Algoritmi software e strategie di controllo per la batteria al litio BMS

Al momento in cui la nuova industria energetica è in forte espansione, le batterie al litio sono ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici, nei sistemi di accumulo di energia e in altri campi a causa dei loro vantaggi come la densità di energia elevata e la lunga durata del ciclo. Come componente principale del sistema di batterie al litio, i suoi algoritmi software e le strategie di controllo sono direttamente correlati alle prestazioni, alla sicurezza e alla durata della batteria del litio. Questo articolo condurrà discussioni approfondite sugli algoritmi del software e sulle strategie di controllo dei BM della batteria al litio e si concentrerà sull'introduzione di tecnologie avanzate e casi di applicazione nel settore.

1. Le funzioni fondamentali e l'architettura software del litio batteria BMS

Funzioni core

• Monitoraggio dello stato della batteria:Raccolta in tempo reale di parametri chiave come tensione, corrente, temperatura e altri parametri chiave della batteria, fornendo una base di dati per le successive strategie di stima e controllo dello stato.
• Stima dello stato della batteria:La stima accurata dello stato di carica (SOC), dello stato della salute (SOH) e dello stato di potenza (SOP) della batteria è la chiave per la gestione intelligente della batteria da parte del BMS.
• Gestione del bilanciamento della batteria:Attraverso il bilanciamento attivo o passivo, assicurarsi la consistenza di ogni singola cella nel pacco batteria e prolungare la durata del pacco batteria.
• Controllo di carica e scarico:Secondo i requisiti dello stato e delle condizioni di lavoro della batteria, il processo di ricarica e scarico è ragionevolmente controllato per impedire il verificarsi di condizioni anormali come sovraccarico e sovraccarico eccessivo.
• Controllo della gestione termica:Monitorare la temperatura della batteria e adottare misure appropriate, come l'accensione del raffreddamento della ventola o del film di riscaldamento, per garantire che la batteria funzioni nell'intervallo di temperatura appropriato, migliorando le prestazioni della batteria e la sicurezza.
• Diagnosi e protezione dei guasti:Monitoraggio in tempo reale dello stato operativo del sistema della batteria, rilevamento tempestivo e diagnosi di guasti e adottare misure protettive, come tagliare il circuito, allarme, ecc., Per evitare l'espansione dei guasti e garantire la sicurezza del sistema.

Architettura del software

• Sistema operativo in tempo reale (RTOS) o programmi di metallo nudo:Responsabile del controllo dei tempi e della pianificazione delle attività per garantire che le funzioni del BMS possano essere eseguite in tempo reale ed efficiente.
• Software del livello dell'applicazione:L'implementazione di funzioni di base come la stima dello stato della batteria, il controllo di carica e scarica e la diagnosi dei guasti è una parte fondamentale della gestione in modo intelligente BMS.
• Interfaccia utente:Fornisce visualizzazione dei dati, configurazione dei parametri di sistema e informazioni diagnostiche per facilitare gli utenti a monitorare e gestire il sistema BMS.

2. Algoritmo di stima dello stato della batteria

Stima SOC

• Metodo di integrazione anfibia:Calcola la quantità di carica e scarica della batteria integrando la corrente, ottenendo così il valore SOC. Questo metodo è semplice e facile da usare, ma è facilmente influenzato da fattori come l'accumulo di errori del sensore di corrente e l'auto-scarica della batteria durante l'uso a lungo termine, con conseguente aumento dell'errore di stima.
• Metodo di tensione del circuito aperto:Stima in base alla corrispondenza tra la tensione del circuito aperto della batteria e il SoC. Dopo che la batteria è stata lasciata in piedi per un periodo di tempo, la tensione del circuito aperto viene misurata e confrontata con la curva di tensione del circuito aperto prestabilita per ottenere il valore SOC corrente. Questo metodo ha un'elevata precisione, ma a causa di fattori come la temperatura della batteria e l'invecchiamento, la curva di tensione del circuito aperto cambierà ed è richiesta una compensazione.
• Metodo di filtraggio Kalman:è un algoritmo ricorsivo basato sul modello di spazio dello stato, che può fondere più informazioni di origine come tensione della batteria, corrente, temperatura, ecc., Aggiornare le stime SOC in tempo reale e sopprimere il rumore di misurazione e gli errori del modello. Ha una precisione di stima elevata e una forte capacità anti-interferenza. Al momento è uno dei metodi di stima SOC più avanzati, ma il volume di calcolo è relativamente grande e ha requisiti elevati per le prestazioni del processore. Ad esempio, durante l'elaborazione di sistemi non lineari, l'algoritmo esteso Kalman Filtering (EKF) stima il SoC della batteria linearizzando l'approssimazione, che può controllare l'errore di stima a meno del 5%.

