Li-Ionen-Batterien werden für verschiedene Anwendungen weit verbreitet eingesetzt. Die Materialchemie von Li-Ionen kann Überladung, Tiefentladung, Überstrom, Kurzschluss und extrem hohe Temperaturen nicht standhalten. Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere XNUMX-Zellen bei individuellen Lithium-Ionen-Batteriepacks zunimmt., benötigen ein BMS (Batteriemanagementsystem), um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten. Das Batteriemanagementsystem ist das Gehirn der Lithium-Batterie und meldet den Status und den Gesundheitszustand der Batterie. Lassen Sie uns dies anhand dieses Artikels besser verstehen.
Was ist ein BMS-System?
Das BMS (Batterie-Management-System) dient als Schutzkomponente für den Stromkreis der Batterie. Es überwacht und regelt kontinuierlich Spannung und Strom und sorgt so für optimale Leistung und Sicherheit.
Die Hauptkomponente des Batterie-BMS:
- PCB Es gibt drei normale PCB-Platinentypen: Einzelplatine, doppelseitige Platine und Vierschichtplatine.
- Das beste Batteriemanagementsystem (BMS) für Lithiumbatterien muss Folgendes berücksichtigen: ICs bekannter Marken die den Preis und die Qualität bestimmen.
- Mosfet fungiert als Schalter im Stromkreis. Der Einschaltwiderstand des MOSFET beeinflusst jedoch die Batterieleistung. Hochwertige Mosfets haben einen kleineren Einschaltwiderstand, was dazu führt, dass der Li-Ionen-Akku einen kleineren Einschaltwiderstand und eine stärkere Last aufweist. Außerdem haben hochwertige Mosfets einen geringen Stromverbrauch.
- NTC misst die Seitentemperatur des Li-Ionen-Akkus.
BMS-Topologie
Die drei wichtigsten Topologietypen sind zentralisierte, verteilte und modulare BMS-Topologien. Die Topologie des Batteriemanagementsystems spielt eine Schlüsselrolle bei der Überwachung, Steuerung und Wartung von Batteriepacks.
Zentralisierte BMS-Topologie
In der zentralisierten BMS-Topologie enthält eine einzelne BMS-Leiterplatte (PCB) eine Steuereinheit, die alle Batteriezellen über mehrere Kommunikationskanäle überwacht. Dieses Design führt zu einem größeren, weniger flexiblen BMS. Seine Kosteneffizienz und Einfachheit machen es jedoch beliebt für Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch wie E-Bikes, IoT-Geräte und Elektrowerkzeuge.
Verteilte BMS-Topologie
Die verteilte BMS-Architektur stattet jedes Batteriemodul mit einer unabhängigen Steuerplatine aus. Alle Module sind über CAN mit dem zentralen Master-Controller verbunden, um Daten und Befehle zu übertragen.
Der Vorteil dieser Architektur liegt in ihrer hohen Zuverlässigkeit. Jedes Modul verfügt über eine Überwachungsfunktion, und der Ausfall eines einzelnen Moduls wirkt sich nicht auf andere Module aus. Sie ist stark skalierbar und kann durch Hinzufügen und Entfernen von Modulen in der Systemgröße angepasst werden. Dadurch eignet sie sich für Elektrofahrzeuge und Elektroschiffe. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass mehrere Hardwareeinheiten und Kommunikationsnetzwerke verwaltet werden müssen, was das System komplex und kostspielig macht.
Modulare BMS-Topologie
In der modularen BMS-Topologie werden mehrere Slave-Steuergeräte auf der Modulplatine eingesetzt, die jeweils Spannung und Temperatur eines bestimmten Batteriemoduls überwachen. Diese Steuergeräte sind über CAN mit dem Hauptsteuergerät verbunden, das in die Master-Steuerplatine integriert ist und für die Datenintegration zuständig ist.
Die modulare BMS-Topologie ermöglicht flexible Erweiterungen, die Kommunikationssteuerung ist jedoch komplexer, was sie zur idealen Wahl für die Energiespeicherung in Containern macht. Gleichzeitig kann die einfache Wartung die höheren Integrationskosten kompensieren.
Die folgende Tabelle zeigt die Beschreibung, Vor- und Nachteile sowie Anwendungen der drei Topologien:
| Topologie | Beschreibung | Vorteile | Nachteile | Anwendung |
| Zentralisiert | Eine einzelne Steuereinheit überwacht und steuert den gesamten Batteriepack | Einfach, leicht zu implementieren | Weniger zuverlässig, umfangreiche Verkabelung | Elektrowerkzeuge, intelligente Roboter, IOT Smart Home, elektrische Gabelstapler, Elektrofahrräder, elektrische Golfwagen. |
| Verteilt | Jeder Batteriepack hat seine eigene BMS-Platine | Zuverlässiger, skalierbar | Komplexer, teurer | Elektrofahrzeuge, Boote, etc. |
| Modular | Batteriegruppen werden mit individuellem BMS in Module unterteilt | Flexibel, skalierbar | Komplexer, erfordert Kommunikation | Container-Energiespeichersystem (EMS), Energiespeicherkraftwerk, etc. |
Batterie-Zellenausgleichstechnologie
Die Batterie-Zellenausgleichstechnologie gleicht den Ladezustand (SOC) aller Batterien in einem Multizellen-Batteriepack aus. Diese Technologie verlängert die Lebensdauer des Batteriepacks und gewährleistet einen sicheren Betrieb. Passiver und aktiver Ausgleich sind zwei gängige Verfahren zum Zellenausgleich.
Passiver Batterieausgleich
Er wird auch als energiedissipativer Ausgleich bezeichnet und gibt die überschüssige Energie in Hochkapazitätsbatterien durch Wärmeabgabe über Widerstände frei. Wenn eine Zelle während des Ladens vor anderen den Vollstand erreicht, dissipiert diese Methode überschüssige Energie über Widerstände, um eine Überladung zu verhindern. Die Vorteile des passiven Batterieausgleichs sind eine einfache Schaltungsarchitektur und niedrige Kosten. Er leidet jedoch unter einem geringen Energieeffizienzgrad und setzt das Batterie-Thermomanagement stärker unter Druck.
Aktiver Batterieausgleich
Er wird als Energieübertragungsausgleich bezeichnet. Der aktive Ausgleich ist flexibler. Beim Laden überträgt der aktive Ausgleich überschüssige Energie an die Batterie mit geringerer Kapazität. Beim Entladen überträgt er überschüssige Energie an die Batterie mit höherer Kapazität. Im Vergleich zum passiven Ausgleich ist der aktive Ausgleich energieeffizienter, aber die Schaltungsdesignkosten sind ebenfalls höher.
Batterie-Thermomanagementsystem
Batterie-Thermomanagementsysteme (BTMS) spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des optimalen Betriebstemperaturbereichs von Batterien, insbesondere in Elektrofahrzeugen. Sie gewährleisten die Sicherheit, Effizienz und Lebensdauer der Batterie. Diese Systeme sind Teil des Batteriemanagementsystems (BMS) und sollen die Kühlung und Heizung des Batteriepacks steuern. Der Hauptbetriebsablauf umfasst:
1.Temperaturüberwachung
Mehrere Temperatursensoren werden im Batteriepack eingesetzt, um die Batterietemperatur in Echtzeit zu überwachen. Diese Sensoren übertragen die gesammelten Temperaturdaten an die Batteriemanagementeinheit (BMU).
2.Datenverarbeitung und -steuerung
Die BMU empfängt die Temperaturdaten und führt eine Analyse und Verarbeitung durch. Sie entwickelt eine Thermomanagementstrategie basierend auf Batterietemperatur, Lade- und Entladestatus.
3.Umsetzung der Thermomanagementstrategie
- Luftkühlungsstrategie: CAN überträgt die Hochtemperaturdaten von der BMU an das BMS, das Luftkühlungsgeräte wie Lüfter aktiviert, um den Luftstrom zu erhöhen und Wärme abzuleiten. Die Kühleffizienz wird durch Steuerung der Lüftergeschwindigkeit und Gestaltung der Luftkanäle optimiert.
- Flüssigkeitskühlungsstrategie: Ein zirkulierendes Kühlmittel absorbiert Wärme über Kühlplatten, die an den Batteriemodulen angebracht sind. Das erhitzte Kühlmittel überträgt die Wärme dann über Kühler nach außen. Die Kühlmitteldurchflussrate wird basierend auf der Echtzeit-Temperaturüberwachung der Batterie angepasst.
- Thermische Isolierung und Angleichung: Thermische Isoliermaterialien werden verwendet, um Wärme zwischen den Modulen zu isolieren und so ein thermisches Durchgehen durch Wärmeübertragung zu verhindern. Die Technologie des thermischen Abgleichs kann den Temperaturunterschied zwischen den Zellen minimieren und so eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Batteriepack gewährleisten.
4.Warnung und Schutz
Wenn die Batterietemperatur den Sicherheitsbereich überschreitet, gibt das BMS ein Warnsignal aus, um den Ingenieur zu alarmieren. In extremen Fällen aktiviert das BMS den Notfallschutzmodus, z. B. die Deaktivierung der Lade-/Entladefunktionen der Batterie.
Wie funktioniert ein BMS?
Aktivieren des BMS
Wenn das BMS an P+ und P- im Schutzzustand keine Ausgabe hat. Sie können das BMS aktivieren, indem Sie B+ und B- kurzschließen. Dout und Cout befinden sich auf niedrigem Pegel (die beiden Schutzanschlüsse sind hochpegelgeschützt). Der Zustand unterstützt das Öffnen der Schalter.
Laden
P+ und P- sind mit dem Plus- und Minuspol des Ladegeräts verbunden. Der Ladestrom fließt durch den MOS, um die Batterie zu laden. VDD und VSS des Schutz-ICs sind der Spannungsversorgungsanschluss und der Zellenspannungs-Erkennungsanschluss. Die Spannung der Batteriezelle steigt weiter an. Wenn sie auf die Schutzspannung der Batteriezelle (Überladeschutzspannung) ansteigt, gibt COUT zu diesem Zeitpunkt einen hohen Pegel aus, um den entsprechenden MOS-Schalter auszuschalten, und der Ladekreis wird ebenfalls unterbrochen. Nach dem Überladeschutz sinkt die Zellenspannung. Wenn sie auf die IC-Spannungsschwelle (Überladeschutz-Wiederherstellungsspannung) fällt, kehrt Cout in einen niedrigen Pegelzustand zurück und schaltet den MOS-Transistor ein.
Entladen
VDD und VSS des ICs erkennen auch die Batteriespannung, wenn die Batterie entladen wird. Wenn die Zellenspannung unter die IC-Schwelle (Tiefentladeschutzspannung) fällt, gibt Dout einen hohen Pegel aus, um den entsprechenden MOS-Transistor auszuschalten. Der Entladestromkreis wird unterbrochen. Nach dem Tiefentladeschutz steigt die Zellenspannung an. Wenn sie auf die Schwellenspannung (Tiefentladeschutz-Wiederherstellungsspannung) ansteigt, kehrt Dout auf einen niedrigen Pegel zurück und schaltet den MOS-Schalter ein.
Überstrom und Kurzschluss
Wenn der Entladestrom zu groß wird, verursacht der Innenwiderstand des MOSFET (in Sättigungsleitung) einen Spannungsabfall an seinen Anschlüssen – von B- nach P-. Der Schutz-IC überwacht diese Spannung über die Pins V- und VSS über den Widerstand R2. Sobald die Spannung den Überstrom-Erkennungsschwellwert (typischerweise 0.15 V) erreicht, löst der IC eine Reaktion aus: Dout gibt ein hohes Signal aus, schaltet den MOSFET aus und unterbricht sofort den Entladestromkreis, um Schäden zu verhindern.
NTC-Arbeitsprozess
Die Batterie arbeitet ohne Überschreitung, Überstrom und Tiefentladung. Die Temperatur der Batterie steigt jedoch aufgrund langer Betriebsstunden an, und der NTC wird nahe der Batteriezelle platziert, um die Batterietemperatur zu überwachen. Mit steigender Temperatur wird der Widerstand des NTC zunehmen. Wenn der Widerstand auf den eingestellten Wert fällt, gibt die CPU einen Abschaltbefehl aus, um das Laden der Batterie zu stoppen und so die Batterie zu schützen.
Ein BMS verfügt über Überlade-, Entlade-, Kurzschluss- und Temperaturschutz.
Der Unterschied zwischen intelligentem Batteriemanagementsystem und Hardware-Batteriemanagementsystem
Die Technologie von Hardware-BMS ist stabiler als die von intelligenten Batteriemanagementsystemen. Der Softwareentwickler programmiert das Hardware-BMS, das den Zustand des Batteriepacks verwaltet oder überwacht. Das BMS ist das Gehirn der Lithium-Ionen-Batterie. Wir sind nicht nur gut im Design und der Entwicklung des BMS, sondern auch in der Risikobewertung. Das Batteriemanagementsystem verwaltet die Leistung der Li-Ionen-Batterie. Das intelligente BMS verfügt über die Kommunikationsprotokolle UART, I2C, CANBUS, RS232 und RS485. Das intelligente BMS ist sicherer und intelligenter als das Hardware-BMS.
Das CMB Engineering-Team strebt stets nach zuverlässiger und hervorragender Leistung bei wiederaufladbaren Li-Ionen-Batteriepacks und BMS.
Die Hauptfunktionen des Batteriemanagementsystems
Überladeschutz
Überladeschutz bedeutet, dass während des Ladevorgangs von Lithium-Batterien, wenn die Spannung über einen angemessenen Bereich ansteigt, dies ungewisse Gefahren mit sich bringt. Die Überladeschutzfunktion der Schutzplatine besteht darin, die Spannung des Batteriepacks in Echtzeit zu überwachen. Wenn bis zur Spitze des sicheren Spannungsbereichs geladen wird, unterbricht sie die Stromversorgung, um ein weiteres Ansteigen der Spannung zu verhindern, und spielt so eine Schutzrolle.
Während des Ladens überwacht die Schutzplatine die Spannung jeder Zellenreihe des Batteriepacks in Echtzeit. Sobald eine der Reihen den Überladeschutzwert erreicht (die Standard-Ladespannung beträgt 3.75 V ± 0.05 V), unterbricht die Schutzplatine die Stromversorgung und der gesamte Satz Lithium-Batterien stoppt den Ladevorgang.
Tiefentladeschutz
Tiefentladeschutz bedeutet, dass während des Entladevorgangs von Lithium-Batterien, wenn die Spannung sinkt, wenn der gesamte Strom vollständig entladen ist, die chemischen Materialien im Inneren der Lithium-Batterie ihre Aktivität verlieren, was dazu führt, dass sie nicht geladen werden kann oder ihre Kapazität abnimmt. Die Tiefentladeschutzfunktion der Schutzplatine besteht darin, die Spannung des Batteriepacks in Echtzeit zu überwachen. Wenn die Batteriespannung auf den tiefsten Punkt entladen wird, unterbricht sie die Stromversorgung, um ein weiteres Absinken der Spannung zu verhindern, und spielt so eine Schutzrolle.
Während des Entladens überwacht die Schutzplatine die Spannung jeder Zellenreihe des Batteriepacks in Echtzeit. Sobald eine der Reihen den Tiefentladeschutzwert erreicht (die Standard-Tiefentladespannung für ternär beträgt 2.7 V ± 0.1 V, und die Standard-Tiefentladespannung für Lithium-Eisenphosphat beträgt 2.2 V ± 0.1 V), unterbricht die Schutzplatine die Stromversorgung und der gesamte Satz Lithium-Batterien stoppt die Entladung.
Überstromschutz
Überstromschutz bedeutet, dass wenn die Lithium-Batterie die Last mit Strom versorgt, sich der Strom mit der Änderung von Spannung und Leistung ändert. Wenn der Strom groß ist, kann dies leicht die Schutzplatine, die Batterie oder die Ausrüstung durchbrennen. Die Überstromschutzfunktion der Schutzplatine besteht darin, den Strom des Batteriepacks während der Lade- und Entladeprozesse in Echtzeit zu überwachen. Die Überstromschutzschaltung unterbricht den Stromfluss, wenn der Strom den sicheren Bereich überschreitet, um die Batterie oder die Ausrüstung vor Schäden zu schützen.
Während des Ladens und Entladens überwacht die Schutzplatine den Strom des Batteriepacks in Echtzeit. Sobald der eingestellte Überstromschutzwert erreicht ist, unterbricht die Schutzplatine die Stromversorgung und die gesamte Lithium-Batterie stoppt das Laden und Entladen.
Kurzschlussschutz
Ein Kurzschluss entsteht, wenn der positive und der negative Anschluss einer Batterie direkt ohne jegliche Last verbunden werden. Ein Kurzschluss kann Schäden an der Batterie und den Geräten verursachen.
Wenn die Lithium-Batterie versehentlich einen Kurzschluss verursacht (z. B. falsche Verkabelung, falscher Anschluss, Wassereintritt usw.), unterbricht die Schutzplatine den Stromfluss in sehr kurzer Zeit (0.00025 Sekunden) und spielt so eine Schutzrolle.
Temperaturschutz
Temperaturregelungsschutz: Die Temperaturregelungssonde der Hardware-Schutzplatine ist auf die Hauptplatine im Inneren der Schutzplatine gelötet und kann nicht gesteckt werden. Die Temperaturregelungssonde kann die Temperaturänderung des Batteriepacks oder der Arbeitsumgebung in Echtzeit überwachen. Das Temperaturregelungsschutzsystem des Batteriepacks unterbricht das Laden und Entladen, wenn die Temperatur den eingestellten Wert überschreitet (Standard: Laden -20~55°C, Entladen -40~75°C). Das System wird das Laden und Entladen wieder verbinden, wenn die Temperatur in einen angemessenen Bereich zurückkehrt.
Ausgleichsschutz
Passiver Ausgleich bedeutet, dass wenn es eine Spannungsinkonsistenz zwischen den Batteriereihen gibt, die Schutzplatine die Spannung jeder Reihe während des Ladevorgangs angleicht, so dass sie konsistent wird.
Wenn die Schutzplatine einen Spannungsunterschied zwischen den Lithium-Batteriereihen erkennt. Die Schutzplatine entlädt (verbraucht) etwa 30-35 mA von den Hochspannungsreihen über den Ausgleichswiderstand beim Laden, wenn die Anzahl der Hochspannungsreihen den Ausgleichswert erreicht (LiNiCoMnO2: 4.13 V, LiFePO4: 3.525 V), und die anderen Niederspannungsreihen laden weiter, bis sie voll sind.
Das BMS ist das Herzstück des Batteriepacks. Das Batteriemanagementsystem (BMS) meldet den Zustand und die Leistung des Lithium-Ionen-Batteriepacks. Es ist offensichtlich, dass die elektronische Anforderung klar bestätigt werden muss, um die BMS-Lösung auf die Lithium-Ionen-Batterie abzustimmen. CMB LAB, unser Batteriemanagementsystem-Design bietet eine umfassende Überwachung für kundenspezifische Lithium-Ionen-Batteriepacks, die Zellspannungsverfolgung, Zellenausgleich und detaillierte Gesundheitszustandsanzeigen über App und PC umfasst.
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