complejos, y el aumento en el costo y la tasa de fallas es inevitable, lo que también limita la promoción del BMS de equilibrio activo.
Para BMS, además de la función de equilibrio, la estrategia de equilibrio subyacente es aún más importante. Cuando la diferencia de consistencia de las celdas de la batería está dentro de un cierto rango, la capacidad y el voltaje de la batería están correlacionados positivamente; Pero cuando la consistencia de la batería está lejos de ser buena, es decir, cuando una batería está dañada, la correlación entre potencia y voltaje no es tan fuerte y la base del equilibrio no se puede juzgar basándose únicamente en los datos de voltaje. Si la batería no es consciente de los daños por debajo del estado crítico y aún mantiene el equilibrio de voltaje, en realidad puede causar daños a la batería, especialmente en el equilibrio activo, donde el daño causado por la alta corriente es mayor que en el equilibrio pasivo.
El equilibrio activo es adecuado para aplicaciones de paquetes de baterías de litio de tipo potencia de gran capacidad y gran número de cadenas, mientras que el equilibrio pasivo es adecuado para aplicaciones de paquetes de baterías de litio de pequeña capacidad y bajo número de cadenas. La consistencia de la batería de Tesla es muy buena y el equilibrio pasivo es suficiente. Sin embargo, en China todavía hay margen de mejora en las materias primas y los procesos de producción de las baterías, y el grado de dispersión en la consistencia de las baterías es relativamente grande. El equilibrio activo será más adecuado para la aplicación de paquetes de baterías de litio de tipo energético.
2 El papel del equilibrio activo BMS en los sistemas de almacenamiento de energía
(1) Mejorar el rendimiento general de la batería
1. Alivie el desequilibrio de energía causado por celdas individuales inconsistentes en el paquete de baterías y mejore la capacidad general y el rendimiento energético del paquete de baterías.
En los sistemas de almacenamiento de energía, debido a diferencias en los materiales y procesos de fabricación, así como a variaciones en los entornos de uso y niveles de envejecimiento, existen ciertas diferencias en las características químicas y eléctricas entre las celdas individuales, que se manifiestan como inconsistencias en la capacidad, resistencia interna de CC, apertura voltaje del circuito, estado de carga (SOC) y otros aspectos. Esta inconsistencia puede provocar una capacidad desigual de la batería entre las celdas individuales del paquete de baterías, lo que afecta la capacidad general y el rendimiento energético del paquete de baterías. BMS equilibra activamente la transferencia de energía desde celdas individuales de mayor capacidad a celdas individuales de menor capacidad mediante la transferencia de energía, aliviando así este fenómeno de desequilibrio de energía y mejorando la capacidad general y el rendimiento energético del paquete de baterías.
Por ejemplo, los transformadores se utilizan ampliamente en el equilibrio activo para equilibrar la distribución de energía dentro del paquete de baterías mediante estrategias de equilibrio inferior y superior. También existen métodos de equilibrio basados en componentes de almacenamiento de energía como condensadores e inductores, o basados en convertidores DC-DC. Estos métodos de equilibrio que no consumen energía transfieren principalmente energía entre celdas individuales o entre celdas individuales y todo el paquete de baterías a través de condensadores, inductores o convertidores CC-CC. En comparación con las estructuras de equilibrio que consumen energía, son más complejas, pero tienen una mayor eficiencia de utilización de la energía, una transferencia de energía flexible y pueden mejorar eficazmente el rendimiento general del paquete de baterías.
2. Al detectar el estado de cada celda individual del paquete de baterías, utilice métodos de equilibrio para mantener el voltaje o el estado de carga entre las celdas individuales dentro de un rango determinado.
El sistema de equilibrio activo BMS evalúa el estado de funcionamiento de la batería monitoreando continuamente parámetros clave como el voltaje, la corriente y la temperatura de cada celda de la batería. Cuando se detecta una diferencia de voltaje o estado de carga entre baterías individuales, se activa el método de equilibrio. Por ejemplo, al utilizar un convertidor CC-CC directo bidireccional como circuito principal de equilibrio, cuando la energía se transfiere del lado de alto voltaje al lado de bajo voltaje, los cuatro transistores de conmutación funcionan de acuerdo con una sincronización específica de conducción de la señal de conducción para lograr una transferencia de energía bidireccional desde el lado de bajo voltaje U1 de la unidad al lado de alto voltaje U2 y desde el lado de alto voltaje U2 al lado de bajo voltaje U1 de la unidad, manteniendo así el voltaje o estado de carga entre las baterías de la unidad dentro de un cierto rango.
