Á tímum hraðrar þróunar nýrrar orkutækni eru litíum rafhlöður, sem kjarnaorkugeymsluíhlutir, mikið notaðir í rafknúnum ökutækjum, orkugeymslukerfi og neytandi rafeindatækni. Hins vegar koma efnafræðileg einkenni litíum rafhlöður til margra áhættu við notkun, svo sem ofhleðslu, ofdreifingu og hitauppstreymi. Að auki getur ósamræmi meðal einstakra frumna innan rafhlöðupakka haft bein áhrif á heildarafköst og líftíma. Til að takast á við þessar áskoranir hefur rafhlöðustjórnunarkerfið (BMS) komið fram sem lykilatriði til að tryggja örugga og skilvirka notkun litíum rafhlöður. Þessi grein mun kafa í nauðsyn BMS fyrir litíum rafhlöður og kjarnaaðgerðir hennar, frá því að felast í einkennum litíum rafhlöður.
I. Nauðsyn BMS fyrir litíum rafhlöður út frá einkennum þeirra
Efnafræðilegir eiginleikar litíum rafhlöður þurfa að dreifa BMS til að draga úr eðlislægri áhættu. Ofhleðsla getur leitt til úrkomu litíumdendítra á neikvæðu rafskautsyfirborði, hugsanlega stungið aðskilnaðinn og valdið skammhlaupum eða jafnvel sprengingum. Aftur á móti getur ofdreifing leyst upp koparþynnuna á neikvæðu rafskautinu, sem leitt til óafturkræfs afkastagetu. Ennfremur eru litíum rafhlöður mjög viðkvæmar fyrir hitastigi; Hátt hitastig flýtir fyrir niðurbroti raflausnar en lágt hitastig dregur úr flæði litíumjónarinnar, sem hefur áhrif á hleðslu og losun skilvirkni. Ennfremur geta afbrigði í breytum eins og afkastagetu og innri viðnám meðal einstakra frumna innan rafhlöðupakka aukið með tímanum og skapað „tré tunnuáhrif“ þar sem heildarafköstin eru bundin af veikustu frumunni.
BMS kemur í veg fyrir þessa áhættu með því að fylgjast stöðugt með stöðu rafhlöðunnar og aðlaga hleðslu- og losunaraðferðir. Til dæmis, í rafknúnum ökutækjum, tryggir BMS að rafhlöðupakkinn starfar innan ákjósanlegs hitastigs 25 gráðu til 40 gráðu og viðheldur spennumun á milli einstakra frumna innan ± 10MV með jafnvægisstjórnunartækni og lengir þar með líftíma rafhlöðupakka um rúmlega 30%. Gögn benda til þess að litíum rafhlöðupakkar sem eru búnir BMS geti náð yfir 2000 hleðsluhleðslulotum, en þeir sem án BMS geta varað minna en 1000 lotur.
II. Kjarnaaðgerðir BMS
(1) Eftirlit með rafhlöðuástandi
BMS notar skynjara með mikla nákvæmni til að safna stöðugt spennu-, straum- og hitastigsgögnum frá einstökum frumum og nýtir reiknirit til að meta hleðsluástand (SOC) og heilsufar (SOH) rafhlöðunnar. Í rafknúnum ökutækjum, til dæmis, verða BMS að skanna hundruð einstakra frumna innan millisekúndna og viðhalda SOC matsskekkjum innan ± 3% með því að nota reiknirit eins og Kalman síuna. Að auki fylgist BMS með breytingum á innri mótstöðu og kallar fram viðvaranir um heilsufar þegar viðnám eykst um meira en 30% af upphafsgildinu.
(2) Hleðslu- og losunarstýring og öryggisvernd
BMS stjórnar hleðslu- og losunarferlum rafhlöður með því að stjórna liðum og MOSFET rofa. Við hleðslu aðlagar kerfið með því að stilla hleðslustrauminn út frá hitastigi rafhlöðunnar, svo sem að nota 1C hleðsluhraða við 25 gráðu og draga úr því í 0. 5C við 40 gráðu. Þegar uppgötvun spennu er yfir 4,2V eða fellur undir 2,5V í einstökum frumum, sker BMS strax af hringrásinni til að koma í veg fyrir ofhleðslu og ofdreifingu. Ennfremur er kerfið með skammhlaupsvörn, sem er fær um að aftengja gallaðar hringrásir innan 10 smásjársekna til að koma í veg fyrir hitauppstreymi.
