1 Qu'est-ce que l'équilibrage actif BMS
L'équilibrage actif BMS est une méthode de transfert d'énergie de cellules individuelles de plus grande capacité vers des cellules individuelles de plus faible capacité par transfert d'énergie, obtenant ainsi une cohérence dans la batterie et améliorant les performances du système de stockage d'énergie.
L'équilibrage actif BMS est différent de l'équilibrage passif. L'équilibrage passif décharge généralement l'énergie des batteries haute tension à travers des résistances pour maintenir un état égal à la puissance des batteries basse tension. Cette méthode présente des inconvénients tels qu'une faible efficacité d'utilisation de l'énergie, une dissipation thermique, un faible courant d'équilibrage et une efficacité lente. L’équilibrage actif, quant à lui, est le processus de transfert d’énergie des batteries à haute énergie vers les batteries à faible consommation, un peu comme si l’on supprimait les forces et les faiblesses d’une planche de bois.
À l'heure actuelle, il existe diverses solutions d'équilibrage actif, à l'exception de la solution de condensateur Fit qui n'est pas devenue courante en raison de son faible nombre de chaînes applicables et de ses limites de transfert. Il existe également des solutions de transformateur et des puces de conversion DCDC spécifiques aux batteries conçues par des fabricants de semi-conducteurs qui ont été introduits sur le marché. Les avantages de l'équilibrage actif sont évidents, avec un rendement élevé, un transfert d'énergie et uniquement des pertes dans les bobines du transformateur, qui représentent une faible proportion ; Le courant équilibré peut être conçu pour être important, atteignant plusieurs ampères ou même un niveau de 10 A, et l'effet d'équilibrage est rapide.
Cependant, l’équilibre actif pose également de nouveaux problèmes. Premièrement, la structure est complexe, en particulier dans les schémas de transformateurs où la conception et le contrôle des matrices de commutation et des pilotes sont difficiles. C'est également la raison pour laquelle la fonction d'équilibrage actif ne peut pas être entièrement intégrée dans les circuits intégrés dédiés. Deuxièmement, il y a la question du coût. Les structures complexes conduisent inévitablement à des circuits complexes, et l'augmentation des coûts et du taux de défaillance est inévitable, ce qui limite également la promotion du BMS à équilibrage actif.
Pour BMS, outre la fonction d’équilibrage, la stratégie d’équilibrage sous-jacente est encore plus importante. Lorsque la différence de consistance des cellules de la batterie se situe dans une certaine plage, la capacité et la tension de la batterie sont positivement corrélées ; Mais lorsque la consistance de la batterie est loin d'être bonne, c'est-à-dire lorsqu'une batterie est endommagée, la corrélation entre la puissance et la tension n'est pas si forte et la base de l'équilibre ne peut pas être jugée uniquement sur la base des données de tension. Si la batterie n'est pas consciente des dommages en dessous de l'état critique et maintient toujours l'équilibre de tension, elle peut en fait causer des dommages à la batterie, en particulier en équilibre actif, où les dommages causés par un courant élevé sont plus importants qu'en équilibre passif.
L'équilibrage actif convient aux applications de batteries au lithium de type puissance à grand nombre de chaînes et de grande capacité, tandis que l'équilibrage passif convient aux applications de batteries au lithium de petite capacité et à faible nombre de chaînes. La cohérence de la batterie de Tesla est très bonne et l'équilibrage passif est suffisant. Cependant, en Chine, il y a encore place à l'amélioration des matières premières et des processus de production des batteries, et le degré de dispersion dans la cohérence des batteries est relativement important. L'équilibrage actif sera plus adapté à l'application de batteries au lithium de type puissance.
2 Le rôle de l'équilibrage actif BMS dans les systèmes de stockage d'énergie
(1) Améliorer les performances globales de la batterie
1. Soulager le déséquilibre de puissance causé par des cellules individuelles incohérentes dans la batterie et améliorer la capacité globale et les performances énergétiques de la batterie.
