Batarya yönetim sistemi (BMS),Lityumakülerin hedeflenen voltaj ve akım aralığının belirli bir süre boyunca iletilmesini sağlamak üzere elektriksel olarak sıra x sütun matris konfigürasyonunda düzenlenen, akü hücrelerinin bir birleşimi olan bir teknolojidir.
Bir BMS'nin sağladığı denetim,izleme ve çalışma görevleri genellikle şunları içerir:
-Hücrelerin/Akünün izlenmesi
-Hücrelerin akünün koruması sağlama
-Akünün çalışma durumunu tahmin etme
-Akünün performansını sürekli olarak optimize etme
-Operasyonel durumun harici cihazlara raporlanması
Burada “hücre/akü” terimi paketin tamamını ifade etmektedir; ancak izleme ve kontrol fonksiyonları özel olarak tek tek hücrelere veya genel hücre/pil paketi düzeneğindeki modüller adı verilen hücre gruplarına uygulanır. Lityum-iyon şarj edilebilir hücreler en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve dizüstü bilgisayarlardan elektrikli araçlara kadar birçok tüketici ürününde hücre/pil paketleri için standart seçimdir. Mükemmel performans göstermelerine rağmen, genel olarak sıkı bir güvenli çalışma alanı (SOA-safe operation mode-Güveli çalışma aralığı) dışında çalıştırılırlarsa, akü performansından ödün vermekten tamamen tehlikeli sonuçlara kadar değişen sonuçlara yol açar, tamamen hasar görüp kullanılmaz hale gelebilirler. BMS'nin kesinlikle zorlu bir iş tanımı vardır ve genel karmaşıklığı ve gözetim kapsamı elektrik, dijital, kontrol, termal ve hidrolik gibi birçok disiplini kapsayabilir.
Akü yönetim sistemleri/BMS ler nasıl çalışır?
Akü yönetim sistemlerinin benimsenmesi gereken sabit veya benzersiz bir dizi kriteri yoktur. Teknoloji tasarımının kapsamı ve uygulanan özellikler genel olarak aşağıdakilerle ilişkilidir:
Akü paketinin maliyetleri, karmaşıklığı ve boyutu
Akünün uygulanması ve güvenlik, kullanım ömrü ve garantiyle ilgili hususlar. Yetersiz işlevsel güvenlik önlemlerinin uygulanması durumunda maliyetlerin ve hukuki olarak cezaların çok yüksek olduğu çeşitli kanun düzenlemeleri vardır. Ve sertifiaklara göre bu konular çok sıkı denetim altındadır.
lityum Akü ve hücreleri koruma yönetimi ve kapasite yönetiminin iki temel özelliği olmalı, En başında BMS tasarım özelliği vardır. Bu iki özelliğin nasıl çalıştığını burada anlatamya çalıcağım. Akü paketi koruma yönetiminin iki temel alanı vardır: akünün/pilin SOA (Güvenli çalışma alanı)dışında kullanım nedeniyle hasar görmesine izin vermemeyi ifade eden elektriksel koruma ve paketi korumak veya SOA'sına getirmek için pasif ve/veya aktif sıcaklık kontrolünü içeren termal koruma.
Elektrik Koruması(Akım koruması)
Akü paketi akımını ve hücre veya modül voltajlarını izlemek, elektriksel korumaya giden yoldur. Herhangi bir lityum hücresinin elektriksel SOA'sı akım ve voltaja bağlıdır. Şekil 1, tipik bir lityum iyon hücreli SOA(güvenli çalışma bölgesi)'yı göstermektedir ve iyi tasarlanmış bir BMS, üreticinin hücre değerlerinin dışında çalışmayı önleyerek paketi koruyacaktır. Çoğu durumda, lityum hücre ömrünü uzatmak amacıyla SOA güvenli bölgesi içinde kalmak için daha fazla ömür kaybı göze alınmaktadır.
Lityum-iyon hücrelerin şarj için deşarj için olduğundan farklı akım sınırları vardır ve her iki mod da kısa süreler için de olsa daha yüksek tepe akımlarını kaldırabilir.Lityum Akü hücresi üreticileri genellikle maksimum sürekli şarj ve deşarj akımı sınırlarının yanı sıra en yüksek şarj ve deşarj akımı limitlerini de belirtir. Akım koruması sağlayan bir BMS mutlaka maksimum sürekli bir akım uygulayacaktır. Ancak yük koşullarındaki ani bir değişikliği hesaba katmak için bu işlemden önce yapılabilir; örneğin elektrikli bir aracın ani hızlanması. Bir BMS, mevcut akımı azaltmaya veya paket akımını tamamen kesmeye karar vererek, akımı ve sonraki delta süresini entegre ederek tepe akım izlemeyi içerebilir. Bu, BMS'nin, herhangi bir yerleşik sigortanın dikkatini çekmeyen bir kısa devre durumu gibi aşırı akım tepe noktalarına karşı neredeyse anında duyarlılığa sahip olmasına ve aynı zamanda aşırı olmadıkları sürece yüksek tepe taleplerini de affedebilmesine olanak tanır.
Elektrik Yönetimi Koruması: Gerilim
Aşağıdkai resimde bir lityum iyon hücresinin belirli bir voltaj aralığında çalışması gerektiğini göstermektedir. Bu SOA/Sağlıklı güvenli çalışma bölgesi sınırları sonuçta seçilen lityum iyon hücresinin kimyası ve hücrelerin herhangi bir andaki sıcaklığı tarafından belirlenecektir. Ayrıca, herhangi birhücre takımı önemli miktarda akım döngüsüne maruz kaldığından, yük talepleri nedeniyle deşarj olduğundan ve çeşitli enerji kaynaklarından şarj edildiğinden, bu SOA voltaj sınırları genellikle akü ömrünü optimize etmek için daha da kısıtlanır. BMS bu sınırların ne olduğunu bilmeli ve bu eşiklere yakınlığa dayalı olarak kararlar verecektir. Örneğin, yüksek voltaj sınırına yaklaşıldığında BMS, şarj akımının kademeli olarak azaltılmasını talep edebilir veya sınıra ulaşılması durumunda şarj akımının tamamen sonlandırılmasını talep edebilir. Bununla birlikte, bu sınıra genellikle kapatma eşiğiyle ilgili kontrolü önlemek için ilave iç gerilim doldur boşalt durumuna göre karar verilir. Öte yandan, düşük voltaj sınırına yaklaşıldığında BMS, önemli aktif rahatsız edici yüklerin mevcut taleplerini azaltmasını talep edecektir. Elektrikli araç durumunda bu, çekiş motoru/invertör vs.. için izin verilen torkun azaltılmasıyla gerçekleştirilebilir. Elbette BMS, kalıcı hasarı önlemek için akü paketini korurken sürücü güvenliği hususlarını en yüksek öncelik haline getirmelidir.
Termal Yönetim Koruması: Sıcaklık
Görünüşte, lityum iyon hücrelerin geniş bir sıcaklık çalışma aralığına sahip olduğu görünebilir, ancak kimyasal reaksiyon hızları önemli ölçüde yavaşladığından düşük sıcaklıklarda genel pil kapasitesi azalır. Düşük sıcaklıklardaki kapasite açısından kurşun-asit veya NiMh akülerden çok daha iyi performans gösterirler; ancak 0 °C'nin (32 °F) altındaki şarjlar fiziksel olarak sorunlu olduğundan sıcaklık yönetimi ihtiyatlı bir şekilde önemlidir. Donma noktasının altındaki şarj sırasında anotta metalik lityum kaplama olgusu meydana gelebilir. Bu kalıcı bir hasardır ve yalnızca kapasitenin azalmasına yol açmakla kalmaz, aynı zamanda hücrelerin titreşime veya diğer stresli koşullara maruz kalması durumunda arızaya karşı daha savunmasız hale gelmesine neden olur. Bir BMS, ısıtma ve soğutma yoluyla akü hücreleirnin sıcaklığını kontrol edebilir.
Gerçekleştirilen termal yönetim tamamen pil takımının boyutuna ve maliyetine ve performans hedeflerine, BMS'nin tasarım kriterlerine ve hedeflenen coğrafi bölgenin (örneğin Alaska'ya karşı Hawaii) dikkate alınmasını içerebilecek ürün ünitesine bağlıdır. Isıtıcı tipine bakılmaksızın, harici bir AC güç kaynağından veya gerektiğinde ısıtıcıyı çalıştırmaya yönelik alternatif bir yerleşik bataryadan enerji çekmek genellikle daha etkilidir. Bununla birlikte, elektrikli ısıtıcının makul bir akım çekişi varsa, birincil pil paketinden gelen enerji, kendisini ısıtmak için çekilebilir. Eğer bir termal hidrolik sistem uygulanırsa, pompalanan ve paket düzeneği boyunca dağıtılan soğutucuyu ısıtmak için bir elektrikli ısıtıcı kullanılır.
BMS tasarım mühendislerinin şüphesiz tasarımında ısı enerjisini pakete yaymak için hileleri vardır. Örneğin, BMS içindeki kapasite yönetimine ayrılmış çeşitli güç devreleri aktif edilerek, BMS ısı yaymaya başlar. Doğrudan ısıtma kadar verimli olmasa da, bundan faydalanılabilir. Soğutma, lityum iyon hücrelerin performans kaybını en aza indirmek için özellikle hayati öneme sahiptir. Örneğin, belirli bir lityum hücrenin en iyi şekilde 20°C'de çalışması mümkündür; paket sıcaklığı 30°C'ye çıkarsa performans verimliliği %20'ye kadar azalabilir. Paket sürekli olarak 45°C'de (113°F) şarj edilirse performans kaybı %50'ye kadar çıkabilir. Pil ömrü, özellikle hızlı şarj ve deşarj döngüleri sırasında sürekli olarak aşırı ısı üretimine maruz kalması durumunda erken eskime ve bozulmaya maruz kalabilir. Soğutma genellikle pasif veya aktif olmak üzere iki yöntemle sağlanır ve her iki teknik de kullanılabilir. Pasif soğutma, pili soğutmak için hava akışının hareketine dayanır. Elektrikli bir araç söz konusu olduğunda bu, aracın sadece yolda ilerlediği anlamına gelir. Bununla birlikte, hava akışını en üst düzeye çıkarmak için saptırıcı hava barajlarını stratejik olarak otomatik olarak ayarlamak üzere hava hızı sensörleri entegre edilebileceğinden, göründüğünden daha karmaşık olabilir. Aktif sıcaklık kontrollü bir fanın uygulanması, ısıyı düşürmekte yardımcı olabilir, ancak bunun yapabileceği tek şey, paketi çevredeki ortam sıcaklığıyla eşitlemektir. Kavurucu sıcak bir gün olması durumunda, bu durum başlangıçtaki paket sıcaklığının artmasına neden olabilir. Termal hidrolik aktif soğutma, tamamlayıcı bir sistem olarak tasarlanabilir ve tipik olarak, elektrik motorlu bir pompa aracılığıyla borular/hortumlar, dağıtım manifoldları, çapraz akışlı bir ısı eşanjörü (radyatör) aracılığıyla sirküle edilen belirli bir karışım oranına sahip etilen-glikol soğutucuyu kullanır. ve batarya paketi tertibatına dayanan soğutma plakası. Bir BMS, paketteki sıcaklıkları izler ve optimum akü performansını sağlamak amacıyla genel pilin sıcaklığını dar bir sıcaklık aralığında tutmak için çeşitli valfleri açıp kapatır.
Kapasite yönetimi
Bir akü paketi kapasitesinin en üst düzeye çıkarılması tartışmasız bir BMS'nin sağladığı en önemli akü performans özelliklerinden biridir. Bu bakım yapılmadığı takdirde akü paketi eninde sonunda kendini kullanılamaz hale getirebilir. Sorunun temelinde, akü paketi "yığınının" (hücre serileri dizisi) tamamen eşit olmaması ve doğası gereği biraz farklı sızıntı veya kendi kendine deşarj oranlarına sahip olmasıdır. Sızıntı bir üretici hatası değil, lityum pil kimyası özelliğidir, ancak üretim sürecindeki küçük değişikliklerden istatistiksel olarak etkilenebilir. Başlangıçta bir hücre/pil paketi iyi eşleşmiş hücrelere sahip olabilir, ancak zamanla hücreden hücreye benzerlik, yalnızca kendi kendine deşarj nedeniyle değil, aynı zamanda şarj/deşarj döngüsünden, yüksek sıcaklıktan ve genel takvim eskimesinden de etkilenerek daha da kötüleşir. Bunu anladıktan sonra, lityum iyon hücrelerin mükemmel performans gösterdiği, ancak sıkı bir SOA dışında çalıştırılırsa oldukça affetmez olabileceği tartışmasını daha önce hatırlayın. Lityum iyon hücrelerin aşırı şarjla pek baş edememesi nedeniyle gerekli elektriksel korumayı daha önce öğrenmiştik. Tamamen şarj olduklarında daha fazla akım kabul edemezler ve içine itilen herhangi bir ilave enerji ısıya dönüşür, voltaj potansiyel olarak hızlı bir şekilde, muhtemelen tehlikeli seviyelere yükselir. Hücre için sağlıklı bir durum değildir ve devam etmesi halinde kalıcı hasarlara ve güvensiz çalışma koşullarına neden olabilir.
Akü içindeki hücre serisi hücre dizisi, genel paket voltajını belirleyen değerdir ve bitişik hücreler arasındaki uyumsuzluk, herhangi bir yığını şarj etmeye çalışırken bir ikilem yaratır. Şekil 3 bunun neden böyle olduğunu göstermektedir. Mükemmel dengelenmiş bir hücre grubuna sahipseniz, her biri eşit şekilde şarj olacağından her şey yolundadır ve üst 3,65 voltaj kesme eşiğine ulaşıldığında şarj akımı kesilebilir. Ancak dengesiz senaryoda, üst hücre şarj sınırına erken ulaşacaktır ve alttaki diğer hücreler tam kapasiteye kadar şarj edilmeden önce bacak için şarj akımının kesilmesi gerekir.
BMS devreye girip günü kurtaran şeydir veya bu durumda pil dengeye gelir . Bunun nasıl çalıştığını göstermek için temel bir tanımın açıklanması gerekir. Belirli bir zamanda bir hücrenin veya modülün şarj durumu (SOC), tamamen şarj edildiğinde toplam şarja göre mevcut şarjla orantılıdır. Bu nedenle, %50 SOC'de bulunan bir pil, %50 şarjlı olduğu anlamına gelir; bu, hücre göstergesinin değer rakamına benzer. BMS kapasite yönetimi tamamen paket düzeneğindeki her dizideki SOC değişimini dengelemekle ilgilidir. SOC doğrudan ölçülebilen bir miktar olmadığından çeşitli tekniklerle tahmin edilebilir ve dengeleme planının kendisi genellikle pasif ve aktif olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Pek çok tema çeşidi vardır ve her türün artıları ve eksileri vardır. Verilen pil paketi ve uygulaması için hangisinin en uygun olduğuna karar vermek BMS tasarım mühendisine kalmıştır. Pasif dengeleme, uygulanması ve genel dengeleme kavramını açıklaması en kolay olanıdır. Pasif yöntem, yığındaki her hücrenin en zayıf hücreyle aynı yük kapasitesine sahip olmasını sağlar. Nispeten düşük bir akım kullanarak, şarj döngüsü sırasında yüksek SOC hücrelerinden küçük miktarda enerji aktararak tüm hücrelerin maksimum SOC'ye şarj olmasını sağlar. Şekil 4 bunun BMS tarafından nasıl başarıldığını göstermektedir. Her hücreyi izler ve her hücreye paralel olarak bir transistör anahtarından ve uygun boyutta bir deşarj direncinden yararlanır. BMS, belirli bir hücrenin şarj sınırına yaklaştığını algıladığında, etrafındaki aşırı akımı yukarıdan aşağıya bir şekilde aşağıdaki bir sonraki hücreye yönlendirecektir.
