智能電池管理系統(BMS)
電池管理系統(BMS)是現代電池技術的關鍵組成部分,其主要作用是智慧化地管理並維護每個電池單元的狀態。BMS 可以即時監控並控制電池的充電與放電過程,有效防止過充或過放現象,從而延長電池壽命,並確保其安全性和穩定性。隨著電動車和可再生能源的蓬勃發展,BMS 已成為提升電池性能和可靠性的關鍵技術。在鋰離子(Li-Ion)電池已成為儲能應用主流的今天,BMS 的重要性愈加凸顯。
首圖 - 電池管理系統(BMS)核心控制器功能
通常,BMS 使用多種通訊協定來連接電池監測模組、堆疊控制器以及電源介面,支援 Modbus 和乙太網等協定。CAN(控制器區域網路)協定以其穩定性、即時性、容錯能力及抗噪性能,成為眾多儲能應用的首選通訊方式。在BMS中,CAN協定能夠有效地傳輸關鍵數據,確保系統的高效運行。
圖一 - BMS在風電儲能中的應用
BMS的核心應用領域
- 電動車應用
BMS 是電動車中的核心元件之一,在乘用車、商用車、卡車等各類電動車輛中扮演重要角色,還廣泛應用於電動機械,如電動叉車及高爾夫球車等。這些應用中的電池組通常透過 CAN 匯流排與電池控制模組進行通訊,確保電池的安全與高效運行。BMS 不僅確保了電動車電池的安全性,還提高了整車的能源效率和性能。 - 電網電力基礎設施
在電力基礎設施中,電池組為電網提供備用電源或作為防止功率波動的保障。BMS 應用於手機訊號塔、交流變電站、互聯網基礎設施設備、航空地面支援系統、通訊塔和氣象站等領域,並在分散式能源系統(如太陽能和風力發電廠)中扮演重要角色。BMS 有助於平衡電網負載,提升電力系統的穩定性和可靠性。
圖二 - BMS系統下的電動車電池結構
BMS 通訊協議及其應用
圖三 - BMS即時監控電動車的充電狀態
為確保電池管理系統能與車輛其他系統或儲能變流器(PCS)順利通訊,BMS 通常遵循以下標準化的高層通訊協定:
- ISO 11898-1:2015:這是 CAN 匯流排數據鏈結層和物理信令的國際標準,主要定義了 CAN 數據幀的結構,包括幀起始、幀結束及數據欄位。
- SAE J1939-21:該協定在汽車行業廣泛使用,規範了數據鏈結層參數,例如數據傳輸速率和框架格式。
- CAN 2.0B:CAN 匯流排的一個版本,支援 11 位標準幀和 29 位擴展幀,廣泛應用於 BMS 中的電池監測模組、堆疊控制器和電源介面之間的通訊。
- BMS-CAN協議:為電池管理系統量身定制的協定,定義了 BMS 與汽車 CAN 網路之間的通訊,包括數據格式、幀 ID 分配及訊息定義。
- 儲能變流器與 BMS 通訊協定:由中國化學與物理電源行業協會制定的標準,規範了 BMS 與 PCS 之間基於 CAN 的通訊層級要求。
這些協定確保了 BMS 可以有效監控與管理電池單元,並精確傳輸和接收數據,從而提升電動車和電力基礎設施的安全性和運行效率。遵循標準化協定,BMS 能夠與不同廠商的設備進行無縫通信。
CAN 匯流排在 BMS 中的應用
圖四 - BMS數據管理與網路連接
在 BMS 中,CAN 匯流排的應用涵蓋以下關鍵方面:
- 數據獲取與監控:CAN 匯流排能即時收集電池組的電壓、電流和溫度等參數,監控電池的狀態,包括荷電狀態(SOC)、健康狀態(SOH)和功率狀態(SOP)。
- 電池均衡管理:透過 CAN 匯流排,BMS 可以實現電池單元間的均衡控制,保持電池組一致性並提升整體性能。
- 故障診斷與警報:當檢測到過充、過放或溫度異常時,BMS 會通過 CAN 匯流排即時發送警報,通知系統採取措施。
- 控制命令傳遞:向執行機構(如接觸器和繼電器)發送控制命令,實現電池充放電管理。
- 系統整合與數據共享:CAN 匯流排作為車輛內部網路的一部分,使 BMS 與車輛的其他系統(如電機控制器、車載充電器)進行通訊整合。
- 標準化協定的應用:應用如 BMS-CAN 協定 V2 等標準化協定,提升了不同廠商 BMS 之間的互操作性。
- 數據格式的定義:包括總電壓、總電流、SOC、SOH 等數據參數的格式,並涵蓋充電/放電限制電流和電壓等信息格式的定義。
- 遠端數據請求:使用 CAN 的遠端幀功能進行遠端數據請求,增強了數據獲取的靈活性。
- 自動重發功能:在數據傳輸中出現錯誤時,自動重發功能確保數據的完整性和可靠性。
這些 CAN 匯流排的應用,大幅增強了電池組的安全性、可靠性,並延長了其使用壽命。CAN 匯流排已成為BMS中不可或缺的關鍵組件。
BMS 開發與測試的關鍵工具
圖五 - BMS在太陽能充電站中的應用
在 BMS 的開發和測試中,Kvaser 的 CAN 介面和數據記錄儀提供了強大支持。這些工具能以高效的方式測量、收集和傳輸 CAN 匯流排上的數據,支援 BMS 的監控、分析與決策。此外,Kvaser 工具還具有以下優勢:
- 提高效率:能夠早期檢測故障並進行預測分析。
- 降低維護成本:透過監控和自動化功能有效降低維護成本。
- 提升系統性能:支援多電池模組監控,有助於改善 BMS 系統的整體效能。
所有 CAN 介面和數據記錄儀均可應用於汽車和商用車,並支援多種行業協定,如 NMEA 2000®、J1939、CANopen 和 DeviceNet,滿足各行業的需求。使用專業的開發工具,能夠加速BMS的研發進程,提升產品競爭力。