Al mismo tiempo, el circuito de control del microcontrolador, como núcleo de todo el sistema de equilibrio, controla el módulo de adquisición de voltaje a través del bus CAN para recolectar el voltaje de cada celda individual en el módulo de batería. La información de la batería se resume y se utiliza para desarrollar un plan de equilibrio. La matriz de interruptores se utiliza para seleccionar las celdas que deben equilibrarse y luego el comando de equilibrio se envía al circuito de control de equilibrio para garantizar que el estado de cada celda individual del paquete de baterías esté dentro de un rango razonable.
(2) Prolongar la vida útil de la batería
1. Inhibir la aparición de consistencia entre las celdas de la batería y reducir el impacto de la dispersión de la batería en la vida útil del paquete de baterías.
La inconsistencia entre las celdas de la batería se acumulará gradualmente con el aumento del tiempo de uso, formando un desequilibrio en la cantidad de electricidad entre las celdas de la batería, lo que no solo afecta la capacidad general y el rendimiento energético del paquete de baterías, sino que también restringe la vida útil de la batería. embalar. BMS equilibra activamente la transferencia de energía desde células individuales de mayor capacidad a células individuales de menor capacidad a través de la transferencia de energía, suprimiendo así la aparición de consistencia entre células.
Por ejemplo, la adopción de tecnología de equilibrio activo puede evitar el envejecimiento prematuro de algunas baterías causado por celdas individuales inconsistentes. Los productos BMS desarrollados por Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. con funciones tecnológicas centrales de "equilibrio activo y transmisión inalámbrica" pueden monitorear con precisión la energía de cada batería individual y lograr activamente una transferencia de energía eficiente entre baterías individuales, logrando el objetivo del equilibrio energético entre baterías individuales, lo que mejora significativamente el rendimiento de la batería, suprime la aparición de consistencia entre las celdas de la batería y reduce el impacto de la dispersión de la batería en la vida útil del paquete de baterías.
2. Puede aumentar la capacidad disponible del sistema de batería y mejorar significativamente el ciclo de vida.
La tecnología de equilibrio activo BMS elimina eficazmente el problema del desequilibrio de capacidad entre las celdas de la batería mediante la transferencia de energía, mejorando el rendimiento de todo el paquete de baterías. Al adoptar el chip de equilibrio activo DC-DC bidireccional desarrollado independientemente por Kelie, en comparación con los chips de equilibrio tradicionales, el innovador algoritmo inteligente avanzado integrado compensa rápida y eficazmente las diferencias generadas por el paquete de baterías a través de la transferencia de energía, asegurando la consistencia de la batería y extendiendo la vida útil. y el tiempo medio entre fallas del paquete de baterías, y mejorando efectivamente los beneficios económicos de todo el ciclo de vida del producto. Los datos de pruebas cíclicas a largo plazo muestran que esta tecnología de equilibrio activo puede aumentar la capacidad disponible del sistema de batería en más de un 10 %, mejorar el ciclo de vida en más de un 20 % y cuantas más series se conecten, más significativo será el efecto de mejora.
3 El principio de funcionamiento del equilibrio activo BMS
(1) Composición del sistema de equilibrio
El sistema de equilibrio activo BMS consta principalmente de un módulo de batería en serie, un paquete de baterías de 12 V, un conjunto de interruptores, un circuito principal de equilibrio, un circuito de adquisición de voltaje y un circuito de control de microcontrolador.
1. Cambiar matriz:
El conjunto de interruptores consta de interruptores de activación de celdas de batería e interruptores de activación de polaridad de la batería, que pueden lograr la activación de las celdas que deben equilibrarse. Por ejemplo, para un paquete de baterías conectado en serie de 7-celdas, existen combinaciones de interruptores específicas para seleccionar diferentes baterías. Tomando como ejemplo la selección de la batería 1 y la batería 2, cuando se selecciona la batería 1, los interruptores K1, K2, KP3 y KP4 se encienden y otros interruptores se apagan, formando un circuito de carga y descarga específico; Al seleccionar la batería 2, los interruptores K2, K3, KP1 y KP2 se encienden y otros interruptores se apagan, formando un circuito de carga y descarga correspondiente. La activación de celdas impares puede referirse a la combinación de interruptor de activación de la batería 1, y la activación de celdas pares puede referirse a la combinación de interruptor de activación de la batería 2.
