Проектирование BMS для стационарной аккумуляторной системы хранения энергии

Системы управления батареями контролируют и оптимизируют циклы зарядки и разрядки, чтобы обеспечить производительность, долгий срок службы аккумулятора и защиту от повреждений.

Рынок BMS растет быстрыми темпами, благодаря тренду на использование экологически чистой энергии и популярности устройств и систем на аккумуляторных батареях.

Так, по данным Spherical Insights, мировой рынок BMS вырастет более чем в шесть раз в ближайшее десятилетие: с $7,9 млрд в 2022 году до ожидаемых $48,4 млрд к 2032 году.

Любая система управления батареями, простая или сложная, имеет набор базовых функций и компонентов для их реализации. Чем больше требований к системе, тем больше элементов нужно добавить в нее. Рассмотрим основные функции BMS.

У BMS есть несколько первостепенных задач, и каждая из них может поддерживаться рядом функциональных блоков и электронных компонентов.

С помощью различных датчиков и измерительных блоков BMS контролирует параметры ячеек аккумулятора. В зависимости от требований к системе BMS может измерять ток, напряжение и температуру батареи.

Основная цель BMS – обеспечить стабильную и безопасную работу аккумулятора. Для этого система может осуществлять балансировку ячеек, определять уровень заряда (SoC) и работоспособности (SoH), а также защищать батарею от перенапряжения, перегрева и других состояний, угрожающих стабильной работе и безопасности. BMS контролирует зарядку и разрядку и может прервать эти процессы, чтобы уберечь аккумулятор от возможных опасностей.

Эта функция заключается в передаче сигналов внутри BMS, а также между системой и подключенными к ней внешними устройствами и модулями. Например, BMS может отображать данные о батарее на дисплее или HMI-интерфейсе. Зарядное устройство может быть частью BMS или представлять собой отдельное устройство. В любом случае важно иметь стабильное соединение между ней и системой. Коммуникация в BMS может быть проводной или беспроводной.

Компоненты системы управления батареями могут быть расположены по-разному. Варианты компоновки, называемые топологиями, могут быть централизованными, распределенными и модульными.

При централизованной топологии у BMS есть одна печатная плата (PCB) с блоком управления, который контролирует ячейки, используя несколько каналов коммуникации. BMS с таким типом компоновки могут быть экономичными, но при этом громоздкими и негибкими.

Системы с централизованной топологией доминируют на рынке BMS, поскольку проектировать и производить их проще и дешевле, чем BMS с другими топологиями. Исследовательская и консалтинговая компания Grand View Research отмечает, что в 2022 году во всем мире на централизованные системы приходилось более 43% дохода от продажи BMS.

Данная топология предполагает, что каждая ячейка аккумулятора имеет свою плату, а у блока управления один канал передачи данных. Для систем, которым не требуется высокая отказоустойчивость, предусмотрено шлейфовое подключение – один из вариантов распределенной топологии. Распределенные BMS несложные в установке, но дорогостоящие из-за большого количества электроники.

Модульная топология, также известная как децентрализованная, топология «звезда» или «ведущий-ведомый», представляет собой комбинацию централизованной и распределенной схем. В данной топологии существует несколько взаимосвязанных блоков управления (ведомых), каждый из которых контролирует группу ячеек батареи. Ведомые устройства подключаются к главному блоку управления, который обеспечивает целостность и безопасность всей батареи. Такая схема распределения выгодно отличается соотношением цены и сложности конструкции.

По данным аналитической компании Precedence Research, в ближайшее десятилетие сегмент модульной топологии будет расти самыми быстрыми темпами на мировом рынке BMS.

BMS могут отличаться не только топологиями, но и различными способами организации ячеек в аккумуляторном блоке – последовательным соединением, параллельным или последовательно-параллельным. При последовательном соединении увеличивается напряжение аккумулятора, при параллельном – пропускная способность, а при последовательно-параллельной конфигурации – оба показателя.

Типы и конфигурации BMS различаются по количеству модулей, уровней и подсистем. Функциональность BMS может быть реализована с помощью одной простой схемы или нескольких печатных плат с микроконтроллерами и встроенным ПО. Кроме того, более крупные и сложные системы управления батареями могут использовать сложное программное обеспечение и алгоритмы BMS.

Функциональность BMS для несложного устройства, работающего от аккумулятора, будет довольно простой – отслеживать основные параметры и запускать процесс зарядки. Подобные системы управления батареями обычно имеют минимальный набор компонентов: блок управления, измерительное устройство, зарядное устройство и сам аккумулятор.

