1 Apa itu penyeimbangan aktif BMS
Penyeimbangan aktif BMS adalah metode transfer energi dari sel individu berkapasitas lebih tinggi ke sel individu berkapasitas lebih rendah melalui transfer energi, sehingga mencapai konsistensi dalam paket baterai dan meningkatkan kinerja sistem penyimpanan energi.
Penyeimbangan aktif BMS berbeda dengan penyeimbangan pasif. Penyeimbangan pasif umumnya melepaskan energi baterai bertegangan tinggi melalui resistor untuk mempertahankan keadaan yang sama dengan daya baterai bertegangan rendah. Metode ini memiliki kelemahan seperti efisiensi pemanfaatan energi yang rendah, pembuangan panas, arus penyeimbang yang rendah, dan efektivitas yang lambat. Penyeimbangan aktif, di sisi lain, adalah proses mentransfer energi dari baterai berenergi tinggi ke baterai berenergi rendah, seperti memotong kekuatan dan kelemahan papan kayu.
Saat ini, terdapat berbagai solusi penyeimbangan aktif, kecuali solusi kapasitor Fit yang belum menjadi arus utama karena rendahnya jumlah string yang berlaku dan keterbatasan dalam transfer, ada juga solusi transformator dan chip konversi DCDC khusus baterai yang dirancang oleh produsen semikonduktor yang telah diperkenalkan ke pasar. Manfaat penyeimbangan aktif sangat jelas, dengan efisiensi tinggi, transfer energi, dan hanya kerugian kumparan transformator, yang merupakan sebagian kecil; Arus seimbang dapat dirancang menjadi besar, mencapai level beberapa ampere atau bahkan 10A, dan efek penyeimbangannya cepat.
Namun keseimbangan aktif juga membawa permasalahan baru. Pertama, strukturnya rumit, terutama pada skema trafo dimana desain dan kontrol matriks saklar dan drivernya menantang. Ini juga mengapa fungsi penyeimbangan aktif tidak dapat sepenuhnya diintegrasikan ke dalam IC khusus. Kedua, masalah biaya. Struktur yang rumit pasti akan menghasilkan sirkuit yang rumit, dan peningkatan biaya serta tingkat kegagalan tidak dapat dihindari, yang juga membatasi promosi BMS penyeimbangan aktif.
Bagi BMS, selain fungsi penyeimbangan, strategi penyeimbangan yang mendasarinya bahkan lebih penting lagi. Ketika perbedaan konsistensi sel baterai berada dalam kisaran tertentu, kapasitas dan tegangan baterai berkorelasi positif; Namun ketika konsistensi baterai jauh dari kata baik, yaitu ketika baterai dalam keadaan rusak, korelasi antara daya dan tegangan menjadi tidak begitu kuat, dan dasar keseimbangan tidak dapat dinilai hanya berdasarkan data tegangan saja. Jika baterai tidak menyadari adanya kerusakan di bawah keadaan kritis dan tetap menjaga keseimbangan tegangan, hal ini justru dapat menyebabkan kerusakan pada baterai, terutama pada keseimbangan aktif, dimana kerusakan akibat arus tinggi lebih besar dibandingkan dengan keseimbangan pasif.
Penyeimbangan aktif cocok untuk aplikasi paket baterai litium jenis daya berkapasitas besar dan jumlah string tinggi, sedangkan penyeimbangan pasif cocok untuk aplikasi paket baterai litium berkapasitas kecil dan jumlah string rendah. Konsistensi baterai Tesla sangat baik, dan keseimbangan pasif sudah cukup. Namun, di Tiongkok, masih ada ruang untuk perbaikan pada bahan baku baterai dan proses produksi, dan tingkat dispersi konsistensi baterai relatif besar. Penyeimbangan aktif akan lebih cocok untuk penerapan paket baterai lithium tipe daya.
2 Peran penyeimbangan aktif PASI dalam sistem penyimpanan energi
(1) Meningkatkan kinerja baterai secara keseluruhan
1. Meringankan ketidakseimbangan daya yang disebabkan oleh sel-sel individu yang tidak konsisten dalam paket baterai, dan meningkatkan kapasitas keseluruhan dan kinerja daya paket baterai.
Dalam sistem penyimpanan energi, karena perbedaan material dan proses manufaktur, serta variasi dalam lingkungan penggunaan dan tingkat penuaan, terdapat perbedaan tertentu dalam karakteristik kimia dan listrik antar sel individual, yang diwujudkan dalam bentuk ketidakkonsistenan dalam kapasitas, resistansi internal DC, terbuka tegangan rangkaian, status pengisian daya (SOC), dan aspek lainnya. Ketidakkonsistenan ini dapat menyebabkan kapasitas baterai yang tidak merata di antara masing-masing sel dalam paket baterai, sehingga memengaruhi keseluruhan kapasitas dan kinerja daya paket baterai. BMS secara aktif menyeimbangkan transfer energi dari sel individu berkapasitas lebih tinggi ke sel individu berkapasitas lebih rendah melalui transfer energi, sehingga mengurangi fenomena ketidakseimbangan daya ini dan meningkatkan kapasitas keseluruhan dan kinerja daya baterai.
Misalnya, transformator banyak digunakan dalam penyeimbangan aktif untuk menyeimbangkan distribusi energi dalam paket baterai melalui strategi penyeimbangan bawah dan atas. Ada juga metode penyeimbangan berdasarkan komponen penyimpan energi seperti kapasitor dan induktor, atau berdasarkan konverter DC-DC. Metode penyeimbangan yang tidak memakan energi ini terutama mentransfer energi antar sel individual atau antara sel individual dan seluruh baterai melalui kapasitor, induktor, atau konverter DC-DC. Dibandingkan dengan struktur penyeimbang yang memakan energi, struktur ini lebih kompleks, namun memiliki efisiensi pemanfaatan energi yang lebih tinggi, transfer energi yang fleksibel, dan secara efektif dapat meningkatkan kinerja paket baterai secara keseluruhan.
2. Dengan mendeteksi status masing-masing sel dalam paket baterai, gunakan metode penyeimbangan untuk menjaga tegangan atau status pengisian daya antar sel dalam kisaran tertentu.
Sistem penyeimbangan aktif BMS mengevaluasi status kerja baterai dengan terus memantau parameter utama seperti tegangan, arus, dan suhu setiap sel baterai. Ketika perbedaan tegangan atau status pengisian daya antara masing-masing baterai terdeteksi, metode penyeimbangan diaktifkan. Misalnya, dengan menggunakan konverter DC-DC maju dua arah sebagai rangkaian utama penyeimbang, ketika energi ditransfer dari sisi tegangan tinggi ke sisi tegangan rendah, keempat transistor switching bekerja sesuai dengan waktu konduksi sinyal penggerak tertentu untuk mencapai transfer energi dua arah dari sisi tegangan rendah U1 unit ke sisi tegangan tinggi U2 dan dari sisi tegangan tinggi U2 ke sisi tegangan rendah U1 unit, sehingga menjaga tegangan atau keadaan muatan antar baterai unit dalam kisaran tertentu.
Pada saat yang sama, rangkaian kontrol mikrokontroler, sebagai inti dari keseluruhan sistem penyeimbang, mengontrol modul perolehan tegangan melalui bus CAN untuk mengumpulkan tegangan setiap sel dalam modul baterai. Informasi baterai dirangkum dan digunakan untuk mengembangkan rencana penyeimbangan. Array sakelar digunakan untuk memilih sel yang perlu diseimbangkan, dan kemudian perintah penyeimbangan dikirim ke sirkuit kontrol penyeimbang untuk memastikan bahwa keadaan setiap sel dalam paket baterai berada dalam kisaran yang wajar.
(2) Memperpanjang umur baterai
1. Menghambat terjadinya konsistensi antar sel baterai dan mengurangi dampak penyebaran baterai terhadap umur baterai.
Ketidakkonsistenan antar sel baterai secara bertahap akan terakumulasi seiring bertambahnya waktu penggunaan, sehingga membentuk ketidakseimbangan jumlah listrik antar sel baterai, yang tidak hanya mempengaruhi keseluruhan kapasitas dan kinerja daya baterai, tetapi juga membatasi masa pakai baterai. mengemas. BMS secara aktif menyeimbangkan transfer energi dari sel individu berkapasitas lebih tinggi ke sel individu berkapasitas lebih rendah melalui transfer energi, sehingga menekan terjadinya konsistensi antar sel.
Misalnya, penerapan teknologi penyeimbangan aktif dapat menghindari penuaan dini pada beberapa baterai yang disebabkan oleh sel individual yang tidak konsisten. Produk BMS yang dikembangkan oleh Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. dengan fungsi teknologi inti "penyeimbangan aktif dan transmisi nirkabel" dapat secara akurat memantau energi setiap baterai dan secara aktif mencapai transfer energi yang efisien antar baterai, mencapai tujuan keseimbangan energi antara baterai individual, meningkatkan kinerja baterai secara signifikan, menekan terjadinya konsistensi antar sel baterai, dan mengurangi dampak penyebaran baterai terhadap masa pakai baterai.
2. Dapat meningkatkan kapasitas yang tersedia pada sistem baterai dan secara signifikan meningkatkan masa pakai baterai.
Teknologi penyeimbang aktif BMS secara efektif menghilangkan masalah ketidakseimbangan kapasitas antar sel baterai melalui transfer energi, sehingga meningkatkan kinerja seluruh paket baterai. Mengadopsi chip penyeimbang aktif DC-DC dua arah yang dikembangkan secara independen oleh Kelie, dibandingkan dengan chip penyeimbang tradisional, algoritme cerdas canggih yang tertanam dan inovatif dengan cepat dan efektif mengkompensasi perbedaan yang dihasilkan oleh baterai melalui transfer energi, memastikan konsistensi baterai, memperpanjang masa pakai. dan waktu rata-rata antara kegagalan paket baterai, dan secara efektif meningkatkan manfaat ekonomi seluruh siklus hidup produk. Data pengujian siklik jangka panjang menunjukkan bahwa teknologi penyeimbangan aktif ini dapat meningkatkan kapasitas yang tersedia pada sistem baterai lebih dari 10%, meningkatkan masa pakai siklus lebih dari 20%, dan semakin banyak seri yang terhubung, semakin signifikan efek peningkatannya.
3 Prinsip kerja penyeimbangan aktif BMS
(1) Komposisi sistem kesetimbangan
Sistem penyeimbang aktif BMS terutama terdiri dari modul baterai seri, paket baterai 12V, rangkaian sakelar, rangkaian utama penyeimbang, rangkaian perolehan tegangan, dan rangkaian kontrol mikrokontroler.
1. Ganti susunan:
Rangkaian sakelar terdiri dari sakelar gerbang sel baterai dan sakelar gerbang polaritas baterai, yang dapat mencapai gerbang sel yang perlu diseimbangkan. Misalnya, untuk paket baterai 7-yang terhubung dengan seri sel, terdapat kombinasi tombol khusus untuk memilih baterai yang berbeda. Mengambil contoh pemilihan baterai 1 dan baterai 2, ketika baterai 1 dipilih, sakelar K1, K2, KP3, dan KP4 dihidupkan, dan sakelar lainnya dimatikan, membentuk rangkaian pengisian dan pengosongan tertentu; Saat memilih baterai 2, sakelar K2, K3, KP1, dan KP2 dihidupkan, dan sakelar lainnya dimatikan, membentuk sirkuit pengisian dan pengosongan yang sesuai. Gerbang sel ganjil dapat mengacu pada kombinasi sakelar gerbang baterai 1, dan gerbang sel genap dapat merujuk pada kombinasi sakelar gerbang baterai 2.
2. Rangkaian utama seimbang:
Mengadopsi konverter DC-DC maju dua arah untuk mencapai transfer energi dua arah. Topologi ini terutama mencakup transformator T, dua resistor pengambilan sampel R1 dan R2, dua kapasitor penyaringan C1 dan C2, kapasitor penjepit C3, induktor penyaringan L, dan empat transistor switching Q1 ke Q4.
(2) Modus kerja
1. Energi ditransfer dari sisi tekanan rendah suatu unit ke sisi tekanan tinggi.
2. Energi ditransfer dari sisi tegangan tinggi ke sisi tegangan rendah dalam satu unit, yang dibagi menjadi empat tahap. Pemindahan dan pelepasan energi dicapai melalui konduksi dan pemutusan tabung saklar:
Tahap 1: Dari waktu t1 hingga t2, tabung switching Q2 dan Q3 dihidupkan. Pada saat ini, arus masukan I1 mengalir ke terminal yang sama pada belitan samping tegangan tinggi transformator, dan arus keluaran I2 mengalir keluar dari terminal yang sama pada belitan samping tegangan rendah transformator. Sisi tegangan tinggi U2 secara bersamaan mentransfer energi ke sisi tegangan rendah U1 dan induktor L.
Tahap 2: Dari waktu t2 ke t3, sakelar Q2 dan Q3 dimatikan, I2 dilanjutkan oleh dioda badan sakelar Q1 dan Q2, IT2 berangsur-angsur berkurang, IQ1 berangsur-angsur meningkat, dan energi yang tersimpan dalam induktor L dan sisa energi magnet belitan tegangan rendah dilepaskan ke sisi tegangan rendah.
Tahap 3: Dari waktu t3 sampai t4, saklar Q1 dihidupkan, I2 dilanjutkan dengan saklar Q1, dan energi yang tersimpan dalam induktor L dilepaskan ke sisi tegangan rendah U1.
Tahap 4: Dari waktu t4 hingga t5, sakelar Q1 dimatikan, I2 dilanjutkan oleh dioda badan sakelar Q1, dan energi yang disimpan dalam induktor L terus dilepaskan ke sisi tegangan rendah U1. Diantaranya, tahap dua dan tahap empat keduanya merupakan tahap zona mati, untuk mencegah Q1 menyebabkan hubungan pendek pada belitan tegangan rendah ketika Q2 dan Q3 sedang berjalan. Saklar Q4 dihubungkan secara seri dengan kapasitor penjepit C3, dan dihubungkan secara paralel pada kedua ujung saklar Q3 untuk penjepit aktif dan reset magnet transformator.
4 Status penerapan penyeimbangan aktif PASI dalam sistem penyimpanan energi saat ini
(1) Perusahaan peserta pasar
Saat ini, terdapat tiga jenis pelaku pasar utama dalam penyeimbangan aktif PASI dalam sistem penyimpanan energi: produsen kendaraan, produsen baterai lithium daya, dan produsen BMS independen.
Kapasitas terpasang BMS yang diproduksi oleh produsen kendaraan menyumbang sekitar 21,3% dari total, kapasitas terpasang BMS yang diproduksi oleh pabrik baterai litium menyumbang sekitar 45,4%, dan produsen BMS profesional menyumbang sekitar 33,3% dari pangsa tersebut. Meskipun produsen kendaraan dan produsen baterai masih memegang posisi penting, dengan tren kemajuan teknologi dan pembagian kerja khusus, produsen BMS profesional meningkat pesat dan menjadi dominan di bidang kendaraan komersial, dan diperkirakan akan memberikan dampak besar di bidang energi. bidang penyimpanan.
Misalnya, CATL dan BYD memegang pangsa pasar yang signifikan di bidang baterai litium daya, dan juga memiliki pengaruh di pasar BMS penyimpanan energi. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power dan produsen mobil lainnya, serta produsen baterai seperti BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd., dan Beijing Plaid, secara aktif berpartisipasi dalam penyimpanan energi pasar BMS. Selain itu, produsen BMS profesional seperti Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology, dan Sci Tech Electronics juga terus menjajaki bidang BMS penyimpanan energi.
(2) Permasalahan yang ada
1. BMS penyimpanan energi Tiongkok dimulai relatif terlambat, dengan standar yang tidak lengkap dan tidak ada strategi pengendalian terpadu. Meskipun terdapat standar kerangka kerja yang berlaku, setiap perusahaan memiliki persyaratan berbeda untuk kotak tegangan tinggi dan rangkaian kabel penyimpanan energi, yang menyebabkan biaya pemasangan dan commissioning yang tinggi, banyak kesalahan, serta sulitnya pengoperasian dan pemeliharaan sistem penyimpanan energi. Departemen terkait di negara tersebut sedang merumuskan standar terkait industri, yang diharapkan dapat mengatur lebih lanjut industri PASI, menjamin keamanan dan masa pakai baterai, dan mengurangi biaya sistem penyimpanan energi melalui standarisasi dan penskalaan.
2. Keandalan teknologi penyeimbangan aktif masih perlu ditingkatkan lebih lanjut, dan biayanya perlu dikurangi lebih lanjut. Saat ini, struktur keseimbangan aktif bersifat kompleks dan biayanya jauh lebih tinggi dibandingkan dengan keseimbangan pasif. Misalnya, metode umum penyeimbangan aktif yang menggunakan transformator untuk pengisian dan pengosongan DC-DC memiliki struktur yang rumit, dan desain serta kontrol matriks sakelar dan driver sulit dilakukan, yang juga membatasi integrasi penuh fungsi penyeimbangan aktif ke dalam IC khusus. Selain itu, struktur yang kompleks pasti akan menghasilkan sirkuit yang rumit, dan peningkatan biaya serta tingkat kegagalan tidak dapat dihindari, yang juga membatasi promosi BMS penyeimbangan aktif.
3. Algoritme BMS penyimpanan energi baru saja dimulai, dan masih ada ruang untuk perbaikan dalam memperkirakan kemajuan, konvergensi algoritma, dan ketahanan. Terutama algoritma peringatan baterai yang sangat penting dalam sistem penyimpanan energi, namun masih belum ada dalam industri di China. Secara keseluruhan, industri PASI di bidang penyimpanan energi memiliki tingkat keseluruhan yang rendah, dengan beragamnya perusahaan produksi PASI dan kualitas produk yang tidak merata. Beberapa perusahaan kurang memahami sistem penyimpanan energi. Hal ini menyebabkan BMS selalu menduduki peringkat tinggi dalam peringkat kegagalan komponen seluruh sistem penyimpanan energi.
5 Tren perkembangan penyeimbangan aktif PASI dalam sistem penyimpanan energi
(1) Teknologi penyeimbangan aktif menjadi tren masa depan
Dengan peningkatan berkelanjutan dalam persyaratan kinerja sistem penyimpanan energi, keunggulan teknologi penyeimbang aktif menjadi semakin menonjol. Ini secara efektif dapat meningkatkan konsistensi paket baterai, sehingga meningkatkan kinerja sistem penyimpanan energi secara keseluruhan. Dalam penerapan praktisnya, teknologi penyeimbangan aktif dapat mentransfer energi dari baterai berenergi tinggi ke baterai berenergi rendah, sehingga mencapai keseimbangan energi dalam paket baterai, seperti memotong kekuatan dan kelemahan papan kayu. Teknologi ini tidak hanya mempunyai efisiensi tinggi dan rugi-rugi rendah, namun juga mempunyai arus seimbang yang besar dan hasil yang cepat. Oleh karena itu, teknologi penyeimbang aktif akan diterapkan secara luas dalam sistem manajemen baterai penyimpan energi dan menjadi tren perkembangan di masa depan.
(2) Lokalisasi komponen utama
Pengembangan industri PASI dalam negeri perlu fokus pada lokalisasi komponen-komponen utamanya. Saat ini, BMS penyimpanan energi Tiongkok dimulai relatif terlambat, dan komponen-komponen utamanya bergantung pada impor, yang tidak hanya meningkatkan biaya tetapi juga mungkin menghadapi risiko pasokan yang tidak stabil. Meningkatkan kemampuan penelitian dan pengembangan independen serta mencapai lokalisasi komponen-komponen utama sangat penting untuk meningkatkan daya saing industri PASI di Tiongkok. Misalnya, laporan penelitian yang dirilis oleh China International Capital Corporation (CICC) menunjukkan bahwa terdapat ruang besar untuk perbaikan dalam tingkat lokalisasi chip manajemen baterai, dan produsen lokal menghadapi peluang bisnis yang signifikan. Dengan tumbuhnya ruang pasar hilir dalam negeri dan meningkatnya pangsa produsen hilir lokal, produsen chip manajemen baterai lokal diharapkan dapat membuka peluang baru.
(3) Peningkatan integrasi produk
Di masa depan, kombinasi algoritma status baterai dan data besar berbasis cloud akan menjadi arus utama, dan algoritma kecerdasan buatan juga akan diterapkan secara luas di BMS. Ini akan meningkatkan keandalan dan keamanan sistem. Misalnya, paten untuk "Konverter Penyimpanan Energi dan Sistem Penyimpanan Energi" yang diterapkan oleh Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. menyederhanakan desain, mengurangi kompleksitas dan jumlah komponen sistem, dan secara signifikan mengurangi desain kesulitan biaya dan integrasi. Pada saat yang sama, desain unit kontrol memungkinkan perangkat mengalokasikan daya secara cerdas, sehingga meningkatkan efisiensi operasional sistem penyimpanan energi. Dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, integrasi produk BMS akan terus meningkat, memberikan dukungan yang lebih kuat untuk pengembangan sistem penyimpanan energi.