Коли люди говорять про електромобілі (EV), розмова часто обертається навколо запасу ходу, прискорення та швидкості заряджання. Однак, за цією вражаючою продуктивністю стоїть тихий, але важливий компонент, який наполегливо працює:Система керування акумуляторами електромобілів (BMS).
Ви можете уявити BMS як дуже старанного «охоронця акумулятора». Він не лише стежить за «температурою» та «витривалістю» (напругою) акумулятора, але й забезпечує злагоджену роботу кожного члена команди (елементів). Як підкреслюється у звіті Міністерства енергетики США, «вдосконалене управління акумуляторами має вирішальне значення для просування впровадження електромобілів».¹
Ми заглибимося в цю невідому технологію. Почнемо з ядра, яким він керує — типів батарей, потім перейдемо до його основних функцій, архітектури, схожої на мозок, і, нарешті, розглянемо майбутнє, яке буде базуватися на штучному інтелекті та бездротових технологіях.
1: Розуміння «серця» BMS: типи акумуляторів для електромобілів
Конструкція BMS нерозривно пов'язана з типом акумулятора, яким вона керує. Різний хімічний склад вимагає зовсім різних стратегій управління. Розуміння цих акумуляторів – це перший крок до розуміння складності проектування BMS.
Порівняльний огляд основних та майбутніх акумуляторів для електромобілів
| Тип батареї | Ключові характеристики | Переваги | Недоліки | Фокус управління BMS |
|---|---|---|---|---|
| Фосфат літію заліза (LFP) | Економічно вигідний, дуже безпечний, з тривалим терміном служби. | Відмінна термостабільність, низький ризик теплового виходу. Термін служби може перевищувати 3000 циклів. Низька вартість, не містить кобальту. | Відносно нижча щільність енергії. Погана продуктивність за низьких температур. Важко оцінити рівень заряду (SOC). | Високоточна оцінка SOCПотрібні складні алгоритми для обробки плоскої кривої напруги.Низькотемпературний попередній нагрівПотрібна потужна інтегрована система обігріву акумуляторів. |
| Нікель-марганцевий кобальт (NMC/NCA) | Висока щільність енергії, великий запас ходу. | Провідна щільність енергії для більшого запасу ходу. Краща продуктивність у холодну погоду. | Нижча термічна стабільність. Вища вартість через кобальт та нікель. Термін служби зазвичай коротший, ніж у LFP. | Моніторинг активної безпекиМоніторинг напруги та температури елемента на мілісекундному рівні.Потужне активне балансування: Підтримує узгодженість між клітинами з високою щільністю енергії.Тісна координація теплового управління. |
| Твердотільний акумулятор | Використовує твердий електроліт, який вважається наступним поколінням. | Абсолютна безпекаФундаментально усуває ризик пожежі через витік електроліту.Надвисока щільність енергіїТеоретично до 500 Вт·год/кг. Ширший діапазон робочих температур. | Технологія ще не зріла; висока вартість. Проблеми з опором інтерфейсу та терміном служби. | Нові технології сенсорних системМоже знадобитися моніторинг нових фізичних величин, таких як тиск.Оцінка стану інтерфейсуМоніторинг стану поверхні розділу між електролітом та електродами. |
2: Основні функції BMS: що вона насправді робить?
Повнофункціональна BMS подібна до багатогранного експерта, який одночасно виконує ролі бухгалтера, лікаря та охоронця. Її роботу можна розділити на чотири основні функції.
1. Оцінка стану: «Паливний індикатор» та «Звіт про стан»
•Стан заряду (SOC):Ось що найбільше хвилює користувачів: «Скільки залишилося заряду батареї?» Точна оцінка заряду батареї запобігає тривозі щодо запасу ходу. Для таких батарей, як LFP, з плоскою кривою напруги, точна оцінка заряду батареї є технічним завданням світового класу, що вимагає складних алгоритмів, таких як фільтр Калмана.
•Стан здоров'я (СЗЗ):Це оцінює «стан» акумулятора порівняно з новим станом і є ключовим фактором у визначенні вартості вживаного електромобіля. Акумулятор із 80% заряду акумулятора означає, що його максимальна ємність становить лише 80% від ємності нового акумулятора.
2. Балансування клітин: мистецтво командної роботи
Акумуляторний блок складається з сотень або тисяч елементів, з'єднаних послідовно та паралельно. Через незначні відмінності у виробництві, швидкість їх заряджання та розряджання дещо відрізнятиметься. Без балансування елемент з найнижчим зарядом визначатиме кінцеву точку розряджання всього блоку, тоді як елемент з найвищим зарядом визначатиме кінцеву точку заряджання.
• Пасивне балансування:Спалює надлишок енергії з високо заряджених елементів за допомогою резистора. Це просто та дешево, але генерує тепло та марнує енергію.
• Активне балансування:Передає енергію від елементів із вищим зарядом до елементів із нижчим. Це ефективно та може збільшити корисний запас ходу, але складно та дорого. Дослідження SAE International показують, що активне балансування може збільшити корисну ємність рюкзака приблизно на 10%⁶.
3. Захист безпеки: Пильний «Охоронець»
Це найважливіша відповідальність BMS. Вона постійно контролює параметри акумулятора за допомогою датчиків.
• Захист від перенапруги/недоліку напруги:Запобігає перезарядженню або перерозрядженню – основним причинам незворотного пошкодження акумулятора.
• Захист від перевантаження по струму:Швидко відключає ланцюг під час аномальних струмових подій, таких як коротке замикання.
• Захист від перегріву:Акумулятори надзвичайно чутливі до температури. Система управління будівництвом (BMS) контролює температуру, обмежує потужність, якщо вона занадто висока або низька, та активує системи нагрівання або охолодження. Запобігання тепловому виходу є її головним пріоритетом, що життєво важливо для комплексного...Дизайн зарядної станції для електромобілів.
3. Мозок BMS: як він влаштований?
Вибір правильної архітектури BMS – це компроміс між вартістю, надійністю та гнучкістю.
Порівняння архітектури BMS: централізована, розподілена та модульна
| Архітектура | Структура та характеристики | Переваги | Недоліки | Репрезентативні постачальники/технології |
|---|---|---|---|---|
| Централізований | Всі дроти датчиків клітин підключаються безпосередньо до одного центрального контролера. | Низька вартість Проста структура | Єдина точка відмови. Складна, важка проводка. Погана масштабованість. | Texas Instruments (TI), Інфінеонпропонують високоінтегровані одночіпові рішення. |
| Розподілений | Кожен акумуляторний модуль має власний ведений контролер, який звітує перед головним контролером. | Висока надійність. Висока масштабованість. Легке обслуговування. | Висока вартість Складність системи | Аналогові пристрої (ADI)Бездротова система управління будинком (wBMS) від компанії є лідером у цій галузі.NXPтакож пропонує надійні рішення. |
| Модульний | Гібридний підхід між двома іншими, що балансує вартість та продуктивність. | Гарний баланс Гнучкий дизайн | Жодної видатної риси; посередній у всіх аспектах. | Постачальники першого рівня, такі якМареллііПрехпропонують такі індивідуальні рішення. |
A розподілена архітектура, особливо бездротові системи управління будинками (wBMS), стають галузевим трендом. Вони усувають складну комунікаційну проводку між контролерами, що не тільки зменшує вагу та вартість, але й забезпечує безпрецедентну гнучкість у проектуванні акумуляторних блоків та спрощує інтеграцію зОбладнання для електропостачання транспортних засобів (EVSE).
4: Майбутнє BMS: технологічні тенденції наступного покоління
Технологія BMS ще далеко не є кінцевою метою; вона розвивається, щоб стати розумнішою та більш пов'язаною.
• Штучний інтелект та машинне навчання:Майбутні системи управління будівлею (BMS) більше не будуть спиратися на фіксовані математичні моделі. Натомість вони використовуватимуть штучний інтелект та машинне навчання для аналізу величезних обсягів історичних даних, щоб точніше прогнозувати рівень експлуатації (SOH) та залишковий термін служби (RUL), а також забезпечувати ранні попередження про потенційні несправності⁹.
• Підключена до хмари BMS:Завантажуючи дані в хмару, можна здійснювати дистанційний моніторинг та діагностику акумуляторів транспортних засобів по всьому світу. Це не лише дозволяє оновлювати алгоритм BMS по бездротовій мережі (OTA), але й надає безцінні дані для досліджень акумуляторів наступного покоління. Ця концепція «транспортний засіб-хмара» також закладає основу дляv2g(Від транспортного засобу до мережі)технології.
• Адаптація до нових технологій акумуляторів:Чи то твердотільні акумулятори, чиОсновні технології Flow Battery та LDES, ці новітні технології вимагатимуть абсолютно нових стратегій управління BMS та сенсорних технологій.
Контрольний список проектування інженера
Для інженерів, які займаються проектуванням або вибором BMS, ключовими моментами є наступні:
• Рівень функціональної безпеки (ASIL):Чи відповідає цеISO 26262стандарт? Для критично важливого компонента безпеки, такого як BMS, зазвичай потрібен ASIL-C або ASIL-D¹⁰.
• Вимоги до точності:Точність вимірювання напруги, струму та температури безпосередньо впливає на точність оцінки стану заряду/напруги.
• Протоколи зв'язку:Чи підтримує він основні протоколи автомобільних шин, такі як CAN та LIN, і чи відповідає він вимогам до зв'язку...Стандарти заряджання електромобілів?
• Можливість балансування:Це активне чи пасивне балансування? Який струм балансування? Чи може це відповідати конструктивним вимогам акумуляторного блоку?
• Масштабованість:Чи можна легко адаптувати рішення до різних платформ акумуляторних блоків з різною ємністю та рівнями напруги?
Еволюціонуючий мозок електромобіля
TheСистема керування акумуляторами електромобілів (BMS)є невід'ємною частиною сучасної технології електромобілів. Він перетворився з простого монітора на складну вбудовану систему, яка інтегрує сенсорні функції, обчислення, керування та зв'язок.
Оскільки сама технологія акумуляторів та передові галузі, такі як штучний інтелект та бездротовий зв'язок, продовжують розвиватися, BMS стане ще більш інтелектуальною, надійною та ефективною. Вона є не лише гарантом безпеки транспортних засобів, але й ключем до розкриття повного потенціалу акумуляторів та забезпечення більш сталого майбутнього транспорту.
Найчастіші запитання
З: Що таке система керування акумуляторами електромобілів?
A: An Система керування акумуляторами електромобілів (BMS)є «електронним мозком» та «охоронцем» акумуляторної батареї електромобіля. Це складна система апаратного та програмного забезпечення, яка постійно контролює та керує кожною окремою батарейною коміркою, забезпечуючи безпечну та ефективну роботу акумулятора за будь-яких умов.
З: Які основні функції BMS?
A:Основні функції BMS включають: 1)Оцінка штатуТочний розрахунок залишку заряду акумулятора (State of Charge - SOC) та його загального стану (State of Health - SOH). 2)Балансування клітинЗабезпечення рівномірного рівня заряду всіх елементів у комплекті, щоб запобігти перезаряду або перерозряду окремих елементів. 3)Захист безпекиВідключення кола у разі перенапруги, перенапруги, перевантаження по струму або перегріву для запобігання небезпечним подіям, таким як тепловий розгін.
З: Чому BMS така важлива?
A:BMS безпосередньо визначає електромобільбезпека, запас ходу та термін служби батареїБез системи управління будівництвом (BMS) дорогий акумуляторний блок може бути пошкоджений дисбалансом елементів протягом кількох місяців або навіть спалахнути. Удосконалена BMS є наріжним каменем досягнення великого запасу ходу, тривалого терміну служби та високої безпеки.
Час публікації: 18 липня 2025 р.