Dans les systèmes de stockage d'énergie, en raison des différences dans les matériaux et les processus de fabrication, ainsi que des variations dans les environnements d'utilisation et les niveaux de vieillissement, il existe certaines différences dans les caractéristiques chimiques et électriques entre les cellules individuelles, se manifestant par des incohérences de capacité, de résistance interne CC, d'ouverture. tension du circuit, état de charge (SOC) et d’autres aspects. Cette incohérence peut entraîner une capacité inégale de la batterie entre les cellules individuelles du bloc-batterie, affectant la capacité globale et les performances énergétiques du bloc-batterie. Le BMS équilibre activement le transfert d'énergie des cellules individuelles de plus grande capacité vers les cellules individuelles de plus faible capacité grâce au transfert d'énergie, atténuant ainsi ce phénomène de déséquilibre de puissance et améliorant la capacité globale et les performances énergétiques de la batterie.
Par exemple, les transformateurs sont largement utilisés dans l’équilibrage actif pour équilibrer la distribution d’énergie au sein de la batterie grâce à des stratégies d’équilibrage par le bas et par le haut. Il existe également des méthodes d'équilibrage basées sur des composants de stockage d'énergie tels que des condensateurs et des inductances, ou basées sur des convertisseurs DC-DC. Ces méthodes d'équilibrage non consommatrices d'énergie transfèrent principalement de l'énergie entre des cellules individuelles ou entre des cellules individuelles et l'ensemble de la batterie via des condensateurs, des inductances ou des convertisseurs DC-DC. Par rapport aux structures d'équilibrage consommatrices d'énergie, elles sont plus complexes, mais ont une efficacité d'utilisation énergétique plus élevée, un transfert d'énergie flexible et peuvent améliorer efficacement les performances globales du bloc de batterie.
2. En détectant l'état de chaque cellule individuelle de la batterie, utilisez des méthodes d'équilibrage pour maintenir la tension ou l'état de charge entre les cellules individuelles dans une certaine plage.
Le système d'équilibrage actif BMS évalue l'état de fonctionnement de la batterie en surveillant en permanence les paramètres clés tels que la tension, le courant et la température de chaque cellule de la batterie. Lorsqu'une différence de tension ou d'état de charge entre des batteries individuelles est détectée, la méthode d'équilibrage est activée. Par exemple, en utilisant un convertisseur DC-DC direct bidirectionnel comme circuit principal d'équilibrage, lorsque l'énergie est transférée du côté haute tension vers le côté basse tension, les quatre transistors de commutation fonctionnent selon un timing de conduction de signal de commande spécifique pour obtenir un transfert d'énergie bidirectionnel de du côté basse tension U1 de l'unité au côté haute tension U2 et du côté haute tension U2 au côté basse tension U1 de l'unité, maintenant ainsi la tension ou l'état de charge entre les batteries de l'unité dans une certaine plage.
Dans le même temps, le circuit de contrôle du microcontrôleur, en tant que cœur de l'ensemble du système d'équilibrage, contrôle le module d'acquisition de tension via le bus CAN pour collecter la tension de chaque cellule individuelle du module de batterie. Les informations sur la batterie sont résumées et utilisées pour élaborer un plan d'équilibrage. Le réseau de commutateurs est utilisé pour sélectionner les cellules qui doivent être équilibrées, puis la commande d'équilibrage est envoyée au circuit de contrôle d'équilibrage pour garantir que l'état de chaque cellule individuelle du bloc de batterie se situe dans une plage raisonnable.
(2) Prolonger la durée de vie de la batterie
1. Inhibe l'apparition de cohérence entre les cellules de la batterie et réduit l'impact de la dispersion de la batterie sur la durée de vie de la batterie.
L'incohérence entre les cellules de la batterie s'accumulera progressivement avec l'augmentation de la durée d'utilisation, formant un déséquilibre dans la quantité d'électricité entre les cellules de la batterie, ce qui affecte non seulement la capacité globale et les performances énergétiques de la batterie, mais limite également la durée de vie de la batterie. paquet. Le BMS équilibre activement le transfert d'énergie des cellules individuelles de plus grande capacité vers les cellules individuelles de plus faible capacité grâce au transfert d'énergie, supprimant ainsi l'apparition d'une cohérence intercellulaire.
Par exemple, l’adoption d’une technologie d’équilibrage actif peut éviter le vieillissement prématuré de certaines batteries causé par des cellules individuelles incohérentes. Les produits BMS développés par Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd. avec des fonctions technologiques de base « d'équilibrage actif et de transmission sans fil » peuvent surveiller avec précision l'énergie de chaque batterie individuelle et réaliser activement un transfert d'énergie efficace entre les batteries individuelles, atteignant ainsi l'objectif d'équilibre énergétique entre batteries individuelles, améliorant considérablement les performances de la batterie, supprimant l'apparition de cohérence entre les cellules de la batterie et réduisant l'impact de la dispersion de la batterie sur la durée de vie du bloc-batterie.
2. Il peut augmenter la capacité disponible du système de batterie et améliorer considérablement la durée de vie.
La technologie d'équilibrage actif BMS élimine efficacement le problème du déséquilibre de capacité entre les cellules de la batterie grâce au transfert d'énergie, améliorant ainsi les performances de l'ensemble de la batterie. Adoptant la puce d'équilibrage actif DC-DC bidirectionnelle développée indépendamment par Kelie, par rapport aux puces d'équilibrage traditionnelles, l'algorithme intelligent avancé innovant intégré compense rapidement et efficacement les différences générées par la batterie via le transfert d'énergie, garantissant la cohérence de la batterie, prolongeant la durée de vie. et le temps moyen entre les pannes de la batterie, et améliorer efficacement les avantages économiques de l'ensemble du cycle de vie du produit. Les données de tests cycliques à long terme montrent que cette technologie d'équilibrage actif peut augmenter la capacité disponible du système de batterie de plus de 10 %, améliorer la durée de vie de plus de 20 %, et plus il y a de séries connectées, plus l'effet d'amélioration est significatif.
3 Le principe de fonctionnement de l'équilibrage actif BMS
(1) Composition du système d'équilibre
Le système d'équilibrage actif BMS se compose principalement d'un module de batterie en série, d'un bloc de batterie 12 V, d'un réseau de commutateurs, d'un circuit principal d'équilibrage, d'un circuit d'acquisition de tension et d'un circuit de contrôle de microcontrôleur.
1. Tableau de commutation :
Le réseau de commutateurs se compose de commutateurs de déclenchement de cellules de batterie et de commutateurs de déclenchement de polarité de batterie, qui peuvent réaliser le déclenchement des cellules qui doivent être équilibrées. Par exemple, pour une batterie connectée en série 7-cellules, il existe des combinaisons de commutateurs spécifiques pour sélectionner différentes batteries. En prenant la sélection de la batterie 1 et de la batterie 2 comme exemple, lorsque la batterie 1 est sélectionnée, les commutateurs K1, K2, KP3 et KP4 sont activés et les autres commutateurs sont désactivés, formant un circuit de charge et de décharge spécifique ; Lors de la sélection de la batterie 2, les interrupteurs K2, K3, KP1 et KP2 sont activés et les autres interrupteurs sont désactivés, formant un circuit de charge et de décharge correspondant. Le déclenchement de cellules impaires peut faire référence à la combinaison de commutateurs de déclenchement de la batterie 1, et même le déclenchement de cellules peut faire référence à la combinaison de commutateurs de déclenchement de la batterie 2.
2. Circuit principal équilibré :
Adopter un convertisseur DC-DC bidirectionnel pour réaliser un transfert d'énergie bidirectionnel. Cette topologie comprend principalement un transformateur T, deux résistances d'échantillonnage R1 et R2, deux condensateurs de filtrage C1 et C2, un condensateur de serrage C3, une inductance de filtrage L et quatre transistors de commutation Q1 à Q4.
(2) Mode de fonctionnement
1. L’énergie est transférée du côté basse pression d’une seule unité vers le côté haute pression.
2. L'énergie est transférée du côté haute tension vers le côté basse tension d'une seule unité, qui est divisée en quatre étapes. Le transfert et la libération de l'énergie s'effectuent grâce à la conduction et à la déconnexion du tube interrupteur :
Etape 1 : De l'instant t1 à t2, les tubes interrupteurs Q2 et Q3 sont allumés. À ce moment, le courant d'entrée I1 circule dans la même borne de l'enroulement côté haute tension du transformateur, et le courant de sortie I2 sort de la même borne de l'enroulement côté basse tension du transformateur. Le côté haute tension U2 transfère simultanément l’énergie vers le côté basse tension U1 et l’inductance L.
Étape 2 : Du temps t2 à t3, les interrupteurs Q2 et Q3 sont éteints, I2 est continué par les diodes du corps des interrupteurs Q1 et Q2, IT2 diminue progressivement, IQ1 augmente progressivement, et l'énergie stockée dans l'inducteur L et l'énergie magnétique résiduelle de l'enroulement basse tension sont libérés du côté basse tension.
Étape 3 : De l'instant t3 à t4, le commutateur Q1 est activé, I2 est continué par le commutateur Q1 et l'énergie stockée dans l'inductance L est libérée vers le côté basse tension U1.
Étape 4 : Du temps t4 au t5, le commutateur Q1 est désactivé, I2 est continué par la diode du corps du commutateur Q1 et l'énergie stockée dans l'inductance L continue d'être libérée vers le côté basse tension U1. Parmi eux, les étages deux et quatre sont tous deux des étages de zone morte, afin d'empêcher Q1 de court-circuiter l'enroulement basse tension lorsque Q2 et Q3 sont conducteurs. Le commutateur Q4 est connecté en série avec le condensateur de serrage C3 et connecté en parallèle aux deux extrémités du commutateur Q3 pour le serrage actif et la réinitialisation magnétique du transformateur.
4 L'état actuel de l'application de l'équilibrage actif BMS dans les systèmes de stockage d'énergie
(1) Entreprises participant au marché
Actuellement, il existe trois principaux types d’acteurs du marché dans l’équilibrage actif des BMS dans les systèmes de stockage d’énergie : les constructeurs automobiles, les fabricants de batteries de puissance au lithium et les fabricants indépendants de BMS.
La capacité installée de BMS produits par les constructeurs automobiles représente environ 21,3 % du total, la capacité installée de BMS produits par les usines de batteries au lithium de puissance représente environ 45,4 % et les fabricants professionnels de BMS représentent environ 33,3 % de la part. Bien que les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries occupent toujours des positions importantes, avec la tendance au progrès technologique et à la division spécialisée du travail, les fabricants professionnels de BMS connaissent une forte croissance et sont devenus dominants dans le domaine des véhicules utilitaires, et devraient avoir un impact important dans le secteur de l'énergie. champ de stockage.
Par exemple, CATL et BYD détiennent des parts de marché importantes dans le domaine des batteries de puissance au lithium, tout en exerçant également une certaine influence sur le marché des BMS de stockage d'énergie. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power et d'autres constructeurs automobiles, ainsi que des fabricants de batteries tels que BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd. et Beijing Plaid, participent activement au stockage d'énergie. Le marché des GTB. En outre, les fabricants professionnels de BMS tels que Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology et Sci Tech Electronics explorent également constamment le domaine des BMS de stockage d'énergie.
(2) Problèmes existants
1. Le système BMS de stockage d'énergie en Chine a démarré relativement tard, avec des normes incomplètes et aucune stratégie de contrôle unifiée. Bien qu'il existe des normes cadres en place, chaque entreprise a des exigences différentes en matière de boîtiers haute tension et de faisceaux de câbles de stockage d'énergie, ce qui entraîne des coûts d'installation et de mise en service élevés, des défauts multiples et un fonctionnement et une maintenance difficiles des systèmes de stockage d'énergie. Les départements concernés du pays sont en train de formuler des normes liées à l'industrie, qui devraient réglementer davantage l'industrie des BMS, garantir la sécurité et la durée de vie des batteries et réduire le coût des systèmes de stockage d'énergie grâce à la normalisation et à la mise à l'échelle.
2. La fiabilité de la technologie d’équilibrage actif doit encore être améliorée et le coût doit encore être réduit. À l’heure actuelle, la structure de l’équilibre actif est complexe et le coût est bien plus élevé que celui de l’équilibre passif. Par exemple, la méthode courante d'équilibrage actif utilisant des transformateurs pour la charge et la décharge DC-DC est de structure complexe, et la conception et le contrôle des matrices de commutation et des pilotes sont difficiles, ce qui limite également l'intégration complète de la fonction d'équilibrage actif dans des circuits intégrés dédiés. De plus, des structures complexes conduisent inévitablement à des circuits complexes, et l'augmentation des coûts et du taux de défaillance est inévitable, ce qui limite également la promotion du BMS à équilibrage actif.
3. L'algorithme BMS de stockage d'énergie ne fait que démarrer et il reste encore des progrès à faire dans l'estimation des progrès, de la convergence des algorithmes et de la robustesse. L'algorithme d'avertissement de batterie est particulièrement important dans les systèmes de stockage d'énergie, mais il reste encore presque un vide dans l'industrie en Chine. Dans l'ensemble, l'industrie BMS dans le domaine du stockage d'énergie a un niveau global faible, avec une variété d'entreprises de production BMS et une qualité de produit inégale. Certaines entreprises n’ont pas une compréhension suffisante des systèmes de stockage d’énergie. Cela conduit le BMS à toujours figurer en bonne place dans le classement des défaillances des composants de l'ensemble du système de stockage d'énergie.
5 La tendance de développement de l’équilibrage actif BMS dans les systèmes de stockage d’énergie
(1) La technologie d'équilibrage actif devient une tendance d'avenir
Avec l'amélioration continue des exigences de performance pour les systèmes de stockage d'énergie, les avantages de la technologie d'équilibrage actif deviennent de plus en plus importants. Il peut améliorer efficacement la cohérence de la batterie, améliorant ainsi les performances globales du système de stockage d'énergie. Dans les applications pratiques, la technologie d'équilibrage actif peut transférer l'énergie des batteries à haute énergie vers les batteries à faible consommation, atteignant ainsi l'équilibre énergétique dans le bloc de batterie, tout comme en supprimant les forces et les faiblesses des planches de bois. Cette technologie présente non seulement un rendement élevé et de faibles pertes, mais présente également un courant équilibré important et des résultats rapides. Par conséquent, la technologie d’équilibrage actif sera largement appliquée aux systèmes de gestion des batteries de stockage d’énergie et deviendra une tendance de développement future.
(2) Localisation des composants clés
Le développement de l’industrie nationale des BMS doit se concentrer sur la localisation des composants clés. À l'heure actuelle, le BMS chinois de stockage d'énergie a démarré relativement tard et ses composants clés dépendent des importations, ce qui non seulement augmente les coûts, mais peut également être confronté au risque d'un approvisionnement instable. L'amélioration des capacités indépendantes de recherche et de développement et la localisation des composants clés sont essentielles pour renforcer la compétitivité de l'industrie chinoise des BMS. Par exemple, un rapport de recherche publié par China International Capital Corporation (CICC) a souligné qu'il existe une grande marge d'amélioration dans le taux de localisation des puces de gestion de batterie et que les fabricants locaux sont confrontés à d'importantes opportunités commerciales. Avec la croissance de l'espace du marché intérieur en aval et l'augmentation de la part des fabricants locaux en aval, les fabricants locaux de puces de gestion de batterie devraient ouvrir la voie à de nouvelles opportunités.
(3) Intégration améliorée des produits
À l'avenir, la combinaison d'algorithmes d'état de la batterie et de Big Data basés sur le cloud deviendra courante, et les algorithmes d'intelligence artificielle seront également largement appliqués dans les BMS. Cela améliorera la fiabilité et la sécurité du système. Par exemple, le brevet « Convertisseur de stockage d'énergie et système de stockage d'énergie » déposé par Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd. simplifie la conception, réduit la complexité et le nombre de composants du système et réduit considérablement la conception. coût et difficulté d’intégration. Dans le même temps, la conception de l’unité de contrôle permet à l’appareil d’attribuer intelligemment l’énergie, améliorant ainsi l’efficacité opérationnelle du système de stockage d’énergie. Avec l'avancement continu de la technologie, l'intégration des produits BMS continuera de s'améliorer, offrant un soutien plus fort au développement de systèmes de stockage d'énergie.