Valutazione SOH

• Metodo di test della capacità:SOH viene determinato eseguendo un ciclo di carica e scarica completa della batteria e misurando il rapporto tra la sua capacità effettiva e la capacità nominale. Questo metodo ha un'elevata precisione, ma richiede una profonda ricarica e scarico della batteria, che richiede molto tempo e avrà un certo effetto di invecchiamento sulla batteria. Di solito viene utilizzato per i test offline e la valutazione della batteria.
• Metodo di test di resistenza interna:La resistenza interna di una batteria aumenta con l'aumento dell'invecchiamento. SOH può essere stimato misurando le variazioni della resistenza interna della batteria. Tuttavia, se usato da solo, questo metodo è suscettibile a fattori come la temperatura e il SOC e la valutazione completa è richiesta in combinazione con altri metodi.
• Metodo di riconoscimento del modello di dati:Utilizzare algoritmi di apprendimento automatico, come reti neurali artificiali, macchine vettoriali di supporto, ecc. Per apprendere e analizzare i dati storici della batteria e i dati in esecuzione in tempo reale, stabilire un modello di stato di salute di una batteria e prevedere SOH in base ai dati delle caratteristiche di input. Questo metodo può estrarre complesse relazioni non lineari nei dati della batteria, con elevata precisione e adattabilità, ma richiede una grande quantità di dati di addestramento e capacità di elaborazione e analisi di dati professionali.

3. Strategia di controllo del bilancio della batteria

Equalizzazione passiva

• Principio:Collegando i resistori nel pacco batteria, l'energia elettrica in eccesso di una singola cella con una tensione più elevata viene consumata sotto forma di energia termica, in modo che le tensioni di ciascuna singola cella tendano ad essere coerenti.
• Vantaggi:Circuito semplice, basso costo, tecnologia matura e alta affidabilità.
• Svantaggi:Basso tasso di utilizzo dell'energia, adatto solo per il processo di ricarica, velocità di equalizzazione lenta, non adatta per i pacchetti di batterie in grande capacità.

Equalizzazione attiva

• Principio:L'energia di una singola batteria con un'energia più elevata nel pacco batteria viene attivamente trasferita su una singola batteria con un'energia più bassa attraverso circuiti specifici (come convertitori DC-DC bidirezionali, trasformatori, ecc.) In una singola batteria con un'energia inferiore per ottenere riallocazione energetica e l'equalizzazione.
• Vantaggi:Un alto tasso di utilizzo dell'energia, velocità di bilanciamento rapido, regolazione bidirezionale, adatta a pacchi batteria ad alta capacità e ad alta capacità, possono effettivamente migliorare le prestazioni complessive e la durata del pacco batteria.
• Svantaggi:Il circuito è complesso, il costo è elevato e l'accuratezza del controllo è elevata.

Ottimizzazione della strategia di equilibrio

• Basato sull'algoritmo di controllo fuzzy:Regolare dinamicamente la soglia di equalizzazione e la corrente di equalizzazione in base allo stato in tempo reale del pacco batteria, come la differenza nella tensione e nella temperatura singola, e dare priorità a singole batterie con differenze di grande tensione per migliorare l'efficienza di equalizzazione e ridurre la perdita di energia.
• Algoritmo genetico basato:Simulando i processi evolutivi biologici, ottimizzando percorsi e parametri di equilibrio e trovando la strategia di controllo di equilibrio ottimale per ottenere un migliore effetto di equilibrio e un maggiore utilizzo energetico.

