1 Cân bằng hoạt động BMS là gì
Cân bằng chủ động BMS là phương pháp truyền năng lượng từ từng ô có dung lượng cao hơn sang từng ô có dung lượng thấp hơn thông qua truyền năng lượng, từ đó đạt được tính nhất quán trong bộ pin và cải thiện hiệu suất của hệ thống lưu trữ năng lượng.
Cân bằng chủ động BMS khác với cân bằng thụ động. Cân bằng thụ động thường xả năng lượng của pin điện áp cao thông qua các điện trở để duy trì trạng thái cân bằng với năng lượng của pin điện áp thấp. Phương pháp này có nhược điểm như hiệu quả sử dụng năng lượng thấp, tản nhiệt, dòng cân bằng thấp và hiệu quả chậm. Mặt khác, cân bằng chủ động là quá trình chuyển năng lượng từ pin năng lượng cao sang pin năng lượng thấp, giống như việc cắt bỏ những điểm mạnh và điểm yếu của một tấm ván gỗ.
Hiện nay, có nhiều giải pháp cân bằng chủ động khác nhau, ngoại trừ giải pháp tụ Fit chưa trở thành xu hướng do số lượng dây áp dụng ít và hạn chế trong quá trình truyền tải, còn có các giải pháp máy biến áp và chip chuyển đổi DCDC dành riêng cho pin do các nhà sản xuất chất bán dẫn thiết kế. đã được giới thiệu ra thị trường. Lợi ích của cân bằng chủ động là rõ ràng, hiệu suất, truyền năng lượng cao, chỉ tổn thất cuộn dây máy biến áp, chiếm tỷ lệ nhỏ; Dòng điện cân bằng có thể được thiết kế lớn, đạt vài ampe hoặc thậm chí mức 10A và hiệu quả cân bằng nhanh chóng.
Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chủ động cũng mang lại những vấn đề mới. Thứ nhất, cấu trúc phức tạp, đặc biệt là trong sơ đồ máy biến áp, nơi việc thiết kế và điều khiển ma trận chuyển mạch và bộ điều khiển là một thách thức. Đây cũng là lý do tại sao chức năng cân bằng chủ động không thể tích hợp hoàn toàn vào các IC chuyên dụng. Thứ hai, đó là vấn đề chi phí. Các cấu trúc phức tạp chắc chắn sẽ dẫn đến các mạch phức tạp, đồng thời không thể tránh khỏi việc tăng chi phí và tỷ lệ hỏng hóc, điều này cũng hạn chế việc thúc đẩy BMS cân bằng chủ động.
Đối với BMS, ngoài chức năng cân bằng, chiến lược cân bằng cơ bản còn quan trọng hơn. Khi sự khác biệt về tính nhất quán của các tế bào pin nằm trong một phạm vi nhất định, dung lượng và điện áp của pin có mối tương quan dương; Nhưng khi tính nhất quán của pin không còn tốt, tức là khi pin ở trạng thái bị hỏng, mối tương quan giữa nguồn điện và điện áp không quá mạnh và không thể đánh giá cơ sở cân bằng chỉ dựa trên dữ liệu điện áp. Nếu pin không nhận biết được hư hỏng dưới mức tới hạn mà vẫn duy trì cân bằng điện áp, điều đó thực sự có thể gây hư hỏng cho pin, đặc biệt là ở cân bằng chủ động, trong đó thiệt hại do dòng điện cao gây ra lớn hơn ở cân bằng thụ động.
Cân bằng chủ động phù hợp với các ứng dụng gói pin lithium loại công suất lớn và số lượng chuỗi cao, trong khi cân bằng thụ động phù hợp với các ứng dụng gói pin lithium dung lượng nhỏ và số lượng chuỗi thấp. Độ ổn định của pin của Tesla rất tốt và khả năng cân bằng thụ động là đủ. Tuy nhiên, ở Trung Quốc, vẫn còn chỗ để cải thiện nguyên liệu thô và quy trình sản xuất pin, đồng thời mức độ phân tán về tính nhất quán của pin là tương đối lớn. Cân bằng chủ động sẽ phù hợp hơn cho việc sử dụng các bộ pin lithium loại năng lượng.
2 Vai trò của cân bằng chủ động BMS trong hệ thống tích trữ năng lượng
(1) Nâng cao hiệu suất tổng thể của bộ pin
1. Giảm bớt sự mất cân bằng năng lượng do các ô riêng lẻ không nhất quán trong bộ pin gây ra, đồng thời cải thiện công suất và hiệu suất năng lượng tổng thể của bộ pin.
Trong các hệ thống lưu trữ năng lượng, do sự khác biệt về nguyên liệu và quy trình sản xuất, cũng như sự khác biệt về môi trường sử dụng và mức độ lão hóa nên có sự khác biệt nhất định về đặc tính hóa học và điện giữa từng tế bào, biểu hiện là sự không nhất quán về công suất, điện trở trong DC, hở mạch. điện áp mạch, trạng thái sạc (SOC) và các khía cạnh khác. Sự không nhất quán này có thể dẫn đến dung lượng pin không đồng đều giữa các ô riêng lẻ trong bộ pin, ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất năng lượng tổng thể của bộ pin. BMS tích cực cân bằng việc truyền năng lượng từ từng ô có dung lượng cao hơn sang từng ô có dung lượng thấp hơn thông qua truyền năng lượng, từ đó giảm bớt hiện tượng mất cân bằng điện năng này và cải thiện công suất cũng như hiệu suất năng lượng tổng thể của bộ pin.
Ví dụ, máy biến áp được sử dụng rộng rãi trong cân bằng chủ động để cân bằng sự phân bổ năng lượng trong bộ pin thông qua chiến lược cân bằng trên và dưới. Ngoài ra còn có các phương pháp cân bằng dựa trên các thành phần lưu trữ năng lượng như tụ điện và cuộn cảm hoặc dựa trên bộ chuyển đổi DC-DC. Các phương pháp cân bằng không tiêu tốn năng lượng này chủ yếu truyền năng lượng giữa các ô riêng lẻ hoặc giữa các ô riêng lẻ và toàn bộ bộ pin thông qua tụ điện, cuộn cảm hoặc bộ chuyển đổi DC-DC. So với các cấu trúc cân bằng tiêu thụ năng lượng, chúng phức tạp hơn nhưng có hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn, truyền năng lượng linh hoạt và có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của bộ pin một cách hiệu quả.
2. Bằng cách phát hiện trạng thái của từng ô riêng lẻ trong bộ pin, sử dụng các phương pháp cân bằng để duy trì điện áp hoặc trạng thái sạc giữa các ô riêng lẻ trong một phạm vi nhất định.
Hệ thống cân bằng chủ động BMS đánh giá trạng thái hoạt động của pin bằng cách liên tục theo dõi các thông số chính như điện áp, dòng điện, nhiệt độ của từng cell pin. Khi phát hiện sự khác biệt về điện áp hoặc trạng thái sạc giữa các pin riêng lẻ, phương pháp cân bằng sẽ được kích hoạt. Ví dụ: sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC chuyển tiếp hai chiều làm mạch chính cân bằng, khi năng lượng được truyền từ phía điện áp cao sang phía điện áp thấp, bốn bóng bán dẫn chuyển mạch hoạt động theo thời gian dẫn tín hiệu điều khiển cụ thể để đạt được sự truyền năng lượng hai chiều từ phía điện áp thấp U1 của thiết bị đến phía điện áp cao U2 và từ phía điện áp cao U2 đến phía điện áp thấp U1 của thiết bị, từ đó duy trì điện áp hoặc trạng thái sạc giữa các pin của thiết bị trong một phạm vi nhất định.
Đồng thời, mạch điều khiển vi điều khiển, với vai trò là lõi của toàn bộ hệ thống cân bằng, điều khiển mô-đun thu điện áp thông qua bus CAN để thu thập điện áp của từng tế bào riêng lẻ trong mô-đun pin. Thông tin về pin được tóm tắt và sử dụng để xây dựng kế hoạch cân bằng. Mảng công tắc dùng để chọn ra các ô cần cân bằng, sau đó lệnh cân bằng được gửi đến mạch điều khiển cân bằng để đảm bảo trạng thái của từng ô riêng lẻ trong bộ pin nằm trong phạm vi hợp lý.
(2) Kéo dài tuổi thọ của bộ pin
1. Ngăn chặn sự xuất hiện tính nhất quán giữa các tế bào pin và giảm tác động của sự phân tán pin đến tuổi thọ của bộ pin.
Sự không nhất quán giữa các cell pin sẽ dần tích tụ theo thời gian sử dụng ngày càng tăng, hình thành sự mất cân bằng về lượng điện giữa các cell pin, điều này không chỉ ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất năng lượng chung của bộ pin mà còn hạn chế tuổi thọ của pin. đóng gói. BMS tích cực cân bằng việc truyền năng lượng từ các tế bào riêng lẻ có công suất cao hơn đến các tế bào riêng lẻ có công suất thấp hơn thông qua việc truyền năng lượng, do đó ngăn chặn sự xuất hiện của tính nhất quán giữa các tế bào.
Ví dụ, việc áp dụng công nghệ cân bằng chủ động có thể tránh được tình trạng lão hóa sớm của một số pin do các tế bào riêng lẻ không nhất quán gây ra. Các sản phẩm BMS do Công ty TNHH Công nghệ Kelie Thâm Quyến phát triển với chức năng công nghệ cốt lõi là "cân bằng chủ động và truyền không dây" có thể giám sát chính xác năng lượng của từng pin và chủ động đạt được sự truyền năng lượng hiệu quả giữa từng pin, đạt được mục tiêu cân bằng năng lượng giữa từng pin riêng lẻ, cải thiện đáng kể hiệu suất của pin, ngăn chặn sự xuất hiện tính nhất quán giữa các tế bào pin và giảm tác động của sự phân tán pin đến tuổi thọ của pin.
2. Nó có thể tăng dung lượng khả dụng của hệ thống pin và cải thiện đáng kể tuổi thọ của chu trình.
Công nghệ cân bằng chủ động BMS loại bỏ hiệu quả vấn đề mất cân bằng dung lượng giữa các cell pin thông qua việc truyền năng lượng, nâng cao hiệu suất của toàn bộ bộ pin. Sử dụng chip cân bằng hoạt động DC-DC hai chiều được phát triển độc lập bởi Kelie, so với chip cân bằng truyền thống, thuật toán thông minh tiên tiến nhúng cải tiến sẽ bù đắp nhanh chóng và hiệu quả cho sự khác biệt do bộ pin tạo ra thông qua truyền năng lượng, đảm bảo tính nhất quán của pin, kéo dài tuổi thọ sử dụng và thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc của bộ pin, đồng thời cải thiện hiệu quả lợi ích kinh tế của toàn bộ vòng đời sản phẩm. Dữ liệu thử nghiệm theo chu kỳ dài hạn cho thấy công nghệ cân bằng chủ động này có thể tăng hơn 10% dung lượng khả dụng của hệ thống pin, cải thiện vòng đời hơn 20% và càng kết nối nhiều chuỗi thì hiệu quả cải thiện càng đáng kể.
3 Nguyên lý hoạt động của cân bằng chủ động BMS
(1) Thành phần của hệ cân bằng
Hệ thống cân bằng hoạt động BMS chủ yếu bao gồm một mô-đun pin nối tiếp, bộ pin 12V, dãy công tắc, mạch chính cân bằng, mạch thu điện áp và mạch điều khiển vi điều khiển.