2. Circuito principal equilibrado:
Adoptar un convertidor CC-CC directo bidireccional para lograr una transferencia de energía bidireccional. Esta topología incluye principalmente un transformador T, dos resistencias de muestreo R1 y R2, dos condensadores de filtrado C1 y C2, un condensador de sujeción C3, un inductor de filtrado L y cuatro transistores de conmutación Q1 a Q4.
(2) Modo de trabajo
1. La energía se transfiere desde el lado de baja presión de una sola unidad al lado de alta presión.
2. La energía se transfiere desde el lado de alto voltaje al lado de bajo voltaje de una sola unidad, que se divide en cuatro etapas. La transferencia y liberación de energía se logra mediante la conducción y desconexión del tubo del interruptor:
Etapa 1: Desde el momento t1 al t2, los tubos de conmutación Q2 y Q3 se encienden. En este momento, la corriente de entrada I1 fluye hacia el mismo terminal del devanado del lado de alto voltaje del transformador, y la corriente de salida I2 fluye desde el mismo terminal del devanado del lado de bajo voltaje del transformador. El lado de alto voltaje U2 transfiere energía simultáneamente al lado de bajo voltaje U1 y al inductor L.
Etapa 2: Desde el momento t2 al t3, los interruptores Q2 y Q3 se apagan, I2 es continuado por los diodos del cuerpo de los interruptores Q1 y Q2, IT2 disminuye gradualmente, IQ1 aumenta gradualmente y la energía almacenada en el inductor L y la energía magnética residual del devanado de baja tensión se liberan hacia el lado de baja tensión.
Etapa 3: Desde el momento t3 al t4, el interruptor Q1 se enciende, I2 continúa con el interruptor Q1 y la energía almacenada en el inductor L se libera al lado de bajo voltaje U1.
Etapa 4: Desde el momento t4 al t5, el interruptor Q1 se apaga, el diodo del cuerpo del interruptor Q1 continúa I2 y la energía almacenada en el inductor L continúa liberándose al lado de bajo voltaje U1. Entre ellas, las etapas dos y cuatro son etapas de zona muerta, para evitar que Q1 cortocircuite el devanado de bajo voltaje cuando Q2 y Q3 están conduciendo. El interruptor Q4 está conectado en serie con el condensador de sujeción C3 y en paralelo en ambos extremos del interruptor Q3 para sujeción activa y reinicio magnético del transformador.
4 El estado actual de la aplicación del equilibrio activo BMS en sistemas de almacenamiento de energía
(1) Empresas participantes en el mercado
Actualmente, existen tres tipos principales de participantes en el mercado en el equilibrio activo de BMS en sistemas de almacenamiento de energía: fabricantes de vehículos, fabricantes de baterías de litio y fabricantes independientes de BMS.
La capacidad instalada de BMS producidos por fabricantes de vehículos representa aproximadamente el 21,3% del total, la capacidad instalada de BMS producidos por fábricas de baterías de litio representa aproximadamente el 45,4% y los fabricantes profesionales de BMS representan aproximadamente el 33,3% de la participación. Aunque los fabricantes de vehículos y de baterías todavía ocupan posiciones importantes, con la tendencia del avance tecnológico y la división especializada del trabajo, los fabricantes profesionales de BMS están aumentando con fuerza y se han vuelto dominantes en el campo de los vehículos comerciales, y se espera que tengan un gran impacto en el sector energético. campo de almacenamiento.
Por ejemplo, CATL y BYD tienen importantes cuotas de mercado en el campo de las baterías de litio, al tiempo que tienen cierta influencia en el mercado de BMS para almacenamiento de energía. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power y otros fabricantes de automóviles, así como fabricantes de baterías como BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd. y Beijing Plaid, participan activamente en el almacenamiento de energía. Mercado de BMS. Además, los fabricantes profesionales de BMS como Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology y Sci Tech Electronics también están explorando constantemente el campo de los BMS de almacenamiento de energía.
(2) Problemas existentes
1. El BMS de almacenamiento de energía de China comenzó relativamente tarde, con estándares incompletos y sin una estrategia de control unificada. Aunque existen estándares marco, cada empresa tiene requisitos diferentes para las cajas de alto voltaje y los mazos de cables de almacenamiento de energía, lo que genera altos costos de instalación y puesta en servicio, múltiples fallas y dificultades de operación y mantenimiento de los sistemas de almacenamiento de energía. Los departamentos pertinentes del país están formulando normas relacionadas con la industria, que se espera que regulen aún más la industria de BMS, garanticen la seguridad y la vida útil de las baterías y reduzcan el costo de los sistemas de almacenamiento de energía mediante la estandarización y el escalamiento.
2. Aún es necesario mejorar aún más la confiabilidad de la tecnología de equilibrio activo y reducir aún más el costo. En la actualidad, la estructura del equilibrio activo es compleja y el coste es mucho mayor que el del equilibrio pasivo. Por ejemplo, el método común de equilibrio activo que utiliza transformadores para carga y descarga CC-CC tiene una estructura compleja, y el diseño y control de matrices de interruptores y controladores son difíciles, lo que también limita la integración total de la función de equilibrio activo en circuitos integrados dedicados. Además, las estructuras complejas conducen inevitablemente a circuitos complejos, y el aumento en el costo y la tasa de fallas es inevitable, lo que también limita la promoción del BMS de equilibrio activo.
3. El algoritmo BMS de almacenamiento de energía apenas está comenzando y todavía hay margen de mejora en la estimación del progreso, la convergencia del algoritmo y la solidez. Especialmente el algoritmo de advertencia de batería es muy importante en los sistemas de almacenamiento de energía, pero todavía está casi en blanco en la industria en China. En general, la industria de BMS en el campo del almacenamiento de energía tiene un nivel general bajo, con una variedad de empresas de producción de BMS y una calidad de producto desigual. Algunas empresas no tienen conocimientos suficientes sobre los sistemas de almacenamiento de energía. Esto lleva a que BMS siempre ocupe un lugar destacado en la clasificación de fallos de componentes de todo el sistema de almacenamiento de energía.
5 La tendencia de desarrollo del equilibrio activo BMS en sistemas de almacenamiento de energía
(1) La tecnología de equilibrio activo se convierte en una tendencia de futuro
Con la mejora continua de los requisitos de rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía, las ventajas de la tecnología de equilibrio activo son cada vez más destacadas. Puede mejorar eficazmente la consistencia del paquete de baterías, mejorando así el rendimiento general del sistema de almacenamiento de energía. En aplicaciones prácticas, la tecnología de equilibrio activo puede transferir energía de baterías de alta energía a baterías de baja energía, logrando un equilibrio energético en el paquete de baterías, al igual que cortar las fortalezas y debilidades de las tablas de madera. Esta tecnología no sólo tiene alta eficiencia y bajas pérdidas, sino que también tiene una gran corriente equilibrada y resultados rápidos. Por lo tanto, la tecnología de equilibrio activo se aplicará ampliamente en los sistemas de gestión de baterías de almacenamiento de energía y se convertirá en una tendencia de desarrollo futura.
(2) Localización de componentes clave
El desarrollo de la industria nacional de BMS debe centrarse en la localización de componentes clave. En la actualidad, el BMS de almacenamiento de energía de China comenzó relativamente tarde y los componentes clave dependen de las importaciones, lo que no sólo aumenta los costos sino que también puede enfrentar el riesgo de un suministro inestable. Mejorar las capacidades independientes de investigación y desarrollo y lograr la localización de componentes clave son cruciales para mejorar la competitividad de la industria BMS de China. Por ejemplo, un informe de investigación publicado por China International Capital Corporation (CICC) señaló que existe un gran margen de mejora en la tasa de localización de chips de gestión de baterías y que los fabricantes locales enfrentan importantes oportunidades comerciales. Con el crecimiento del espacio del mercado interno y el aumento de la participación de los fabricantes locales, se espera que los fabricantes locales de chips de gestión de baterías marquen el comienzo de nuevas oportunidades.
(3) Integración mejorada del producto
En el futuro, la combinación de algoritmos de estado de la batería y big data basados en la nube se generalizará, y los algoritmos de inteligencia artificial también se aplicarán ampliamente en BMS. Esto mejorará la confiabilidad y seguridad del sistema. Por ejemplo, la patente para "Convertidor de almacenamiento de energía y sistema de almacenamiento de energía" solicitada por Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. simplifica el diseño, reduce la complejidad y la cantidad de componentes del sistema y reduce significativamente el diseño. Costo y dificultad de integración. Al mismo tiempo, el diseño de la unidad de control permite que el dispositivo asigne energía de manera inteligente, mejorando la eficiencia operativa del sistema de almacenamiento de energía. Con el avance continuo de la tecnología, la integración de productos de BMS seguirá mejorando, brindando un mayor apoyo para el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía.