Как защитить аккумулятор с помощью BMS

Аккумуляторная батарея – ключевой элемент любой аккумуляторной системы хранения энергии (BESS). Компонент довольно сложный и нестабильный, требующий бережного обращения и постоянного внимания. Как это обеспечить?

Ответ прост – с помощью BMS. У этой системы множество функций, и все они служат одной цели: обеспечить максимально эффективную и долгую работу аккумулятора.

Например, контролируя уровень заряда (SoC) и работоспособность батареи (SoH), система может продлить срок ее службы и улучшить производительность. Оценивая уровень оставшейся энергии (SoE) и уровень мощности (SoP), а также осуществляя балансировку аккумуляторных ячеек, BMS дает возможность использовать потенциал батареи и, следовательно, системы хранения энергии, по максимуму.

В зависимости от своей электрохимической основы батареи могут быть очень чувствительны к изменяющейся окружающей среде (в нашем блоге мы уже рассказывали о различных типах аккумуляторов, используемых в BESS, и их свойствах). Выход за эксплуатационные нормативы может иметь катастрофические последствия для аккумулятора: привести к преждевременному износу и разрушению.

Что еще более важно, выход батареи из строя может быть опасен для пользователя. Например, литиевые батареи небезосновательно считаются легковоспламеняющимися и имеют высокий риск возгорания и взрыва.

Оснащенная различными датчиками, модулями и предохранителями, BMS может прогнозировать потенциальные опасности и защищать как батарею, так и пользователя. Продуманная BMS включает в себя системы безопасности аккумуляторов, предотвращающие короткие замыкания, замыкания на землю и температурный разгон. Кроме того, BMS может обеспечить безопасную передачу данных и защитить вашу аккумуляторную систему хранения энергии от несанкционированного использования.

Интегрированная в BMS операционная система реального времени (RTOS) позволяет контролировать аккумулятор, выявлять потенциальные опасности и устранять их в режиме “здесь и сейчас”. В результате можно увеличить срок службы батареи, избежать дорогостоящего ремонта и внеплановых затрат на обслуживание BESS.

В нашей статье, говоря об аккумуляторах, мы подразумеваем литий-ионные батареи, так как именно они устанавливаются в большинстве аккумуляторных накопителей энергии. По данным аналитической компании Inkwood Research, в течение следующих 10 лет литий-ионные батареи будут продолжать доминировать на рынке аккумуляторов.

Далее мы расскажем, на что обратить внимание и что предусмотреть при разработке системы управления батареями для обеспечения безопасности.

Ток и напряжение аккумулятора можно контролировать двумя основными способами: обеспечить защиту от перегрузки по току и скачков напряжения во время зарядки и избегать падения напряжения при разрядке аккумулятора.

Потенциальная опасность: Для каждого типа аккумуляторов предусмотрены рекомендуемые пределы токовой нагрузки и напряжения как для зарядки, так и для разрядки. В данном случае напряжение батареи коррелирует с состоянием заряда или SoC.

Например, напряжение литий-ионных аккумуляторов при зарядке не должно быть больше 4,3 В, а при разрядке – не меньше 2,3 В. Ток заряда для этих батарей может варьироваться от 0,1 Кл до 1,0 Кл, а рекомендуемый ток разряда для них должен быть до 2 Кл.

Выход за рекомендуемые значения может привести к неисправностям, таким как окисление и короткое замыкание, которые способны серьезно повредить батарею и сократить срок ее службы. В худшем случае скачки тока и напряжения могут стать причиной взрыва батареи, пожара и поражения пользователя электрическим током.

Пути решения: Контролировать напряжение и ток батареи можно, добавляя датчики к ячейкам. Чем больше датчиков, тем лучше защищена система. BMS будет считывать данные с нескольких датчиков, анализировать их и решать, какие шаги предпринять.

Так, если ток, напряжение или SoC превышают допустимые пределы, BMS может с помощью выключателя отключить контур и прервать зарядку аккумулятора. Аналогично BMS будет реагировать на падение напряжения в случае переразряда. Если напряжение аккумулятора или SoC упадет ниже порогового значения, система разомкнет цепь и остановит разрядку.

Полезная функция BMS – оповещение пользователя о превышении допустимых лимитов по току или напряжению. Система может отправить сигнал тревоги или push-уведомление и отобразить его на дисплее BMS или на дисплее подключенного устройства.

Для защиты от перегрузки по току и перенапряжению в системах управления батареями и зарядных устройствах можно использовать метод зарядки батареи при постоянной величине напряжения/тока. Идея заключается в следующем:

Батарея заряжается с постоянной силой тока до тех пор, пока не достигнет заданного уровня напряжения. Затем поддерживается постоянное зарядное напряжение, а сила тока падает. Зарядка будет завершена, как только сила тока достигнет минимально возможного значения.

Контроль напряжения и силы тока можно внедрить и на аппаратном уровне системы управления батареями. При разработке промышленного решения BMS мы использовали следующие базовые компоненты:

• трансформаторы тока и напряжения;
• усилитель и буфер с резистивным делителем, увеличивающие величину выходного тока и напряжения соответственно;
• аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий значения силы тока и напряжения в цифровые сигналы;
• микроконтроллер (МК), который считывает сигналы.

Встроенное ПО, которое мы написали для микроконтроллера, сравнивает фактические значения тока и напряжения с предельно допустимыми и после этого отправляет команду на автоматический выключатель.

Однако во всем важна мера, и при проектировании схем защиты важно не переусердствовать. Дополнительная электроника может не только увеличить стоимость BMS, но и ухудшить производительность аккумуляторов – увеличить внутреннее сопротивление и снизить мощность. Поэтому важно доверить разработку электроники профессионалам. Мы в КЕДР Solutions знаем, как создать экономичные и безопасные решения для хранения энергии на базе литий-ионных батарей без ущерба для эффективности.

Управление температурным режимом – одна из наиболее важных функций по обеспечению безопасности литий-ионных аккумуляторов, которую следует учесть при проектировании BMS. Терморегулирование связано с контролем температуры батареи: нагревом, охлаждением и вентиляцией.

Потенциальная опасность: Хотя литий-ионные аккумуляторы очень эффективны, есть определенные сложности при их использовании. Дело в том, что литий – высокореактивный и легковоспламеняющийся металл, который может моментально вступить в реакцию при контакте с водой и воздухом.

То есть даже небольшое повышение температуры или незначительное повреждение батареи могут привести к перегреву и короткому замыканию и, как следствие, взрыву и возгоранию.
Вот почему терморегулирование батареи жизненно важно для решений на основе литий-ионных аккумуляторов. Данные батареи имеют следующие допустимые диапазоны температур:

• зарядка при температуре от 0oC до 45oC
• разрядка при температуре от -20oC до 60oC
• хранение при температуре от 0oC до 20oC

Пути решения: Терморегулирующая система BMS должна отслеживать, находится ли текущая температура в заданных пределах. Чтобы измерить температуру внутри или снаружи батареи, можно использовать датчики температуры, или термисторы, – полупроводниковые устройства, сопротивление которых зависит от температуры.

Как только BMS обнаруживает отклонения температуры от заданных значений, она предпринимает шаги, необходимые для сохранения батареи.
Например, система может использовать термисторы и плавкие предохранители для защиты аккумулятора от перегрева во время работы. Они разомкнут цепь и отключат батарею, если температура будет слишком высокой.

Большинство современных BMS используют NTC-термисторы – термисторы с отрицательным температурным коэффициентом. Эти датчики очень чувствительны и могут быстро и с высокой точностью определить любые изменения сопротивления.

В фокусе внимания системы управления температурным режимом BMS находятся зарядка и разрядка, так как это наиболее уязвимые с точки зрения безопасности фазы в работе литиевых батарей. Во-первых, нужно следить за внутренней температурой батареи, чтобы не допустить перегрева и возгорания.

Во-вторых, необходимо защитить батарею от неблагоприятных условий окружающей среды. Литий-ионные аккумуляторы боятся экстремальных температур и имеют допустимые диапазоны температуры зарядки/разрядки (см. выше). Эксплуатация за пределами данных диапазонов может привести к старению батареи, потере емкости и полному выходу из строя.

Система управления температурным режимом может реагировать на любые отклонения, выходящие за допустимые пределы. Она может либо отключить зарядное устройство, либо соответствующим образом отрегулировать температуру с помощью вентилятора, системы охлаждения, системы отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК, или HVAC).

Рассеивание тепла является одним из методов, применяемых в BMS для отведения избыточного тепла, образующегося в результате электрохимических реакций, протекающих в батарее. Сюда входит воздушное и жидкостное охлаждение, а также конвекция воздуха и жидкости. Оказаться полезными могут и другие способы теплопередачи, такие как теплопроводность, конвекция, тепловое излучение и фазовые превращения.

Помимо батареи, необходимо обеспечить контроль температуры электроники, задействованной в решении BMS. Установка достаточного количества термисторов и термостатов может защитить систему и ее пользователя от возможных термических опасностей.

Если худшее все-таки произошло, система вышла из строя и аккумулятор загорелся, задача BMS – предупредить пользователя и принять меры, чтобы незамедлительно устранить аварию и минимизировать ее последствия. Для этого BMS должна иметь надежную систему противопожарной защиты.

Потенциальная опасность: Для аккумуляторной системы хранения энергии, использующей литиевые батареи, пожар является одной из самых серьезных и явных угроз.
При проектировании BMS необходимо учесть высокую воспламеняемость этой аккумуляторной технологии и принять все необходимые меры для предотвращения возможных рисков.
Но даже приняв во внимание все перечисленное, позаботившись о контроле напряжения, тока и температуры, невозможно застраховаться от самовозгорания батареи из-за производственного брака.

Например, дефекты корпуса элементов и пластин аккумуляторной батареи могут привести к внутренним коротким замыканиям и, как следствие, искрению, задымлению и возгоранию.

Пути решения: Новую батарею обязательно нужно визуально исследовать и убедиться в отсутствии производственного брака. Далее оценка безопасности систем хранения энергии с литий-ионными батареями должна включать в себя тщательную проверку батареи, в том числе ее упаковки, компонентов и конструкции. Так, например, производители литий-ионных аккумуляторов используют сепараторы и антипирены, предотвращающие тепловой разгон и короткие замыкания в аккумуляторе.

Правильная установка, использование, обслуживание и хранение также могут снизить риск возгорания аккумулятора. Соблюдение перечисленных выше условий, таких как ограничения по току, напряжению и температуре, поможет избежать перегрева и возгорания литий-ионного аккумулятора.

Надежная система противопожарной защиты может обезопасить пользователей и BESS от распространения дыма, огня и токсичных газов.

Детекторы дыма позволяют BMS обнаружить возгорание аккумулятора и своевременно подключиться к системам охлаждения и пожаротушения ячеек.

В одном из наших проектов мы установили детектор дыма в каждый аккумуляторный модуль. В случае возникновения чрезвычайной ситуации датчик отправлял сигнал на BMS, и система открывала клапан, установленный на трубе водоснабжения. Мы также установили датчик протечек, который обнаруживает утечки в трубопроводе и принимает меры к их устранению.

Необходимо также отметить, что меры пожарной безопасности зависят от размера BMS и устройства, для которого она предназначена. Так, для смартфона все будет сводиться к выбору качественной батареи, определению безопасных режимов ее работы, защите от перегрева.

Если речь идет о крупномасштабных конструкциях типа BESS, они должны быть оснащены системами обнаружения дыма, пожаротушения и т.д. Чем сложнее BMS, тем больше требований предъявляется к ее системе пожаротушения.

Пожарная безопасность – обязательное требование для сертификации аккумуляторной системы хранения энергии в любой стране. В России в рамках программы стандартизации систем накопления энергии на 2022-2026 гг. утверждены ГОСТ Р МЭК 62932 и ГОСТ Р 58092, касающиеся систем BESS и обеспечения их безопасности. В ближайшие годы выйдут еще несколько стандартов ГОСТ Р, которые необходимо будет учитывать при разработке BESS.

Разобраться в тонкостях нормативов, а также учесть требования регулирующих органов других стран бывает очень сложно. Мы можем помочь повысить отказоустойчивость аккумуляторной системы хранения энергии, создав надежные программные и аппаратные решения BMS, соответствующие российским и международным нормам пожарной безопасности.

BMS может защитить батарею не только от возгорания, скачков температуры, тока или перенапряжения. Помимо повреждения и выхода батареи из строя, существует опасность хакерского взлома и кражи данных. Поэтому при проектировании аккумуляторной системы хранения энергии очень важно продумать меры по обеспечению ее кибербезопасности.

Потенциальная опасность: Многие BESS относятся к решениям Интернета вещей. Благодаря возможности подключения техники к Интернету пользователи могут контролировать и управлять своими системами удаленно с мобильных и других портативных устройств.

Всюду, где используется передача данных, есть риск нарушения их конфиденциальности и целостности. И BESS также может стать объектом кибератак.

Без надежных средств защиты BMS не сможет противостоять несанкционированному доступу и различным вредоносным действиям, которые могут серьезно повредить батарею и связанные с ней компоненты BESS.

Пути решения: Защитить систему можно с помощью различных методов.

Прежде всего, необходимо позаботиться о том, чтобы только определенные пользователи могли иметь доступ к системе и возможность что-то менять внутри нее. С этой целью можно внедрить систему идентификации пользователей с уникальными паролями и/или другими методами аутентификации.

Для одного из наших клиентов мы создали BMS и приложение для мониторинга и контроля системы. Для входа в приложение пользователи должны ввести логин и пароль. Авторизация происходит автоматически после успешной аутентификации. Авторизация предполагает, что у каждого пользователя есть определенные права доступа, в соответствии с которыми ему разрешены конкретные действия в приложении. Система проверяет разрешения при каждой аутентификации.

Чтобы обеспечить целостность и безопасность данных, нужно убедиться, что используемый протокол связи имеет надежные механизмы шифрования. Так BMS может защитить любые взаимодействия между элементами системы, сохраняя конфиденциальность информации о BESS и ее пользователе.

Выбор компонентов является ключевым моментом при проектировании BMS, поскольку дефектные или поддельные элементы могут привести к уязвимостям в системе безопасности. Разрабатывая системы управления батареями, мы уделяем пристальное внимание выбору микросхем, модулей, датчиков и других деталей BMS. Мы выбираем высококачественные электронные компоненты и пишем надежное встроенное ПО, защищенное от вирусов и прочих вредоносных действий.