4. Strategia di controllo di carica e dimissione

Strategia di controllo di ricarica

• Metodo di ricarica a tensione costante e costante:Questo è al momento il metodo di ricarica della batteria al litio più comunemente usato. Nella fase iniziale della ricarica, la batteria è carica con una corrente costante. Quando la tensione della batteria raggiunge un certo valore, passa a una ricarica costante di tensione fino a quando la ricarica è terminata. Questo metodo può migliorare efficacemente l'efficienza di ricarica, ridurre i tempi di ricarica ed evitare il sovraccarico della batteria.
• Metodo di ricarica multi-stage:Dividi il processo di ricarica in più fasi, come pre-caricamento, ricarica di corrente costante, ricarica costante di tensione, ricarica galleggiante, ecc. A seconda dello stato e dei requisiti della batteria, vengono utilizzate diverse correnti e tensioni di ricarica per migliorare ulteriormente l'efficienza e le prestazioni della batteria ed estendere la durata della batteria.
• Strategia di ricarica intelligente:Regolare dinamicamente la corrente di ricarica e la tensione in base alla stima dello stato della batteria e ai dati di monitoraggio in tempo reale. Ad esempio, in base al SOC della batteria, SOH, temperatura e altri parametri, la curva di ricarica è ottimizzata e viene raggiunta la ricarica personalizzata e la sicurezza e l'efficienza di ricarica sono migliorate.

Strategia di controllo delle dimissioni

• Protezione da sovraccaricare:Monitorare la tensione della batteria in tempo reale. Quando la tensione della singola batteria è inferiore alla soglia impostato di sovraccarico, tagliare il circuito di scarico in tempo per evitare che la batteria venga scaricata profondamente ed evitare danni irreversibili alla batteria. Ad esempio, la soglia di scarica eccessiva di batterie di fosfato di ferro al litio è di solito intorno a 2,5 V e la soglia di scarica eccessiva delle batterie al litio ternarie è di circa 2,8 V.
• Limite di potenza e regolazione dinamica:Limitare la potenza di scarico in base allo stato della batteria e ai requisiti di lavoro per evitare il sovraccarico della batteria. In applicazioni come i veicoli elettrici, la potenza di scarica può essere regolata dinamicamente in base a fattori come lo stato di guida del veicolo, il SOC e la temperatura della batteria per garantire il funzionamento sicuro della batteria e allo stesso tempo migliorare le prestazioni di potenza e la gamma del veicolo.
• Controllo di equalizzazione della dimissione:Durante il processo di scarico, combinati con la gestione dell'equalizzazione della batteria, vengono eseguite adeguate regolazioni di equalizzazione su singole celle con basse tensioni, in modo che il pacco batteria mantenga una buona coerenza durante il processo di scarico e migliora le prestazioni di scarica complessive e la durata di servizio del pacco batteria.

5. Strategia di controllo della gestione termica

Monitoraggio della temperatura e avvertimento precoce

• Monitoraggio multi-punto:Disporre più sensori di temperatura nelle posizioni chiave del pacco batteria per monitorare la distribuzione della temperatura della batteria in tempo reale. Raccogliendo i dati di temperatura in diverse posizioni, lo stato termico del pacco batteria può essere compreso in modo più accurato, fornendo una base per la gestione e il controllo termico.
• Avviso di temperatura:Impostare una soglia di avviso di temperatura. Quando la temperatura della batteria supera l'intervallo di avvertimento, verrà emesso un segnale di allarme in tempo per ricordare al sistema di adottare misure corrispondenti. Ad esempio, quando la temperatura della batteria raggiunge i 45 ℃, viene emesso un avviso ad alta temperatura; Quando la temperatura scende al di sotto di 0 ℃, viene emesso un avviso a bassa temperatura

Strategia di controllo della dissipazione del calore

• Dissipazione del calore raffreddata ad aria:Usa i ventilatori e altre attrezzature per accelerare il flusso d'aria attorno al pacco batteria, togliendo il calore generato dalla batteria. Controllando la velocità della ventola, regolando dinamicamente l'intensità di dissipazione del calore in base a fattori come la temperatura della batteria e la potenza di scarico per garantire che la temperatura della batteria sia all'interno di un intervallo ragionevole. Ad esempio, quando un veicolo elettrico guida ad alta velocità o quando una batteria viene scaricata ad alta potenza, la velocità della ventola viene aumentata e l'effetto di dissipazione del calore viene migliorato.
• Dissipazione del calore raffreddato a liquido:Per i sistemi di batterie ad alta potenza e grande capacità, viene adottata la dissipazione di calore raffreddata a liquido. Circolando il liquido di raffreddamento, il calore generato dalla batteria viene rapidamente trasmesso ed emesso. La dissipazione del calore raffreddata a liquido presenta i vantaggi dell'elevata efficienza di dissipazione del calore e della precisione di controllo delle temperature, che possono effettivamente ridurre il gradiente di temperatura del pacco batteria e migliorare le prestazioni e la durata della batteria.

Strategie di controllo del riscaldamento

• Preriscaldamento a bassa temperatura:In un ambiente a bassa temperatura, quando la temperatura della batteria scende al di sotto di un certo valore (ad es. 0 ° C), attiva un dispositivo di riscaldamento, come un film di riscaldamento o un riscaldatore PTC, per preriscaldare il pacco batteria e aumentare la temperatura a un intervallo operativo adatto. Durante il processo di preriscaldamento, il tempo di riscaldamento e il tempo di riscaldamento dovrebbero essere controllati per evitare danni alla batteria causata da un riscaldamento eccessivo.
• Controllo dell'equalizzazione della temperatura:Durante il processo di riscaldamento, la temperatura di ciascuna cella nel pacco batteria aumenta uniformemente attraverso una ragionevole strategia di controllo per evitare il surriscaldamento locale o l'eccessiva differenza di temperatura. Ad esempio, il controllo del riscaldamento zonale viene utilizzato per regolare la potenza di riscaldamento in base alla temperatura di ciascuna area per ottenere la distribuzione uniforme della temperatura del pacco batteria.

6. Strategie di diagnosi e protezione dei guasti

Algoritmo di diagnosi di guasto

• Diagnosi basata sulle regole:Formulare una serie di regole diagnostiche basate su caratteristiche anormali della tensione, della corrente, della temperatura e di altri parametri della batteria. Quando i parametri monitorati superano l'intervallo di sicurezza preimpostati o ci sono mutazioni, le regole diagnostiche corrispondenti verranno attivate per determinare il tipo e la posizione dell'errore. Ad esempio, quando la tensione della batteria scende improvvisamente a zero, si giudica che potrebbe esserci un guasto a corto circuito.
• Metodo statistico:Utilizzare dati storici e modelli statistici per analizzare le tendenze mutevoli e le correlazioni dei parametri della batteria. Analizzando le caratteristiche statistiche dei parametri della batteria, come media, varianza, coefficiente di correlazione, ecc., Il degrado delle prestazioni della batteria e i potenziali guasti vengono scoperti in modo tempestivo. Ad esempio, quando la resistenza interna della batteria aumenta gradualmente e supera una determinata soglia, si prevede che la batteria potrebbe riscontrare un errore di invecchiamento.
• Metodi di apprendimento automatico:Trainando i modelli di apprendimento automatico, come macchine vettoriali di supporto, foreste casuali, reti neurali, ecc. Per identificare i modelli di comportamento normali e anormali della batteria. Inserendo una grande quantità di dati di funzionamento della batteria, il modello può apprendere le caratteristiche e i modelli di comportamento della batteria, raggiungendo così la diagnosi automatica e l'avvertimento precoce dei guasti. I metodi di apprendimento automatico hanno un'elevata precisione diagnostica e adattabilità, ma richiedono una grande quantità di dati di formazione e tecnologia di formazione modello professionale.

Misure di protezione dei guasti

• Taglia il circuito:Quando vengono diagnosticati gravi guasti, come corto circuito, sovraccarico, sovraccarico, ecc., Tagliare la carica della batteria e il circuito di scarico in tempo per evitare che i guasti si espandono e proteggono la sicurezza della batteria e del sistema. Ad esempio, tagliare rapidamente il circuito controllando l'on e il via del MOSFET o del relè.
• Allarme di guasto e indicazione:In caso di guasto, viene emesso un segnale di allarme udibile e leggero per ricordare all'utente o all'amministratore di sistema di prestare attenzione. Allo stesso tempo, il tipo di guasto e le informazioni relative vengono visualizzate tramite la luce dell'indicatore di guasto o la schermata di visualizzazione, che facilita la risoluzione e la gestione dei problemi.
• Isolamento dei problemi:Nei grandi sistemi di batterie, come i sistemi di accumulo di energia, quando un modulo di batteria o un cluster fallisce, la parte difettosa viene isolata dall'intero sistema attraverso interruttori a CC, fusibili e altre apparecchiature per prevenire la diffusione del guasto e garantire il normale funzionamento del sistema.

7. Strategia di gestione della comunicazione

Selezione del protocollo di comunicazione

• Può protocollo del bus:Ha i vantaggi delle capacità di comunicazione ad alta velocità, un basso tasso di errore di bit e un supporto per le connessioni multi-nodi. È ampiamente utilizzato nei veicoli elettrici, nei sistemi di accumulo di energia e in altri campi. Il bus CAN può realizzare una comunicazione efficiente tra BMS e controller di veicoli, caricabatterie, inverter e altri dispositivi, garantendo l'accuratezza e l'affidabilità della trasmissione dei dati.
• Protocollo RS-485:Adatto alla comunicazione a lunga distanza, ha le caratteristiche della forte capacità anti-interferenza e di molti nodi collegati e viene spesso utilizzata per il monitoraggio e la gestione dei sistemi di conservazione di energia su larga scala. Attraverso il bus RS-485, più unità Slave BMS possono essere collegate alle unità principali per ottenere un monitoraggio e una gestione centralizzati.
• Protocollo di comunicazione wireless:Come Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, ecc., Che possono essere utilizzati per la comunicazione wireless tra BMS e dispositivi mobili, computer host, ecc. Il metodo di comunicazione wireless ha i vantaggi di una facile installazione e alta flessibilità, che facilita gli utenti per monitorare lo stato della batteria e configurare i parametri in tempo reale.

Gestione dei dati e ottimizzazione della trasmissione

• Acquisizione ed elaborazione dei dati:Progettare ragionevolmente la frequenza e l'accuratezza dell'acquisizione dei dati e raccogliere i dati dei parametri chiave in base ai requisiti di stato e applicazione della batteria. I dati raccolti vengono filtrati, calibrati, fusioni e altre elaborazioni per migliorare l'accuratezza e l'affidabilità dei dati e fornire supporto dati di alta qualità per le successive strategie di stima e controllo dello stato.
• Ottimizzazione della trasmissione dei dati:adotta le tecnologie di compressione e imballaggio dei dati per ridurre il volume di trasmissione dei dati e migliorare l'efficienza della trasmissione. Allo stesso tempo, ottimizza la struttura del frame dei dati di comunicazione per garantire l'integrità e la realtà della trasmissione dei dati. Ad esempio, nella comunicazione del bus CAN, l'ID e la lunghezza del frame di dati sono assegnati ragionevolmente per evitare conflitti di dati e ritardi di trasmissione.

8. Casi di applicazione pratica e tendenze del settore

Casi di applicazione pratica

• Veicolo elettrico:In un progetto di veicoli elettrici, viene adottato un metodo di stima SOC basato sull'algoritmo di filtraggio di Kalman esteso, combinato con la strategia di controllo di ricarica a più stadi e la gestione passiva di equalizzazione, per ottenere una stima dello stato ad alta precisione e un'efficace gestione della batteria. Il sistema BMS può regolare dinamicamente la corrente di ricarica e la tensione in base allo stato della batteria e alle esigenze di guida del veicolo, ottimizzare il processo di ricarica e scarico della batteria e migliorare la gamma di crociera del veicolo e la durata della batteria. Allo stesso tempo, attraverso la comunicazione con il bus CAN del controller del veicolo, le informazioni sullo stato della batteria vengono trasmesse in tempo reale per garantire il funzionamento sicuro del veicolo.
• Sistema di accumulo di energia:In una grande centrale elettrica di conservazione dell'energia, viene adottata un'architettura BMS distribuita, combinata con la tecnologia di equalizzazione attiva e le strategie di gestione termica basate su algoritmi di controllo fuzzy, per ottenere una gestione e il controllo efficienti dei pacchetti di batterie al litio su larga scala. Il sistema BMS garantisce l'uniformità della temperatura e la sicurezza del pacco batteria durante la ricarica e lo scarico attraverso il monitoraggio della temperatura multi-punto e il controllo intelligente di dissipazione del calore. Allo stesso tempo, sono realizzati l'utilizzo della tecnologia di comunicazione wireless, della trasmissione dei dati e del monitoraggio remoto del sistema di accumulo di energia e del centro di monitoraggio remoto, che facilita il monitoraggio e la gestione in tempo reale dello stato operativo del sistema di accumulo di energia e migliora l'affidabilità e la manutenzione del sistema di accumulo di energia.

Tendenze del settore

• Controllo intelligente e adattivo:Il futuro BMS della batteria al litio sarà più intelligente e avrà capacità di controllo adattivo. Introducendo tecnologie come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, BMS può apprendere le caratteristiche e le condizioni di lavoro della batteria in tempo reale, regolare automaticamente le strategie di controllo e i parametri dell'algoritmo, realizzare una stima dello stato più accurata e un controllo della gestione più ottimizzato e migliorare le prestazioni e la vita del sistema di batterie.
• Alta precisione e alta affidabilità:Man mano che la scala dell'applicazione delle batterie al litio nei veicoli elettrici, lo stoccaggio di energia e altri campi continuano ad espandersi, anche i requisiti di accuratezza e affidabilità per il BMS sono in aumento. BMS adotterà una tecnologia dei sensori più avanzati, algoritmi di elaborazione del segnale e metodi di diagnosi dei guasti per migliorare l'accuratezza del monitoraggio e della stima dello stato della batteria, rafforzando al contempo la progettazione dell'affidabilità e la progettazione ridondante del sistema per garantire il funzionamento stabile del BMS in varie condizioni operative difficili.
• Integrazione e modularità: Al fine di ridurre i costi e migliorare la scalabilità e la manutenibilità del sistema, la batteria al litio BMS si sposterà verso l'integrazione e la modularità. Le funzioni hardware e software del BMS sono progettate in modo modulare per facilitare la combinazione e l'espansione flessibili in base a diversi scenari di applicazione e configurazioni della batteria. Allo stesso tempo, il BMS è profondamente integrato con pacchi batteria, inverter, caricabatterie e altre attrezzature per formare un sistema di gestione dell'energia più compatto ed efficiente.
• Integrazione con altre tecnologie:La batteria al litio BMS sarà profondamente integrato con tecnologie come Internet of Things, Big Data e Cloud Computing per realizzare il monitoraggio remoto, la gestione intelligente e l'analisi dei dati dei sistemi di batterie. Attraverso la tecnologia IoT, BMS può caricare i dati in tempo reale della batteria sulla piattaforma cloud, realizzando il monitoraggio remoto e l'avviso di guasto del sistema batteria. Utilizzando i big data e la tecnologia del cloud computing, viene analizzata e estratta una grande quantità di dati di funzionamento della batteria, fornendo supporto per la salute della batteria, ottimizzazione delle prestazioni e previsione della vita e promuovendo lo sviluppo continuo e il progresso della tecnologia della batteria al litio.

Per riassumere, gli algoritmi del software e le strategie di controllo dei BM della batteria al litio sono la chiave per garantire il funzionamento sicuro ed efficiente delle batterie al litio. Ottimizzando continuamente gli algoritmi di stima dello stato della batteria, le strategie di controllo bilanciate, le strategie di controllo della carica e delle scariche, le strategie di controllo della gestione termica, la diagnosi dei guasti e le strategie di protezione e le strategie di gestione della comunicazione, le prestazioni, la vita e l'affidabilità delle batterie al litio possono essere migliorate In futuro, con la continua innovazione e progresso della tecnologia, la batteria al litio BMS farà maggiori scoperte di intelligenza, alta precisione, alta affidabilità, integrazione, ecc., Forniranno un supporto più forte per lo sviluppo del settore delle batterie al litio, promuove lo sviluppo sostenibile del nuovo settore energetico e aiuti la trasformazione dell'energia globale e il processo di sviluppo sostenibile.

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