Будучи частью аккумуляторной системы хранения энергии (BESS), BMS может выполнять гораздо больше задач, и ей может потребоваться больший размер, более высокая мощность и более широкие функциональные возможности. BMS, установленные в микросетях, системе холодного запуска, источнике бесперебойного питания (ИБП) или другой BESS, будут иметь многомодульную и многоуровневую структуру.

Надежность и отказоустойчивость являются наиболее важными факторами, влияющими на сложность конструкции BMS. Если система с батарейным питанием выполняет жизненно важную функцию, например, служит системой аварийного электропитания для больницы, она требует усиленного контроля за состоянием батарей. Аккумуляторной системе хранения энергии, работающей в экстремальных условиях, потребуется повышенная защита и ряд дополнительных функций BMS для обеспечения безопасности.

В рамках наших услуг по проектированию силовой электроники мы создаем решения по управлению батареями различной сложности: от простых BMS до сложнейших структур, интегрированных в более крупные системы хранения энергии.

В этой статье в качестве примера проектирования BMS мы возьмем среднее по масштабу и сложности решение – созданную нами по индивидуальным требованиям систему BMS для стационарного бытового накопителя на литий-ионных аккумуляторных батареях.

Мы рассматриваем решение для литий-ионных батарей, так как популярность этого вида аккумуляторов во всем мире растет из-за широкого применения в огромном спектре устройств – от электромобилей до аккумуляторных систем хранения энергии. По прогнозам исследовательского агентства Spherical Insights, в следующее десятилетие с 2022 по 2032 гг на рынке BMS сегмент систем для литий-ионных аккумуляторов будет иметь самый высокий среднегодовой темп роста.

В нашем посте мы фокусируем внимание на разработке аппаратного обеспечения и электроники, подробнее о разработке программного обеспечения расскажет одна из статей нашего блога.

В этом проекте мы взяли на себя полный цикл разработки электроники, включая проектирование и разводку печатных плат, а также разработку встроенного ПО. В результате мы получили полноценную систему управления батареями для низковольтных сетей бытового назначения.

Созданная нами BMS – это гибкое и масштабируемое решение, допускающее различные конфигурации. Максимальные выходные характеристики системы:

Выбор компонентов и архитектуры системы зависел от функций, которые разрабатываемая нами BMS должна выполнять, находясь в составе BESS. Чтобы обеспечить весь функционал BMS, мы выбрали следующие компоненты и технологии:

Для нашей системы мы использовали децентрализованную (модульную) топологию с несколькими модулями батарей, управляемыми контроллерами (PC). Каждый контроллер отвечает за работу 8 аккумуляторов: балансирует ячейки и измеряет их напряжение и температуру с помощью соответствующих датчиков.

Продумывая конструкцию BMS, мы остановили свой выбор на последовательно-параллельной конфигурации аккумуляторных ячеек. Такая структура позволяет соединять последовательно от 1 до 8 аккумуляторов в модули, увеличив тем самым напряжение с 24 В до 200 В. От 1 до 4 модулей, в свою очередь, параллельно соединяются в аккумуляторные цепи.

Контроллер каждой цепи подключен к мультиплексору (MUX), который считывает сигналы ошибок от контроллеров модулей и формирует единый выходной сигнал. Кроме того, устройство MUX измеряет ток батарей в своей цепи с помощью датчика тока. В схему мы добавили предохранители для защиты аккумуляторов от перегрузки по току.

Каждая аккумуляторная ячейка оснащена выключателем, с помощью которого можно отключить ячейку от батареи для экономии энергии во время зарядки. Кроме того, выключатель может разорвать цепь в случае аварийной ситуации, например, если напряжение при зарядке аккумулятора не соответствует нормативным значениям.

Каждый контроллер имеет положительный и отрицательный выход (клеммы аккумулятора), интерфейс RS-485 для связи с другими контроллерами и мультиплексором, а также IRQ для сообщения об ошибках.

Мультиплексоры отправляют сигналы RS-485 и IRQ на одноплатный компьютер (SBC), который является мозгом BMS. SBC поочередно опрашивает блоки управления, производит все расчеты, определяет SoC и SoH, контролирует зарядку, разрядку и другие процессы и состояния аккумулятора. SBC имеет часы реального времени (RTC), память, линию RS-485 для подключения к BESS и светодиодный дисплей, который показывает текущее состояние системы. Интерфейсы Ethernet и BLE дают возможность удаленного доступа к BMS.