1. Chuyển đổi mảng:
Mảng công tắc bao gồm các công tắc điều khiển tế bào pin và công tắc điều khiển phân cực của pin, có thể đạt được việc điều khiển các tế bào cần được cân bằng. Ví dụ: đối với bộ pin được kết nối với dòng ô 7-, có các tổ hợp công tắc cụ thể để chọn các loại pin khác nhau. Lấy việc lựa chọn pin 1 và pin 2 làm ví dụ, khi chọn pin 1, các công tắc K1, K2, KP3 và KP4 được bật, còn các công tắc khác sẽ tắt, tạo thành một mạch sạc và xả cụ thể; Khi chọn ắc quy 2, các công tắc K2, K3, KP1, KP2 bật, các công tắc khác tắt, tạo thành mạch sạc và xả tương ứng. Gating ô lẻ có thể đề cập đến sự kết hợp công tắc gating của pin 1, và việc kiểm soát ô chẵn có thể đề cập đến sự kết hợp công tắc gating của pin 2.
2. Mạch chính cân bằng:
Áp dụng bộ chuyển đổi DC-DC chuyển tiếp hai chiều để đạt được sự truyền năng lượng hai chiều. Cấu trúc liên kết này chủ yếu bao gồm một máy biến áp T, hai điện trở lấy mẫu R1 và R2, hai tụ lọc C1 và C2, tụ điện kẹp C3, cuộn cảm lọc L và bốn bóng bán dẫn chuyển mạch Q1 đến Q4.
(2) Chế độ làm việc
1. Năng lượng được truyền từ phía áp suất thấp của một thiết bị sang phía áp suất cao.
2. Năng lượng được truyền từ phía điện áp cao sang phía điện áp thấp của một bộ phận duy nhất, được chia thành bốn giai đoạn. Việc truyền và giải phóng năng lượng đạt được thông qua việc dẫn và ngắt kết nối ống chuyển mạch:
Giai đoạn 1: Từ thời điểm t1 đến t2, các ống chuyển mạch Q2 và Q3 được đóng điện. Tại thời điểm này, dòng điện đầu vào I1 chạy vào cùng một cực của cuộn dây phía điện áp cao của máy biến áp và dòng điện đầu ra I2 chảy ra khỏi cùng một cực của cuộn dây phía điện áp thấp của máy biến áp. Phía cao áp U2 đồng thời truyền năng lượng sang phía hạ thế U1 và cuộn cảm L.
Giai đoạn 2: Từ thời điểm t2 đến t3, công tắc Q2 và Q3 tắt, I2 được tiếp tục nhờ thân điốt của công tắc Q1 và Q2, IT2 giảm dần, IQ1 tăng dần, năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L và năng lượng từ trường dư của cuộn dây hạ áp được thả về phía hạ áp.
Giai đoạn 3: Từ thời điểm t3 đến t4, công tắc Q1 được đóng, I2 được nối tiếp bởi công tắc Q1, năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L được giải phóng về phía hạ áp U1.
Giai đoạn 4: Từ thời điểm t4 đến t5, công tắc Q1 tắt, I2 được tiếp tục bởi diode thân công tắc Q1, đồng thời năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L tiếp tục được giải phóng về phía hạ áp U1. Trong số đó, giai đoạn hai và giai đoạn bốn đều là giai đoạn vùng chết, nhằm ngăn chặn Q1 làm đoản mạch cuộn dây điện áp thấp khi Q2 và Q3 đang dẫn điện. Công tắc Q4 được mắc nối tiếp với tụ điện kẹp C3 và được mắc song song ở cả hai đầu của công tắc Q3 để kẹp hoạt động và đặt lại từ tính cho máy biến áp.
4 Hiện trạng ứng dụng cân bằng chủ động BMS trong hệ thống tích trữ năng lượng
(1) Doanh nghiệp tham gia thị trường
Hiện tại, có ba loại người tham gia thị trường chính trong việc cân bằng tích cực BMS trong hệ thống lưu trữ năng lượng: nhà sản xuất phương tiện, nhà sản xuất pin lithium điện và nhà sản xuất BMS độc lập.
Công suất lắp đặt BMS do các nhà sản xuất ô tô sản xuất chiếm khoảng 21,3% tổng công suất, công suất lắp đặt BMS do các nhà máy sản xuất pin lithium điện chiếm khoảng 45,4% và các nhà sản xuất BMS chuyên nghiệp chiếm khoảng 33,3% thị phần. Mặc dù các nhà sản xuất ô tô và sản xuất ắc quy vẫn giữ những vị trí quan trọng nhưng với xu hướng tiến bộ công nghệ và phân công lao động chuyên môn hóa, các nhà sản xuất BMS chuyên nghiệp đang trỗi dậy mạnh mẽ và chiếm ưu thế trong lĩnh vực xe thương mại và được kỳ vọng sẽ tạo ra tác động lớn trong lĩnh vực năng lượng. lĩnh vực lưu trữ.
Ví dụ, CATL và BYD nắm giữ thị phần đáng kể trong lĩnh vực pin lithium điện, đồng thời có một số ảnh hưởng trong thị trường BMS lưu trữ năng lượng. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power và các nhà sản xuất ô tô khác, cũng như các nhà sản xuất pin như BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd. và Beijing Plaid, đang tích cực tham gia vào việc lưu trữ năng lượng thị trường BMS Ngoài ra, các nhà sản xuất BMS chuyên nghiệp như Hàng Châu Gaote Electronics, Xieneng Technology và Sci Tech Electronics cũng không ngừng khám phá lĩnh vực BMS lưu trữ năng lượng.
(2) Các vấn đề tồn tại
1. BMS lưu trữ năng lượng của Trung Quốc bắt đầu tương đối muộn, với các tiêu chuẩn chưa đầy đủ và không có chiến lược kiểm soát thống nhất. Mặc dù đã có các tiêu chuẩn khung nhưng mỗi công ty lại có những yêu cầu khác nhau đối với hộp điện áp cao và bộ dây dẫn lưu trữ năng lượng, dẫn đến chi phí lắp đặt và vận hành cao, nhiều lỗi cũng như khó vận hành và bảo trì hệ thống lưu trữ năng lượng. Các cơ quan liên quan của đất nước đang xây dựng các tiêu chuẩn liên quan đến ngành, dự kiến sẽ điều chỉnh hơn nữa ngành BMS, đảm bảo độ an toàn và tuổi thọ của pin, đồng thời giảm chi phí của hệ thống lưu trữ năng lượng thông qua tiêu chuẩn hóa và mở rộng quy mô.
2. Độ tin cậy của công nghệ cân bằng chủ động vẫn cần được cải thiện hơn nữa và chi phí cần phải giảm hơn nữa. Hiện nay, cấu trúc của trạng thái cân bằng chủ động rất phức tạp và chi phí cao hơn nhiều so với trạng thái cân bằng thụ động. Ví dụ, phương pháp cân bằng chủ động phổ biến sử dụng máy biến áp để sạc và xả DC-DC có cấu trúc phức tạp, việc thiết kế và điều khiển ma trận chuyển mạch và trình điều khiển rất khó khăn, điều này cũng hạn chế việc tích hợp đầy đủ chức năng cân bằng chủ động vào các IC chuyên dụng. Hơn nữa, các cấu trúc phức tạp chắc chắn sẽ dẫn đến các mạch phức tạp, đồng thời không thể tránh khỏi việc tăng chi phí và tỷ lệ hỏng hóc, điều này cũng hạn chế việc thúc đẩy BMS cân bằng chủ động.
3. Thuật toán BMS lưu trữ năng lượng chỉ mới bắt đầu và vẫn còn chỗ để cải thiện về tiến độ ước tính, độ hội tụ và độ mạnh mẽ của thuật toán. Đặc biệt thuật toán cảnh báo pin rất quan trọng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng nhưng nó gần như vẫn còn trống trong ngành công nghiệp ở Trung Quốc. Nhìn chung, ngành BMS trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng có trình độ tổng thể thấp, doanh nghiệp sản xuất BMS đa dạng và chất lượng sản phẩm không đồng đều. Một số doanh nghiệp chưa hiểu biết đầy đủ về hệ thống lưu trữ năng lượng. Điều này dẫn đến BMS luôn xếp hạng cao trong bảng xếp hạng lỗi linh kiện của toàn bộ hệ thống lưu trữ năng lượng.
5 Xu hướng phát triển cân bằng chủ động BMS trong hệ thống tích trữ năng lượng
(1) Công nghệ cân bằng chủ động trở thành xu hướng trong tương lai
Với sự cải tiến liên tục các yêu cầu về hiệu suất của hệ thống lưu trữ năng lượng, những ưu điểm của công nghệ cân bằng chủ động ngày càng trở nên nổi bật. Nó có thể cải thiện hiệu quả tính nhất quán của bộ pin, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống lưu trữ năng lượng. Trong ứng dụng thực tế, công nghệ cân bằng chủ động có thể truyền năng lượng từ pin năng lượng cao sang pin năng lượng thấp, đạt được sự cân bằng năng lượng trong bộ pin, giống như việc cắt bỏ những điểm mạnh, điểm yếu của tấm gỗ. Công nghệ này không chỉ có hiệu suất cao, tổn thất thấp mà còn có dòng điện cân bằng lớn và cho kết quả nhanh chóng. Vì vậy, công nghệ cân bằng chủ động sẽ được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống quản lý pin lưu trữ năng lượng và trở thành xu hướng phát triển trong tương lai.
(2) Bản địa hóa các thành phần chính
Sự phát triển của ngành BMS trong nước cần tập trung vào nội địa hóa các thành phần chủ chốt. Hiện tại, BMS lưu trữ năng lượng của Trung Quốc bắt đầu tương đối muộn và các thành phần chính phụ thuộc vào nhập khẩu, điều này không chỉ làm tăng chi phí mà còn có thể đối mặt với nguy cơ nguồn cung không ổn định. Cải thiện khả năng nghiên cứu và phát triển độc lập cũng như đạt được nội địa hóa các thành phần chính là rất quan trọng để nâng cao khả năng cạnh tranh của ngành BMS của Trung Quốc. Ví dụ, một báo cáo nghiên cứu do China International Capital Corporation (CICC) công bố đã chỉ ra rằng còn rất nhiều cơ hội để cải thiện tỷ lệ nội địa hóa chip quản lý pin và các nhà sản xuất địa phương phải đối mặt với những cơ hội kinh doanh đáng kể. Với sự tăng trưởng của không gian thị trường hạ nguồn trong nước và sự gia tăng thị phần của các nhà sản xuất hạ nguồn trong nước, các nhà sản xuất chip quản lý pin trong nước dự kiến sẽ mở ra những cơ hội mới.
(3) Cải thiện tích hợp sản phẩm
Trong tương lai, sự kết hợp giữa thuật toán trạng thái pin và dữ liệu lớn trên nền tảng đám mây sẽ trở thành xu hướng chủ đạo và thuật toán trí tuệ nhân tạo cũng sẽ được áp dụng rộng rãi trong BMS. Điều này sẽ cải thiện độ tin cậy và bảo mật của hệ thống. Ví dụ: bằng sáng chế về "Hệ thống lưu trữ năng lượng và chuyển đổi lưu trữ năng lượng" do Công ty TNHH Công nghệ năng lượng mới Xi'an Xingyuan Borui áp dụng đã đơn giản hóa thiết kế, giảm độ phức tạp và số lượng thành phần của hệ thống, đồng thời giảm đáng kể thiết kế chi phí và khó khăn hội nhập. Đồng thời, thiết kế bộ điều khiển cho phép thiết bị phân bổ điện năng một cách thông minh, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống lưu trữ năng lượng. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, việc tích hợp sản phẩm của BMS sẽ tiếp tục được cải thiện, hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho sự phát triển của hệ thống lưu trữ năng lượng.