(3) hitastjórnun og frumujafnvægi
Varma stjórnun er kjarnahlutverk BMS. Kerfið viðheldur hitastigi rafhlöðupakka innan ákjósanlegs sviðs í gegnum tæki eins og fljótandi kælingarplötur, loftkælingarviftur eða upphitunarmyndir. Til dæmis notar BMS í Tesla líkan 3 serpentine fljótandi kælingarrör hönnun til að stjórna hitamismun innan rafhlöðupakkans að ± 2 gráðu. Frumujafnvægi, náð með annað hvort virkri eða óbeinum aðferðum, tekur á ósamræmi meðal einstakra frumna. Virk jafnvægi notar DC-DC breytir til að flytja orku frá frumum með mikla afkastagetu yfir í litla afkastagetu og ná jafnvægisvirkni sem er meiri en 90%, en aðgerðalaus jafnvægi dreifir umfram orku í gegnum viðnám, sem hentar fyrir kostnaðarnæmar notkun.
(4) Samskipti og samspil gagna
BMS hefur samskipti við stýringar ökutækja, hleðslustöðvar og önnur tæki í gegnum tengi eins og CAN Bus og Rs485. Í rafknúnum ökutækjum greinir BMS grein fyrir stöðu rafhlöðunnar, þar með talið SOC, SOH og hitastigsdreifing, til stjórnunarkerfis ökutækisins á 100 millisekúndum á fresti. Kerfið styður einnig greiningarreglur, kveikir þriggja stigs viðvaranir og takmarkar afköst ökutækja þegar einangrunarviðnám lækkar undir 100Ω\/V. Ítarleg BMS -kerfi bjóða upp á ytri eftirlitsgetu, hlaða gögnum upp á skýjaspalla í gegnum 4G\/5G net til að forspár viðhald.
Iii. Tæknilegar áskoranir og þróun þróun BMS
Þrátt fyrir verulegar framfarir standa BMS tækni enn frammi fyrir mörgum áskorunum. Í fyrsta lagi, að ná fram með mikilli nákvæmni eftirlits krefst jafnvægisnákvæmni og kostnaðar fyrir jafnvægi, svo sem að ná fram sýnishornsáritun 0. 1MV og hitastýringar nákvæmni ± 0. 5 gráðu. Í öðru lagi þarf rauntíma afköst flókinna reiknirita frekari framför, sérstaklega við háhraða hleðslu og losunarsvið, þar sem SOC matsalgrími verða að endurtaka innan 10 millisekúnda. Ennfremur krefjast mismunandi efnafræðilegra einkenna mismunandi litíum rafhlöðutegunda (td NMC, LFP) meiri aðlögunarhæfni frá BMS.
Þegar litið er fram á veginn mun BMS þróast í átt að meiri nákvæmni, upplýsingaöflun og samþættingu. Annars vegar mun samþætting AI reikniritanna auka nákvæmni spárnákvæmni í yfir 95%, til dæmis að nota LSTM taugakerfi til að spá fyrir um rafhlöðu sem eftir er. Aftur á móti verður BMS djúpt samþætt með rafhlöðupakkningum og myndar „Smart Battery“ lausnir sem geta aukið rúmmál orkuþéttleika um 20%. Að auki mun tilkoma þráðlausrar BMS tækni draga úr notkun raflagna, lækka þyngd og kostnað kerfisins og styðja létt hönnun í rafknúnum ökutækjum.
Niðurstaða
Sem „heili“ litíum rafhlöður fjallar BMS kjarnavandamál sem tengjast öryggi, samkvæmni og líftíma með rauntíma eftirliti, nákvæmri stjórnun og greindri stjórnun. Með örri þróun nýja orkuiðnaðarins mun tæknilegt stig BMS hafa bein áhrif á afköst loft rafhlöðukerfa. Í framtíðinni mun greindur uppfærsla BMS og samþætting þess við IoT og Big Data Technologies veita áreiðanlegri tæknilegan stuðning við víðtæka notkun litíum rafhlöður og knýja fram nýju orkubyltinguna á hærra stig.