В рамках наших услуг по разработке встроенного ПО для этого проекта мы кастомизировали образ встроенного Linux для одноплатного компьютера, внедрили RTOS в каждый контроллер и мультиплексор, зашифровали связь Ethernet и BLE, чтобы защитить систему и ее пользователей от несанкционированного доступа и кражи данных.

На диаграмме показана архитектура разработанной BMS и расположение компонентов:

Каждый из компонентов отвечает за определенное действие или набор действий, направленные на мониторинг, контроль и защиту аккумулятора. Вот функции, которые выполняет разработанная КЕДР Solutions система управления батареями:

Защита аккумулятора: Сконструированная нами система предлагает все необходимые инструменты для защиты аккумулятора от потенциальных угроз. Сначала BMS измеряет параметры батареи и сравнивает их с заданными значениями. В дальнейшем система может разомкнуть цепь и защитить батарею от перегрузки по току, скачков напряжения и температуры. Кроме того, система защищает конфиденциальность и целостность передаваемых данных.

Контроль заряда/разряда: Неправильная зарядка может серьезно повредить или полностью вывести из строя аккумулятор. BMS помогает отслеживать уровень и условия его зарядки/разрядки. Эти условия включают ограничения по напряжению, току и температуре. BMS предупредит пользователя, если заряд батареи достигнет критического уровня или параметры выйдут за пределы допустимого диапазона.

Определение SoC и SoH: Оценка состояния заряда SoC и работоспособности аккумулятора SoH необходима для его эффективной и продолжительной работы. Наша BMS может точно рассчитать эти показатели, что дает четкое представление о текущем состоянии батареи, включая глубину разряда (DoD), емкость, уровень износа и другие характеристики. Зная SoC и SoH, пользователь может поддерживать батарею в рабочем состоянии и прогнозировать ее поведение.

Балансировка ячеек: Батарея, установленная в сделанной на заказ BESS, состоит из множества ячеек, которые разряжаются с неодинаковой скоростью и могут отличаться по уровню напряжения или силе тока. BMS регулирует уровень зарядки и параметры ячеек, выравнивая их. Балансировка продлевает эффективную работу аккумулятора и повышает его производительность.

Проектирование системы управления батареями – инженерная задача, которая не вызовет трудностей у опытного специалиста. Поэтому в выборе команды для разработки BMS уровень квалификации разработчиков играет важную роль.

Создание надежного решения требует высокой квалификации в различных инженерных областях, таких как работа с аккумуляторами, разработка силовой электроники, встраиваемых систем и встроенного программного обеспечения. Чтобы получить желаемый результат, нужно доверить разработку проверенной команде специалистов.

Мы в КЕДР Solutions имеем большой опыт работы с различными аккумуляторными батареями и широким диапазоном напряжений и мощностей. В нашем портфолио разные по сложности и сферам применения системы управления аккумуляторами – от решений для небольших потребительских устройств до BMS в составе крупномасштабных систем хранения энергии.

В этом конкретном проекте у нас не было серьезных проблем, были лишь некоторые задачи, над которыми нужно было поломать голову. Основные вопросы касались коммуникационных интерфейсов и встроенного ПО для одноплатного компьютера. К примеру, нам пришлось подумать, как добиться удовлетворительной скорости обработки данных и не выйти за бюджет проекта.

Балансировка аккумуляторных элементов может оказаться довольно сложной задачей для проектировщика BMS, но большинство трудностей в этом случае связано с программным обеспечением, а не с процессом разработки электроники. Мы подробно остановимся на балансировке ячеек и ее реализации в одном из наших следующих постов.

Крайне важно разработать BMS с учетом правил и требований к этому виду продукции. Систему можно вывести на рынок, только если она соответствует всем необходимым стандартам.

В зависимости от отрасли и области применения к системам управления батареями могут предъявляться разные сертификационные требования. Проектировщик BMS должен учитывать их на каждом этапе разработки – от выбора компонентов до тестирования качества и подготовки к производству.

Что касается разработанной нами системы, то она совместно с BESS сертифицирована на соответствие следующим требованиям:

• ГОСТ Р ИСО 9001-2015;
• Технический регламент Таможенного союза “О безопасности низковольтного оборудования” ТР ТС 004/2011;
• Технический регламент Таможенного союза “Электромагнитная совместимость технических средств” ТР ТС 020/2011.

Система также имеет международные сертификаты, касающиеся безопасности и защиты окружающей среды. Среди них: