Algoritmos de software e estratégias de controle para bateria de lítio BMS

No momento em que a nova indústria de energia está crescendo, as baterias de lítio são amplamente utilizadas em veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia e outros campos devido a suas vantagens, como alta densidade de energia e vida útil do ciclo longo. Como o componente principal do sistema de bateria de lítio, seus algoritmos de software e estratégias de controle estão diretamente relacionados ao desempenho, segurança e vida útil da bateria de lítio. Este artigo realizará discussões detalhadas sobre os algoritmos de software e estratégias de controle do BMS da bateria de lítio e se concentrará na introdução de tecnologias e casos de aplicação avançados no setor.

1. As funções principais e arquitetura de software da bateria de lítio BMS

Funções principais

• Monitoramento do status da bateria:Coleção em tempo real de parâmetros-chave, como tensão, corrente, temperatura e outros parâmetros-chave da bateria, fornecendo base de dados para as estratégias subsequentes de estimativa e controle do estado.
• Estimativa do estado da bateria:Estimando com precisão o estado de carga (SOC), o estado de saúde (SOH) e o estado de poder (SOP) da bateria é a chave para o gerenciamento inteligente da bateria pelo BMS.
• Gerenciamento de balanceamento de bateria:Através do equilíbrio ativo ou passivo, verifique a consistência de cada célula na bateria e prolongue a vida útil da bateria.
• Controle de carga e descarga:De acordo com o estado e os requisitos de condição de trabalho da bateria, o processo de carregamento e descarga é razoavelmente controlado para impedir a ocorrência de condições anormais, como sobrecarga e sobrediscar.
• Controle de gerenciamento térmico:Monitore a temperatura da bateria e tome medidas apropriadas, como ativar o filme de resfriamento ou aquecimento do ventilador, para garantir que a bateria esteja operando dentro da faixa de temperatura apropriada, melhorando o desempenho e a segurança da bateria.
• Diagnóstico e proteção de falhas:Monitoramento em tempo real do status operacional do sistema de bateria, detecção e diagnóstico oportunos de falhas e tomadas de medidas de proteção, como cortar o circuito, alarme etc., para evitar a expansão de falhas e garantir a segurança do sistema.

Arquitetura de software

• Sistema operacional em tempo real (RTOs) ou programas de metal nu:Responsável pelo controle de tempo e agendamento de tarefas para garantir que as funções do BMS possam ser executadas em tempo real e com eficiência.
• Software de camada de aplicativo:A implementação de funções principais, como estimativa do status da bateria, controle de carga e descarga e diagnóstico de falhas, é uma parte essencial do gerenciamento de BMS de forma inteligente.
• Interface do usuário:Fornece visualização de dados, configuração de parâmetros do sistema e informações de diagnóstico para facilitar os usuários para monitorar e operar o sistema BMS.

2. Algoritmo de estimativa de status da bateria

Estimativa do SOC

• Método de integração anfíbia:Calcule a quantidade de carga e descarga da bateria integrando a corrente, obtendo assim o valor do SOC. Esse método é simples e fácil de usar, mas é facilmente afetado por fatores como o acúmulo de erros do sensor atual e a auto-descarga da bateria durante o uso a longo prazo, resultando em um aumento no erro de estimativa.
• Método de tensão de circuito aberto:Estimar com base na correspondência entre a tensão do circuito aberto da bateria e o SOC. Depois que a bateria é deixada para resistir por um período de tempo, a tensão do circuito aberto é medido e comparado com a curva de tensão SOC de circuito aberto pré-estabelecido para obter o valor atual do SOC. Esse método tem alta precisão, mas devido a fatores como temperatura e envelhecimento da bateria, a curva de tensão-tensão do circuito aberto mudará e a compensação será necessária.
• Método de filtragem de Kalman:é um algoritmo recursivo baseado no modelo de espaço de estado, que pode fundir várias informações de origem, como tensão da bateria, corrente, temperatura etc., atualizar as estimativas do SOC em tempo real e suprimir o ruído de medição e os erros do modelo. Possui alta precisão de estimativa e forte capacidade anti-interferência. No momento, é um dos métodos de estimativa do SOC mais avançados, mas o volume de cálculo é relativamente grande e possui altos requisitos para o desempenho do processador. Por exemplo, ao processar sistemas não lineares, o algoritmo de filtragem Kalman estendido (EKF) estima o SOC da bateria pela aproximação linearizante, que pode controlar o erro de estimativa para menos de 5%.

Avaliação Soh

• Método de teste de capacidade:O SOH é determinado executando um ciclo completo de carga e descarga da bateria e medindo a proporção de sua capacidade real e capacidade nominal. Esse método tem alta precisão, mas requer carregamento profundo e descarga da bateria, que leva muito tempo e terá um certo efeito de envelhecimento na bateria. Geralmente é usado para testes e avaliação offline da bateria.
• Método de teste de resistência interna:A resistência interna de uma bateria aumenta com o aumento do envelhecimento. O SOH pode ser estimado medindo as alterações na resistência interna da bateria. No entanto, quando usado sozinho, esse método é suscetível a fatores como temperatura e SOC, e a avaliação abrangente é necessária em combinação com outros métodos.
• Método de reconhecimento de padrões de dados:Use algoritmos de aprendizado de máquina, como redes neurais artificiais, máquinas vetoriais de suporte etc. para aprender e analisar os dados históricos da bateria e os dados de execução em tempo real, estabelecer um modelo de estado de saúde de uma bateria e prever o SOH com base nos dados do recurso de entrada. Esse método pode extrair relacionamentos não lineares complexos nos dados da bateria, com alta precisão e adaptabilidade de estimativa, mas requer uma grande quantidade de dados de treinamento e processamento de dados profissionais e recursos de análise.

3. Estratégia de controle do balanço da bateria

Equalização passiva

• Princípio:Ao conectar resistores na bateria, o excesso de energia elétrica de uma única célula com uma tensão mais alta é consumida na forma de energia térmica, de modo que as tensões de cada célula única tendem a ser consistentes.
• Vantagens:Circuito simples, baixo custo, tecnologia madura e alta confiabilidade.
• Desvantagens:Baixa taxa de utilização de energia, adequada apenas para processo de carregamento, velocidade de equalização lenta, não adequada para baterias de grande capacidade.

Equalização ativa

• Princípio:A energia de uma única bateria com uma energia mais alta na bateria é transferida ativamente para uma única bateria com uma energia mais baixa através de circuitos específicos (como conversores bidirecionais DC-DC, transformadores etc.) a uma única bateria com uma energia mais baixa para obter realocação de energia e equalização.
• Vantagens:Taxa de utilização de alta energia, velocidade rápida do equilíbrio, ajuste bidirecional, adequado para baterias de grande capacidade e altas bateria de cordas, podem melhorar efetivamente o desempenho geral e a vida útil da bateria.
• Desvantagens:O circuito é complexo, o custo é alto e a precisão do controle é alta.

Otimização da estratégia de equilíbrio

• Com base no algoritmo de controle difuso:Ajuste dinamicamente o limiar de equalização e a corrente de equalização de acordo com o estado em tempo real da bateria, como a diferença de tensão e temperatura única, e dê prioridade a baterias únicas com grandes diferenças de tensão para melhorar a eficiência da equalização e reduzir a perda de energia.
• Algoritmo genético baseado:Simulando processos evolutivos biológicos, otimizando os caminhos e parâmetros de equilíbrio e encontrando a estratégia ideal de controle de equilíbrio para obter um melhor efeito de equilíbrio e maior utilização de energia.

4. Estratégia de controle de carga e descarga

Estratégia de controle de cobrança

• Método de carregamento de tensão de corrente constante e constante:Este é o método de carregamento de bateria de lítio mais comumente usado no momento. No estágio inicial do carregamento, a bateria é carregada com uma corrente constante. Quando a tensão da bateria atinge um determinado valor, ele muda para um carregamento de tensão constante até que o carregamento termine. Esse método pode melhorar efetivamente a eficiência do carregamento, reduzir o tempo de carregamento e evitar sobrecarregar para a bateria.
• Método de carregamento em vários estágios:Divida o processo de carregamento em vários estágios, como pré-carregamento, carregamento de corrente constante, carregamento constante de tensão, carregamento flutuante, etc. Dependendo do status e dos requisitos da bateria, diferentes correntes e tensões são usadas em diferentes estágios para melhorar ainda mais a eficiência do carregamento e o desempenho da bateria e estender a duração da bateria.
• Estratégia de carregamento inteligente:Ajuste dinamicamente a corrente e a tensão de carregamento com base na estimativa do status da bateria e nos dados de monitoramento em tempo real. Por exemplo, com base no SOC, SOH, temperatura e outros parâmetros da bateria, a curva de carregamento é otimizada, o carregamento personalizado é alcançado e a segurança e a eficiência do carregamento são aprimoradas.

Estratégia de controle de descarga

• Proteção sobrediscarcation:Monitore a tensão da bateria em tempo real. Quando a tensão da bateria única é menor que o limite de sobredatação de sobredisote definido, corte o circuito de descarga no tempo para impedir que a bateria seja descarregada profundamente e evite danos irreversíveis à bateria. Por exemplo, o limiar de alta descarga das baterias de fosfato de ferro de lítio é geralmente em torno de 2,5V, e o limiar de carga excessiva de baterias ternárias de lítio é de cerca de 2,8V.
• Limite de potência e ajuste dinâmico:Limite a energia de descarga de acordo com o status da bateria e os requisitos das condições de trabalho para evitar a sobrecarga da bateria. Em aplicações como veículos elétricos, a energia de descarga pode ser ajustada dinamicamente de acordo com fatores como o status de direção do veículo, o SOC e a temperatura da bateria para garantir a operação segura da bateria e, ao mesmo tempo, melhorar o desempenho e o alcance do veículo.
• Controle de equalização de descarga:Durante o processo de descarga, combinado com o gerenciamento de equalização da bateria, os ajustes de equalização apropriados são realizados em células únicas com baixas tensões, para que a bateria mantenha uma boa consistência durante o processo de descarga e melhore o desempenho geral da descarga e a vida útil da bateria.

5. Estratégia de controle de gerenciamento térmico

Monitoramento de temperatura e aviso precoce

• Monitoramento de vários pontos:Organize vários sensores de temperatura nos principais locais da bateria para monitorar a distribuição de temperatura da bateria em tempo real. Ao coletar dados de temperatura em diferentes locais, o estado térmico da bateria pode ser entendido com mais precisão, fornecendo uma base para o gerenciamento e controle térmico.
• Aviso de temperatura:Defina um limiar de alerta de temperatura. Quando a temperatura da bateria exceder o intervalo de aviso, um sinal de alarme será emitido a tempo de lembrar o sistema a tomar medidas correspondentes. Por exemplo, quando a temperatura da bateria atinge 45 ℃, um aviso de alta temperatura é emitido; Quando a temperatura cai abaixo de 0 ℃, um aviso de baixa temperatura é emitido

Estratégia de controle de dissipação de calor

• Dissipação de calor refrigerada a ar:Use ventiladores e outros equipamentos para acelerar o fluxo de ar ao redor da bateria, retirando o calor gerado pela bateria. Ao controlar a velocidade do ventilador, ajustando dinamicamente a intensidade da dissipação de calor de acordo com fatores como temperatura da bateria e energia de descarga para garantir que a temperatura da bateria esteja dentro de uma faixa razoável. Por exemplo, quando um veículo elétrico está dirigindo em alta velocidade ou quando uma bateria é descarregada em alta potência, a velocidade do ventilador é aumentada e o efeito de dissipação de calor é aprimorado.
• Dissipação de calor refrigerada a líquido:Para sistemas de bateria de alta potência e de grande capacidade, a dissipação de calor resfriada a líquido é adotada. Ao circular o líquido de arrefecimento, o calor gerado pela bateria é rapidamente transmitido e emitido. A dissipação de calor refrigerada a líquido tem as vantagens da alta eficiência da dissipação de calor e da precisão do controle de alta temperatura, o que pode reduzir efetivamente o gradiente de temperatura da bateria e melhorar o desempenho e a vida útil da bateria.

Estratégias de controle de aquecimento

• Pré-aquecimento de baixa temperatura:Em um ambiente de baixa temperatura, quando a temperatura da bateria cair abaixo de um determinado valor (por exemplo, 0 ° C), ative um dispositivo de aquecimento, como um filme de aquecimento ou aquecedor de PTC, para pré-aquecer a bateria e elevar sua temperatura para uma faixa operacional adequada. Durante o processo de pré -aquecimento, a potência de aquecimento e o tempo de aquecimento devem ser controlados para evitar danos à bateria causada pelo aquecimento excessivo.
• Controle de equalização de temperatura:Durante o processo de aquecimento, a temperatura de cada célula na bateria aumenta uniformemente através de uma estratégia de controle razoável para evitar superaquecimento local ou diferença excessiva de temperatura. Por exemplo, o controle de aquecimento zonal é usado para ajustar a potência de aquecimento de acordo com a temperatura de cada área para obter uma distribuição uniforme da temperatura da bateria.

6. Estratégias de diagnóstico e proteção de falhas

Algoritmo de diagnóstico de falhas

• Diagnóstico baseado em regras:Formule uma série de regras de diagnóstico com base nas características anormais da tensão, corrente, temperatura e outros parâmetros da bateria. Quando os parâmetros monitorados excederem o intervalo de segurança predefinidos ou existem mutações, as regras de diagnóstico correspondentes serão acionadas para determinar o tipo e a localização da falha. Por exemplo, quando a tensão da bateria cai repentinamente para zero, é julgado que pode haver uma falha de curto -circuito.
• Método estatístico:Use dados históricos e modelos estatísticos para analisar as tendências e correlações em mudança dos parâmetros da bateria. Ao analisar as características estatísticas dos parâmetros da bateria, como média, variação, coeficiente de correlação etc., a degradação do desempenho da bateria e as falhas em potencial são descobertas em tempo hábil. Por exemplo, quando a resistência interna da bateria aumenta e excede gradualmente um determinado limite, prevê -se que a bateria pode sofrer uma falha no envelhecimento.
• Métodos de aprendizado de máquina:Modelos de aprendizado de máquina de trem, como máquinas vetoriais de suporte, florestas aleatórias, redes neurais etc. para identificar os padrões de comportamento normal e anormal da bateria. Ao inserir uma grande quantidade de dados de operação da bateria, o modelo pode aprender as características e os padrões de comportamento da bateria, alcançando o diagnóstico automático e o aviso precoce de falhas. Os métodos de aprendizado de máquina têm alta precisão e adaptabilidade de diagnóstico, mas requerem uma grande quantidade de dados de treinamento e tecnologia de treinamento de modelos profissionais.

Medidas de proteção de falhas

• Circuito de corte:Quando falhas graves são diagnosticadas, como curto -circuito, sobrecarga, excesso de carga etc., corte o circuito de carga e descarga da bateria a tempo para impedir que a falha expanda e proteja a segurança da bateria e do sistema. Por exemplo, corte rapidamente o circuito controlando o ON e fora do MOSFET ou relé.
• Alarme e indicação de falha:No caso de uma falha, um sinal de alarme audível e de luz é emitido para lembrar ao usuário ou administrador do sistema que prestasse atenção. Ao mesmo tempo, o tipo de falha e as informações relacionadas são exibidas através da luz do indicador de falha ou da tela de exibição, o que facilita a solução de problemas e o manuseio.
• Isolamento obrigatório:Em grandes sistemas de bateria, como sistemas de armazenamento de energia, quando um módulo ou cluster de bateria falha, a parte defeituosa é isolada de todo o sistema através de disjuntores de CC, fusíveis e outros equipamentos para impedir a propagação da falha e garantir a operação normal do sistema.

7. Estratégia de gerenciamento de comunicação

Seleção de protocolo de comunicação

• Protocolo de ônibus pode:tem as vantagens dos recursos de comunicação de alta velocidade, taxa de erro de bit baixa e suporte para conexões com vários nós. É amplamente utilizado em veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia e outros campos. O barramento CAN pode realizar uma comunicação eficiente entre BMS e controladores de veículos, carregadores, inversores e outros dispositivos, garantindo a precisão e a confiabilidade da transmissão de dados.
• Protocolo RS-485:Adequado para a comunicação de longa distância, possui as características da forte capacidade anti-interferência e muitos nós conectados e é frequentemente usada para monitorar e gerenciamento de sistemas de armazenamento de energia em larga escala. Através do barramento RS-485, várias unidades de escravos BMS podem ser conectadas às unidades mestre para obter monitoramento e gerenciamento centralizados.
• Protocolo de comunicação sem fio:como Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, etc., que podem ser usados ​​para comunicação sem fio entre BMS e dispositivos móveis, computadores host, etc. O método de comunicação sem fio tem as vantagens de fácil instalação e alta flexibilidade, que facilita os usuários a monitorar o status da bateria e a configuração de parâmetros em tempo real.

Gerenciamento de dados e otimização de transmissão

• Aquisição e processamento de dados:Projete razoavelmente a frequência e precisão de aquisição de dados e colete dados de parâmetros -chave de acordo com os requisitos de status e aplicação da bateria. Os dados coletados são filtrados, calibrados, fusão e outros processamento para melhorar a precisão e a confiabilidade dos dados e fornecer suporte de dados de alta qualidade para as estratégias subsequentes de estimativa e controle do estado.
• Otimização de transmissão de dados:adota tecnologias de compactação e embalagem de dados para reduzir o volume de transmissão de dados e melhorar a eficiência da transmissão. Ao mesmo tempo, otimize a estrutura do quadro de dados de comunicação para garantir a integridade e a timidade real da transmissão de dados. Por exemplo, na comunicação de barramento CAN, o ID e a duração do quadro de dados são alocados razoavelmente para evitar conflitos de dados e atrasos na transmissão.

8. Casos práticos de aplicação e tendências da indústria

Casos de aplicação práticos

• Veículo elétrico:Em um projeto de veículo elétrico, um método de estimativa do SOC baseado no algoritmo de filtragem Kalman estendido é adotado, combinado com a estratégia de controle de carregamento de vários estágios e o gerenciamento de equalização passiva, para obter estimativa de estado de alta precisão e gerenciamento eficaz da bateria. O sistema BMS pode ajustar dinamicamente a corrente e a tensão de carregamento de acordo com o status da bateria e as necessidades de condução do veículo, otimizar o processo de carregamento e descarga da bateria e melhorar a faixa de cruzeiro e a duração da bateria do veículo. Ao mesmo tempo, através da comunicação com o barramento CAN do controlador do veículo, as informações de status da bateria são transmitidas em tempo real para garantir a operação segura do veículo.
• Sistema de armazenamento de energia:Em uma grande usina de armazenamento de energia, uma arquitetura BMS distribuída é adotada, combinada com a tecnologia de equalização ativa e estratégias de gerenciamento térmico baseadas em algoritmos de controle difuso, para obter gerenciamento e controle eficientes de baterias de lítio em larga escala. O sistema BMS garante a uniformidade e a segurança da temperatura da bateria durante o carregamento e descarga através de monitoramento de temperatura de vários pontos e controle inteligente de dissipação de calor. Ao mesmo tempo, são realizados a tecnologia de comunicação sem fio, a transmissão de dados e o monitoramento remoto do sistema de armazenamento de energia e o centro de monitoramento remoto, o que facilita o monitoramento e o gerenciamento em tempo real do status operacional do sistema de armazenamento de energia e melhora a confiabilidade e a manutenção do sistema de armazenamento de energia.

Tendências da indústria

• Controle inteligente e adaptável:A futura bateria de lítio BMS será mais inteligente e terá recursos de controle adaptativo. Ao introduzir tecnologias como inteligência artificial e aprendizado de máquina, o BMS pode aprender as características e as condições de trabalho da bateria em tempo real, ajustar automaticamente estratégias de controle e parâmetros de algoritmo, realizar uma estimativa de estado mais precisa e controle de gerenciamento mais otimizado e melhorar o desempenho e a vida do sistema de bateria.
• Alta precisão e alta confiabilidade:À medida que a escala de aplicação das baterias de lítio em veículos elétricos, o armazenamento de energia e outros campos continua a se expandir, os requisitos de precisão e confiabilidade para BMS também estão aumentando. O BMS adotará a tecnologia de sensores mais avançada, os algoritmos de processamento de sinais e os métodos de diagnóstico de falhas para melhorar a precisão do monitoramento e estimativa do status da bateria, enquanto fortalece o projeto de confiabilidade e o design redundante do sistema para garantir a operação estável dos BMs sob várias condições de operação severas.
• Integração e modularidade: Para reduzir custos e melhorar a escalabilidade e a manutenção do sistema, a bateria de lítio BMS avançará em direção à integração e modularidade. As funções de hardware e software do BMS são projetadas modularmente para facilitar a combinação e expansão flexíveis de acordo com diferentes cenários de aplicação e configurações de bateria. Ao mesmo tempo, o BMS é profundamente integrado a baterias, inversores, carregadores e outros equipamentos para formar um sistema de gerenciamento de energia mais compacto e eficiente.
• Integração com outras tecnologias:A bateria de lítio BMS será profundamente integrada a tecnologias como a Internet das coisas, big data e computação em nuvem para realizar o monitoramento remoto, gerenciamento inteligente e análise de dados de sistemas de bateria. Através da tecnologia da IoT, o BMS pode fazer upload de dados em tempo real da bateria para a plataforma em nuvem, realizando o monitoramento remoto e o aviso de falha do sistema de bateria. Usando a tecnologia de big data e computação em nuvem, uma grande quantidade de dados de operação da bateria é analisada e extraída, fornecendo suporte de dados para gerenciamento de saúde da bateria, otimização de desempenho e previsão da vida e promovendo o desenvolvimento e o progresso contínuos da tecnologia de bateria de lítio.

Para resumir, os algoritmos de software e as estratégias de controle da bateria de lítio BMS são a chave para garantir a operação segura e eficiente das baterias de lítio. Ao otimizar continuamente os algoritmos de estimativa do status da bateria, estratégias de controle equilibrado, estratégias de controle de carga e descarga, estratégias de controle de gerenciamento térmico, estratégias de diagnóstico e proteção de falhas e estratégias de gerenciamento de comunicação, o desempenho, a vida e a confiabilidade das baterias de lítio podem ser aprimoradas e a crescente demanda do setor de energia para sistemas de bateria de lítio pode ser atendida. No futuro, com a inovação e o progresso contínuos da tecnologia, as BMs de bateria de lítio farão maiores avanços em inteligência, alta precisão, alta confiabilidade, integração etc., fornecerá suporte mais forte ao desenvolvimento da indústria de bateria de lítio, promove o desenvolvimento sustentável da nova indústria de energia e ajude a transformação global de energia e o processo de desenvolvimento sustentável.

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