《电池管理系统关键技术的概述》论文笔记
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储能电池的研究为可再生新能源的开发和利用提供了时间和空间支持。为了有效利用能源电池,需要特殊的电池管理系统。本文介绍了电池管理系统的功能,组成和开发状态。结合当前的工程应用和研究状况,本文总结了实现其各种功能的方法和方法(国家检测,SOC估计,平衡控制和热量管理),并比较和分析电池管理系统的优势和缺点。最后,电池管理系统的开发趋势被验证。
1.Introduction
随着人类社会对能源消耗的需求不断增长,传统化石能源的剥削和利用带来了一系列的环境和资源消耗问题,促使国家探索和开发可再生的新能源并促进能源改革。尤其是在大规模电力系统的开发之后,由于新能源的开发和利用和促进智能电网的利用,储能技术的研究进入了人们的视野[1]。电化学能源存储被广泛用于电动系统,电动汽车,铁路运输,不间断的电源和其他磁场,因为其能量转换效率很高,方便且灵活的使用且没有地理限制。但是,在大量的单电池串联连接并平行于形成储能系统之后,由于电池的工作特性和单电池的工作特性差异,电池的性能变得更糟,使用寿命为缩短,潜在的安全问题发生[2]。鉴于储能电池的系列连接问题,有必要实时监视电池的工作状态并进行相关管理。因此,产生了电池管理系统(BMS)。通过通过电池管理系统控制电池的工作状态,电池的使用寿命延长,电池的效率得到提高,并降低了系统操作的经济成本,以实现电池组安全操作的目的。
2.General Situation of Battery Management System
电池管理系统是各种电化学能源存储系统的必要设备。它不仅可以优化电池的管理和保护,还可以提高电池的效率,可靠性和安全性。
2.1.Composition and Function
从广义上讲,电池管理系统是一种以某种方式管理和控制电池的设备,可以实现电池检测,电池状态估计,电池性能最大化,电池保护以及对用户和外部设备的反馈[3]。具体而言,它是在电池组中检测每个电池组和电池组的操作状态,并根据收集的状态数据控制电池组,以完成电池组能量平衡,温度控制,安全保护的任务和电荷排放管理。
一般而言,电池管理系统的主要功能是:(1)电荷状态(SOC)估计:电池状态参数是系统感知电池组工作状态并进行相应控制的系统的基础。准确地收集每个电池的电流,电压和工作温度的数据是准确估算电池SOC的前提,也是随时掌握电池性能状态的重要索引。 (2)平衡控制:在实际工作中不能消除单元与单元之间的不一致。随着使用的持续积累,细胞之间的不一致将不断增加,这将影响电池组的整体性能和寿命。因此,在电池充电和放电中,系统应具有均衡的能力,使电池组中的每个电池都达到平衡和一致的状态,并防止电池过度充电和浪费容量。 (3)充电放电管理和安全保护:根据检测到的电池操作状态数据以及充电和放电条件保护电池组,以提高系统安全性。在电池工作中,电池参数是实时收集的,采用合理的故障诊断和保护策略,以防止电池过度充电,过度放电,过度温度和电流。 (4)通信控制:电池管理系统的通信控制不仅体现在确保内部模块之间的实时通信,还可以与高级能源管理控制器和人类计算机界面进行通信,从而有效地提高稳定性和整个系统的安全性。 (5)状态显示:通过人类计算机界面,可以实时监视与电池组相关的信息,并且可以实现与显示部分的通信以显示电池充电和放电状态,显示剩余的显示电源以及当前电池电压,温度,电流和各种故障信息。
2.2.Development Status at Home and Abroad
已经研究了电池管理系统很长时间了,尤其是随着电动汽车的开发,已经开发了许多电池管理系统产品,主要包括通用电动机的EVI电池管理系统,该系统可以串联管理26个单元格在同一时间,实现电池组电流和电池电压的检测,电气警报,电气警报电源关闭保护和其他功能。Badicheq电池管理系统在德国开发实时电池,并实现均衡充电控制,数据通信,数据显示,安全警报等的功能[4]。韩国开发的三星SDI电池管理系统可以监视40个单电池的电压,电流和温度同时,并使用收集的数据以平衡的方式管理电池。此外,由丰田在日本开发的Pruis Hybrid电动汽车的电池管理系统以及由Tesla在美国开发的电动汽车电池管理系统可以实现7000台单电池的管理和控制。
电池管理系统的国内研究开始比较晚,北京交通大学一直致力于研究,并改善了系统功能中的绝缘检测系统,电池分散评估系统,并使用充电器通信来控制安全充电和应用双重Kalman滤波器预测方法在SOC估计中实践。由BYD汽车公司开发的分布式电池管理系统可以收集单电池,电流和总电压的电压,估算SOC,保护安全和管理热量。 Tsinghua University已为EV-6580轻型电动巴士开发了一种特殊的电池管理系统,该系统已实时获取电流,电压,温度和其他参数,并配备了用于电池组的特殊充电控制系统,以控制学位充电和排放,防止收费和排放过度。
在电池管理系统的电池管理系统方面,一些国内机构也进行了相关工作。例如,Energy Technology Co. Ltd.开发的电池存储电站电池管理系统可用于大型,中小型风能和太阳能存储电站。该系统采用三层模块化系统,即电池阵列管理模块(BAU),电池群集管理模块(BCU)和电池组管理模块(BMU)来管理电池。它可以监视电池的电压,温度以及电池群集的充电 /放电电流,并实现多层警报和故障诊断,故障隔离,故障检测,故障检测,故障检测和故障诊断故障恢复以及其他保护措施[5]。总的来说,国内外电池管理系统的研究主要集中在混合动力汽车,纯电动汽车和其他车辆的电源管理上。近年来,随着可再生能源的开发和利用,已经开发了大规模的储能技术,尤其是电化学能源储存的开发,这促进了电池管理系统的研究和开发。
3.Key Technologies of Battery Management System
无论是电池管理系统还是能源储能电池管理系统,研究的关键重点都集中在电池参数检测,SOC估算,健康状况估算,充电管理,平衡控制,热量管理的研究和开发上和故障警告。
3.1.Battery Status Detection
电池状态检测是实现电池管理系统各种功能的基础。仅通过在线监视电池电压,电流和温度,才能准确估算电池SOC,对电池平衡的调节进行合理的控制,并及时实施电池保护。
3.1.1.Voltage measurement
电压测量可以通过电压采集电路和广告转换来实现。常见的测量方法是:电压直接采样方法[6],该方法由线性操作放大器,模拟开关,电压跟随器等组成。该方法具有良好的实时性能和高测量精度,但是电路中存在一些缺陷,例如电阻匹配和泄漏电流,输出电压的计算太复杂了,这适用系列。差异模式测量方法[7],即使用电子组件来登机单个电池进行测量,具有简单结构,低成本和良好性能的优势。集成芯片检测方法[8]使用特殊的集成芯片进行电压测量,例如LTC6803/04,AD7280,ATA6870和其他芯片。这种方法的优点是高集成,小尺寸,高检测准确性,但也具有高成本的不利条件。其他测量方法包括线性光耦合放大器电路采集方法,通用模式测量方法,开关矩阵测量方法等。
3.1.2.Current measurement
霍尔电流传感器,电流变压器和光纤传感器可用于电流测量,也可以使用串联电阻检测和分流检测。HALL电流传感器具有稳定的性能,并且被广泛使用,例如WP050E,ACS712,CSM300B,LT108-S7等。它具有广泛的测量范围和高精度的优势,并且广泛用于工程实践。电流变压器仅适用于交流测量。光纤传感器的应用由于其高经济成本而受到限制。串联电阻方法需要高度的电阻精度,其电路设计也很复杂,并且很容易产生大量测量误差。
3.1.3.Temperature acquisition
温度采集可以通过热敏电阻,热电偶和温度传感器进行测量[9]。热敏电阻法是通过电阻特性,通过电压分隔电路的电阻值变化的电阻值,温度转换为电压信号,然后通过类似物到数字的转换来获取温度数据。该方法的成本较低,但是线性差和测量误差较低的问题。热电偶方法的原理是,双金属体将在不同温度下产生不同的热电电动力,并且可以通过收集电动力的值来获得相应的温度值。该方法具有较高的测量精度,但是热电电动力的信号为毫伏水平,因此需要扩增,外部电路很复杂,因此仅适用于高温测量。集成温度传感器的收集方法越来越多地用于日常生产和生命。通用模型是DS18B20,BQ76930等。这些传感器易于使用,具有高测量精度和数字数量的直接输出,因此它们非常适合在数字系统中使用。
3.2.SOC estimation
为了实时显示电池的剩余容量,有必要准确估计平行电池组的销量。
3.2.1.Open circuit voltage method
根据电池模型的工作特性,开路电压与电池剩余容量之间存在一对一的映射关系[10]。根据这种相应的关系,根据一定的充电和放电速率,可以通过测量开路电压来获得电池的SOC值。此方法简单易于测量。由于电池的内部极化阻力存在,因此需要一段时间内获得电池的开路电压。因此,此方法只能应用于电池建模研究或为Ampere小时集成方法提供粗糙的SOC初始值,这不适合在线实时测量。
3.2.2.Ampere hour integration method
当在一定时间已知电池的容量时,累积电池的充电和电池电量会在下一次获得电池的电荷状态:其中SOC是矩t0; t的SOC是电荷放电时间; n q是电池的额定容量(标准状态下的容量); i(t)是电荷放电电流,电荷为负,为负,放电为正;η(t)库仑效率用于纠正温度,充电率和自排放速率对SOC估计的影响[11]。在实际应用中,此方法相对简单。因为算法是集成的算法目前,它对初始功率估计的准确性有很高的要求,并且存在累积的集成错误,因此需要纠正和引用[12]。修改后的安培小时集成方法,以提高SOC估计的准确性。
3.2.3.Kalman filter method
卡尔曼滤波器理论的核心思想是在最小差异的意义上对电力系统状态进行最佳估计。电池SOC估计基于电池模型的最佳控制算法。电池被视为电源系统。 SOC是系统中的状态变量,以观察电池状态。
系统的输入向量通常包括电池电流,温度,剩余容量和内部电阻。系统的输出是电池的工作电压,电池的SOC包含在系统的状态变量中。卡尔曼过滤器方法不仅可以估计电池的SOC,还可以计算相应的误差。它对初始SOC的要求较低,适用于具有较大电流幅度变化的电动汽车。但是,它对电池模型的准确性有很高的要求,并且很难对电池进行建模,因此不适合非线性电池系统[14]。根据经典的卡尔曼过滤器,学者开发了扩展的卡尔曼滤波器,无知的卡尔曼滤波器,自适应卡尔曼滤波器和其他SOC估计算法。这些算法已广泛用于非线性系统估计中。
3.2.4.Neural network method
神经网络方法使用大量的基本神经元相互联系以形成复杂的计算机网络系统,该系统可以简化和模仿人脑的并行处理,信息存储和学习能力。电池SOC估计是一个非线性动态过程。神经网络可以更好地处理非线性问题。可以通过使用输入层,隐藏层和神经网络输出层之间的关系来预测SOC值。输入数量通常是SOC的影响因素,例如电压,电流,温度等;隐藏层神经元的数量取决于问题模型的复杂性和准确性。输出是SOC价值。神经网络适用于任何电池模型计算,但缺点是准确性受输入数量的选择影响,该输入数量需要大量的样本数据进行训练,并且估计错误受数据和培训方法的影响很大[15]。
3.3.Equilibrium control
在微电网,分布式生成和电动汽车的应用中,储能电池的容量很大,电池组的电压很高。需要串联使用数千个电池来改善电池组的电压和容量。但是,生产过程,材料和使用环境的差异很容易引起电池之间的不一致,主要在以下方面:不同的电压,不同的容量,不同的内部电阻,不同的充电和放电效率[16]。在使用过程中,电池的不一致将导致一些单电池的过度充电和过度充电,这将降低单电池和电池组的性能和使用寿命,甚至会导致安全问题。
通过平衡控制的电池管理系统是改善电池组的整体性能,并延长电池的使用寿命。目前,均衡控制的主要类型包括主动均衡,被动均衡和其他均衡。常用的均衡技术是主动均衡和被动均衡。均等控制有三种可变参数:剩余容量,终端电压和电荷状态[17]。其中,被动均衡也称为能量耗散均衡,它释放了通过与单个细胞的电阻连接,能量高于其他单体。典型的被动均衡控制是分流电阻均衡。该方法的优点是较少的组成部分,低成本,高可靠性和简单控制。但是,电池能量在均衡过程中消耗掉,这导致能源储能系统的能量利用率降低。同时,电阻分流会产生大量的热能,这很容易引起热管理问题。主动均衡,也称为非能量耗散均衡,使用拓扑开关和算法融合将功率从高压电池传递到通过某些介质将功率传递到低压电池,以实现电池组的能量一致性。常用的主动均衡控制方法包括电感类型,电容类型和转换器类型。主动均衡电路结构是复杂的,难以控制,但是它可以减少电力的消耗并降低电池的热量价值,这是当前电池平衡管理研究的重点[18]。
3.4.Thermal management
热管理将检测电池盒和电池的实时温度,并采用主动的加热或冷却方法,使电池在适当的温度范围内的工作原理,以便更好地发挥性能电池。由于电池的工作环境温度太高或太低,因此它将对电池的性能和安全性产生重要影响,当温度太低时,电池活动将降低,可用容量将是减少。当电池在低温和高电流下充电时,将发生热失控的安全事故。因此,能源储能电池系统需要冷却设备,例如风扇或加热设备,例如热阻力,以使电池保持在适当的工作温度下。空气冷却,液体冷却,相变材料冷却,热管冷却和复合冷却可用于电池冷却[19]。可以通过热电阻加热和液体加热来加热电池。在低温环境中,电池可以先充电小电流,然后由电池的化学反应产生的热量自加热,然后在正常模式下充电。
4.Conclusion
总而言之,随着电动汽车行业和大规模储能技术的开发,电池管理系统的研发方向如下:(1)模块化集成。随着大规模储能的发展,对电池数量的需求逐渐增加。改善整合可以有效地减少每个模块的数量,功耗和经济成本[20]。 (2)SOC估计是快速准确的。根据构建高精度电池模型并研究估计算法,有必要提高估计准确性和效率,尤其是估计的在线校正能力[21]。 (3)平衡控制将在主动平衡方向发展,并不断提高平衡电流和效率。同时,应使用智能算法和大数据存储来整合平衡控制策略中的电压平衡和容量平衡,以使平衡更加准确和高效。