Программные алгоритмы и стратегии управления для литиевой батареи BMS

В тот момент, когда индустрия новых источников энергии процветает, литийные батареи широко используются в электромобилях.системы хранения энергии и другие области в связи с их преимуществами, такими как высокая плотность энергии и длительный срок службыКак основной компонент системы литийных батарей, программные алгоритмы и стратегии управления напрямую связаны с производительностью, безопасностью и сроком службы литийных батарей.В этой статье будут проведены углубленные обсуждения программных алгоритмов и стратегий управления литийными батареями BMS, и сосредоточиться на внедрении передовых технологий и приложений в промышленности.

1Основные функции и архитектура программного обеспечения литиевой батареи

Основные функции

• Мониторинг состояния батареи:Сбор ключевых параметров в режиме реального времени, таких как напряжение, ток, температура и другие ключевые параметры батареи, обеспечивающие базу данных для последующей оценки состояния и стратегий управления.
• Оценка состояния батареи:Точная оценка состояния зарядки (SOC), состояния здоровья (SOH) и состояния мощности (SOP) батареи является ключом к интеллектуальному управлению батареей BMS.
• Управление балансировкой батареи:С помощью активного или пассивного балансирования обеспечить консистенцию каждой клетки в аккумуляторной батарее и продлить срок службы аккумуляторной батареи.
• Контроль заряда и разряда:В соответствии с требованиями к состоянию и рабочему состоянию батареипроцесс зарядки и разрядки разумно контролируется для предотвращения возникновения аномальных условий, таких как перезарядка и переразрядка..
• Контроль теплового управления:контролировать температуру батареи и принимать соответствующие меры, например, включать охлаждающую или нагревающую пленку вентилятора, чтобы гарантировать, что батарея работает в соответствующем диапазоне температуры;повышение производительности и безопасности батареи.
• Диагностика и защита от ошибок:мониторинг в режиме реального времени рабочего состояния батарейной системы, своевременное выявление и диагностика неисправностей и принятие защитных мер, таких как отключение цепи, сигнализация и т.д.,предотвратить распространение неисправностей и обеспечить безопасность системы.

Архитектура программного обеспечения

• Операционная система в реальном времени (RTOS) или металлические программы:Ответственность за контроль времени и планирование задач, чтобы обеспечить эффективное выполнение функций БМС в режиме реального времени.
• Программное обеспечение на уровне приложений:Внедрение основных функций, таких как оценка состояния батареи, управление зарядом и разрядом и диагностика неисправностей, является ключевой частью системы управления батареями.
• Интерфейс пользователя:Предоставляет визуализацию данных, конфигурацию системных параметров и диагностическую информацию, чтобы упростить пользователям мониторинг и эксплуатацию системы BMS.

2. Алгоритм оценки состояния батареи

Оценка SOC

• Метод интеграции амфибий:рассчитать количество заряда и разряда батареи путем интеграции тока, получая таким образом значение SOC. Этот метод прост и прост в использовании,но на него легко влияют такие факторы, как накопление ошибок текущих датчиков и саморазрядку батареи при длительном использовании, что приводит к увеличению погрешности оценки.
• Метод напряжения открытой цепи:Оценка, основанная на соответствии напряжения открытой цепи аккумулятора и SOC. После того, как аккумулятор оставляется в состоянии ожидания в течение определенного периода времени,напряжение открытой цепи измеряется и сравнивается с заранее установленной кривой напряжения открытой цепи - SOC для получения текущего значения SOC.Этот метод имеет высокую точность, но из-за таких факторов, как температура батареи и старение, кривая напряжения-SOC открытого контура изменится и требуется компенсация.
• Метод фильтрации Калмана:является рекурсивным алгоритмом, основанным на модели пространства состояния, который может объединять информацию из нескольких источников, таких как напряжение батареи, ток, температура и т. д., обновлять оценки SOC в режиме реального времени,и подавлять шум измерений и ошибки моделиОн обладает высокой точностью оценки и сильной способностью к противодействию помехам.но объем вычислений относительно большой и имеет высокие требования к производительности процессораНапример, при обработке нелинейных систем расширенный алгоритм фильтрации Калмана (EKF) оценивает SOC батареи путем линейного приближения,который может контролировать ошибку оценки до менее 5%.

Оценка СОЗ

• Метод испытания мощности:SOH определяется путем выполнения полного цикла зарядки и разрядки батареи и измерения соотношения ее фактической емкости к номинальной емкости.но требует глубокой зарядки и разрядки батареи, что занимает много времени и оказывает определенное влияние на старение батареи.
• Метод испытания внутреннего сопротивления:Внутреннее сопротивление батареи увеличивается с увеличением старения.Этот метод подвержен влиянию таких факторов, как температура и SOC., и всеобъемлющая оценка требуется в сочетании с другими методами.
• Метод распознавания моделей данных:Использовать алгоритмы машинного обучения, такие как искусственные нейронные сети, поддерживающие векторные машины и т. д., чтобы изучать и анализировать исторические данные батареи и данные запуска в режиме реального времени,установить модель состояния батареи, и предсказывать SOH на основе данных входных характеристик. Этот метод может добывать сложные нелинейные отношения в данных батареи, с высокой точностью оценки и адаптивностью,но требует большого количества учебных данных и профессиональных способностей обработки и анализа данных.

3Стратегия управления балансом батареи

Пассивное выравнивание

• Принцип:При подключении резисторов в аккумуляторную батарею избыточная электрическая энергия одной ячейки с более высоким напряжением потребляется в виде тепловой энергии,так что напряжение каждой ячейки, как правило, последовательны.
• Преимущества:Простая схема, низкая стоимость, зрелая технология и высокая надежность.
• Недостатки:Низкий уровень использования энергии, подходит только для процесса зарядки, медленная скорость выравнивания, не подходит для батарей большой емкости.

Активное выравнивание

• Принцип:The energy of a single battery with a higher energy in the battery pack is actively transferred to a single battery with a lower energy through specific circuits (such as bidirectional DC-DC converters, трансформаторы и т. д.) к одной батарее с меньшей энергией для достижения перераспределения энергии и выравнивания.
• Преимущества:Высокий уровень использования энергии, быстрая скорость балансирования, двунаправленная регулировка, подходит для больших емкостей, высоких струнных аккумуляторов,может эффективно улучшить общую производительность и срок службы аккумуляторной батареи.
• Недостатки:Схема сложная, дорогая, а точность управления высока.

Оптимизация стратегии равновесия

• Основываясь на нечетком алгоритме управления:динамически регулировать порог выравнивания и ток выравнивания в соответствии с состоянием аккумуляторной батареи в режиме реального времени, например, с разницей в однократном напряжении и температуре,и отдавать приоритет одиночным батареям с большими разницами напряжения для повышения эффективности выравнивания и снижения потерь энергии.
• На основе генетического алгоритма:путем моделирования биологических эволюционных процессов, оптимизации равновесных путей и параметров,и найти оптимальную стратегию контроля равновесия для достижения лучшего эффекта равновесия и более высокого использования энергии.

4. Стратегия контроля зарядов и разрядов

Стратегия контроля заряда

• Способ зарядки постоянным током и постоянным напряжением:Это наиболее распространенный метод зарядки литийных батарей в настоящее время.Когда напряжение батареи достигает определенного значенияЭтот метод может эффективно повысить эффективность зарядки, сократить время зарядки и избежать перезарядки батареи.
• Метод многоступенчатой зарядки:разделить процесс зарядки на несколько этапов, таких как предварительная зарядка, зарядка постоянного тока, зарядка постоянного напряжения, плавающая зарядка и т.д.В зависимости от состояния и требований к батарее, различные токи и напряжения зарядки используются на разных этапах для дальнейшего повышения эффективности зарядки и производительности батареи и продления срока службы батареи.
• Интеллектуальная стратегия зарядкиДинамически регулируйте ток и напряжение зарядки на основе оценки состояния батареи и данных мониторинга в режиме реального времени.кривая зарядки оптимизирована, достигается персонализированная зарядка, а безопасность и эффективность зарядки улучшаются.

Стратегия контроля выбросов

• Защита от перенапряжения:Когда напряжение одной батареи ниже установленного порога перезарядки,отключить схему разряда вовремя, чтобы предотвратить глубокое разряжение батареи и избежать необратимого повреждения батареиНапример, порог перезарядки литий-железофосфатных аккумуляторов обычно составляет около 2,5 В, а порог перезарядки литий-тернарийных аккумуляторов - около 2,8 В.
• Предел мощности и динамическая регулировка:ограничить мощность разряда в соответствии с требованиями состояния батареи и условий работы, чтобы избежать перегрузки батареи.мощность разряда может быть динамически регулирована в зависимости от таких факторов, как состояние движения транспортного средства, SOC и температуру аккумулятора, чтобы обеспечить безопасную работу аккумулятора и в то же время улучшить производительность и дальность действия транспортного средства.
• Управление выравниванием разряда:Во время процесса разряда в сочетании с управлением выравниванием батареи на одних элементах с низким напряжением выполняются соответствующие регулировки выравнивания,так что аккумуляторная батарея сохраняет хорошую консистенцию во время процесса разряда, и улучшить общую производительность разряда и срок службы аккумуляторной батареи.

5Стратегия управления теплоснабжением

Наблюдение за температурой и раннее предупреждение

• Многоточечный мониторинг:Установка нескольких датчиков температуры в ключевых местах аккумуляторной батареи для мониторинга распределения температуры аккумулятора в реальном времени.тепловое состояние аккумуляторной батареи может быть более точно понято, обеспечивая основу для управления и управления тепловой энергией.
• Предупреждение о температуре:Установка температурного предупредительного порога. Когда температура батареи превышает диапазон предупреждения, вовремя будет выпущен сигнал тревоги, напоминающий системе о принятии соответствующих мер.когда температура батареи достигает 45°C, предупреждение о высокой температуре; когда температура опускается ниже 0°C, предупреждение о низкой температуре

Стратегия контроля рассеивания тепла

• Воздушно-охлаждаемая рассеивание тепла:Используйте вентиляторы и другое оборудование, чтобы ускорить поток воздуха вокруг аккумулятора, убирая тепло, генерируемое аккумулятором.динамическое регулирование интенсивности рассеивания тепла в соответствии с такими факторами, как температура батареи и мощность разряда, чтобы гарантировать, что температура батареи находится в разумном диапазонеНапример, когда электромобиль едет на высокой скорости или когда батарея разряжается на высокой мощности, скорость вентилятора увеличивается и эффект рассеивания тепла усиливается.
• Теплоотведение с жидкостным охлаждением:Для высокопроизводительных и емкостных систем аккумуляторов используется теплораспределение с жидкостным охлаждением.Теплоотведение с жидкостным охлаждением имеет преимущества высокой эффективности теплоотведения и высокой точности контроля температуры, что может эффективно уменьшить температурный градиент аккумуляторной батареи и улучшить производительность и срок службы аккумулятора.

Стратегии управления отоплением

• Низкотемпературный предварительный нагрев:В условиях низкой температуры, когда температура аккумулятора опускается ниже определенного значения (например, 0°C), включите нагревательное устройство, такое как нагревательная пленка или нагреватель PTC.для предварительного нагрева аккумулятора и повышения его температуры до подходящего рабочего диапазонаВо время предварительного нагрева необходимо контролировать мощность и время нагрева, чтобы избежать повреждения батареи из-за чрезмерного нагрева.
• Контроль выравнивания температуры:В процессе нагрева температура каждой ячейки в аккумуляторном комплекте повышается равномерно с помощью разумной стратегии управления, чтобы избежать локального перегрева или чрезмерной разницы температуры.Например,, зональное регулирование нагрева используется для регулирования мощности нагрева в соответствии с температурой каждой области для достижения равномерного распределения температуры аккумуляторной батареи.

6. Диагностика ошибок и стратегии защиты

Алгоритм диагностики ошибок

• Диагностика по правилам:сформулировать ряд диагностических правил, основанных на ненормальных характеристиках напряжения, тока, температуры и других параметров батареи.Когда контролируемые параметры превышают установленный диапазон безопасности или имеются мутацииНапример, когда напряжение батареи внезапно падает до нуля,считается, что может произойти сбой короткой цепи.
• Статистический метод:Использование исторических данных и статистических моделей для анализа меняющихся тенденций и корреляций параметров батареи.вариация, коэффициент корреляции и т. д., ухудшение производительности батареи и потенциальные сбои обнаруживаются своевременно.когда внутреннее сопротивление батареи постепенно увеличивается и превышает определенный порог, предполагается, что аккумулятор может потерпеть отказ от старения.
• Методы машинного обучения:обучение моделей машинного обучения, таких как вспомогательные векторные машины, случайные леса, нейронные сети и т.д., для выявления нормальных и ненормальных моделей поведения батареи.Вводя большое количество данных о работе батареи, модель может изучать характеристики и модели поведения батареи, тем самым достигая автоматической диагностики и раннего предупреждения о сбоях.Методы машинного обучения обладают высокой точностью диагностики и адаптивностью, но требуют большого количества данных о обучении и профессиональной модели обучения технологии.

Меры защиты от неисправностей

• Отключить цепь:Когда диагностируются серьезные неисправности, такие как короткое замыкание, перезарядка, переразрядка и т. д.,отключить схему зарядки и разрядки батареи вовремя, чтобы предотвратить расширение неисправности и защитить безопасность батареи и системыНапример, быстро отключить цепь, управляя включением и выключением MOSFET или реле.
• Сигнализация и сигнализация об отказе:В случае сбоя звуковой и световой сигнал тревоги напоминает пользователю или системному администратору о необходимости обратить внимание.тип неисправности и соответствующая информация отображаются через индикатор неисправности или экран, что облегчает устранение неполадок и обработку.
• Ошибка изоляции:В больших системах аккумуляторов, таких как системы хранения энергии, когда модуль или кластер аккумулятора выходит из строя, неисправная часть изолируется от всей системы через выключатели постоянного тока,предохранители и другое оборудование для предотвращения распространения неисправности и обеспечения нормальной работы системы.

7Стратегия управления коммуникацией

Выбор протокола связи

• Протокол шины CAN:обладает преимуществами высокоскоростной связи, низкого уровня ошибок и поддержки многоузловых соединений.системы хранения энергии и другие областиCAN-автобус может обеспечить эффективную связь между BMS и контроллерами транспортных средств, зарядными устройствами, инверторами и другими устройствами, обеспечивая точность и надежность передачи данных.
• Протокол RS-485:подходит для связи на большие расстояния, обладает характеристиками сильной способности к противодействию помехам и большим количеством подключенных узлов,и часто используется для мониторинга и управления крупномасштабными системами хранения энергииС помощью шины RS-485 можно подключить несколько рабочих блоков BMS к мастер-единицам для достижения централизованного мониторинга и управления.
• Протокол беспроводной связи:такие как Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee и т. д., которые могут использоваться для беспроводной связи между BMS и мобильными устройствами, хост-компьютерами и т. д.Метод беспроводной связи имеет преимущества простоты установки и высокой гибкости, что позволяет пользователям контролировать состояние батареи и настраивать параметры в режиме реального времени.

Управление данными и оптимизация передачи

• Получение и обработка данных:Разумно спроектировать частоту и точность сбора данных и собирать данные ключевых параметров в соответствии со состоянием и требованиями к применению батареи.калиброванный, слияния и другой обработки для повышения точности и надежности данных и обеспечения высококачественной поддержки данных для последующих государственных стратегий оценки и контроля.
• Оптимизация передачи данных:использует технологии сжатия и упаковки данных для сокращения объема передачи данных и повышения эффективности передачи.оптимизировать структуру коммуникационных данных для обеспечения целостности и реальности передачи данных;Например, в CAN-автобусной связи идентификатор и длина фрейма данных распределяются разумно, чтобы избежать конфликтов данных и задержек передачи.

8Практические применения и отраслевые тенденции

Примеры практического применения

• Электрическое транспортное средство:В проекте электромобилей используется метод оценки SOC, основанный на расширенном алгоритме фильтрации Kalman,в сочетании с многоступенчатой стратегией управления зарядом и пассивным управлением выравниванием, для достижения высокоточной оценки состояния и эффективного управления батареей.Система BMS может динамически регулировать ток и напряжение зарядки в соответствии со состоянием батареи и потребностями вождения транспортного средства, оптимизировать процесс зарядки и разрядки аккумулятора и улучшить дальность движения автомобиля и срок службы аккумулятора.через связь с шиной CAN контроллера транспортного средства, информация о состоянии батареи передается в режиме реального времени для обеспечения безопасной работы транспортного средства.
• Система хранения энергии:В крупной электростанции хранения энергии используется распределенная архитектура BMS в сочетании с технологией активного выравнивания и стратегиями управления тепловой энергией, основанными на нечетких алгоритмах управления,для достижения эффективного управления и контроля крупномасштабных литийных аккумуляторовСистема BMS обеспечивает равномерность температуры и безопасность аккумулятора во время зарядки и разрядки с помощью многоточечного мониторинга температуры и интеллектуального контроля рассеивания тепла.В то же время, с использованием технологии беспроводной связи осуществляется передача данных и дистанционный мониторинг системы хранения энергии и центра дистанционного мониторинга,который облегчает мониторинг и управление рабочим состоянием системы хранения энергии в режиме реального времени, и повышает надежность и устойчивость системы хранения энергии.

Тенденции в отрасли

• Интеллектуальное и адаптивное управление:Будущие литийные батареи BMS будут более интеллектуальными и обладать адаптивными возможностями управления.BMS может узнать характеристики батареи и условия работы в режиме реального времени, автоматически корректировать стратегии управления и параметры алгоритма, реализовать более точную оценку состояния и более оптимизированный контроль управления,и улучшить производительность и срок службы системы батарей.
• Высокая точность и высокая надежность:Поскольку масштабы применения литийных батарей в электромобилях, хранении энергии и других областях продолжают расширяться, требования к точности и надежности BMS также растут.BMS будет использовать более продвинутые технологии датчиков, алгоритмы обработки сигналов и методы диагностики неисправностей для улучшения точности мониторинга и оценки состояния батареи,При этом укрепляется конструкция надежности и избыточная конструкция системы для обеспечения стабильной работы BMS в различных суровых условиях эксплуатации..
• Интеграция и модульность: В целях сокращения затрат и улучшения масштабируемости и устойчивости системы литиевые батареи BMS будут переходить к интеграции и модульности.Аппаратные и программные функции BMS спроектированы модульно, чтобы облегчить гибкую комбинацию и расширение в соответствии с различными сценариями применения и конфигурацией батареи.В то же время BMS глубоко интегрирован с аккумуляторными батареями, инверторами, зарядными устройствами и другим оборудованием, чтобы сформировать более компактную и эффективную систему управления энергией.
• Интеграция с другими технологиями:Литийная батарея BMS будет глубоко интегрирована с такими технологиями, как Интернет вещей, большие данные и облачные вычисления для реализации удаленного мониторинга,Интеллектуальное управление и анализ данных систем батарейС помощью технологии IoT BMS может загружать данные батареи в реальном времени на облачную платформу, реализуя удаленный мониторинг и предупреждение о неисправности системы батареи.Использование технологий больших данных и облачных вычислений, большое количество данных о работе батареи анализируется и извлекается, обеспечивая поддержку данных для управления состоянием батареи, оптимизации производительности и прогнозирования срока службы,и содействие непрерывному развитию и прогрессу технологии литийных батарей.

Таким образом, программные алгоритмы и стратегии управления литийными батареями BMS являются ключом к обеспечению безопасной и эффективной работы литийных батарей.Постоянно оптимизируя алгоритмы оценки состояния батареи, стратегии сбалансированного управления, стратегии управления зарядом и разрядом, стратегии управления тепловым управлением, стратегии диагностики и защиты от неисправностей и стратегии управления связью,производительность, может быть улучшен срок службы и надежность литиевых батарей и может быть удовлетворен растущий спрос новой энергетической отрасли на системы литиевых батарей.с непрерывными инновациями и прогрессом технологий, литийные батареи BMS сделают большие прорывы в области интеллекта, высокой точности, высокой надежности, интеграции и т. д.,обеспечить более активную поддержку развития индустрии литийных батарей, содействовать устойчивому развитию новой энергетической отрасли и содействовать глобальному процессу трансформации энергетики и устойчивого развития.

Видео нашего PCB&PCBA на YouTube