Wat is spanningsbewaking?
Vorig jaar nam een Duitse klant contact op omdat drie vorkheftrucks in hun magazijn plotseling weigerden te werken. Het bleek dat de batterijen in orde waren.-Het BMS was bij spanningsmetingen ongeveer 40 mV afwijkend en besloot dat de accu's overladen waren. Alles op slot gedaan. Drie machines staan een hele dag stil. Daar factureren ze per uur.
Eigenlijk een typisch verhaal. Spanningsmonitoring klinkt als het meest fundamentele wat een gebouwbeheersysteem doet. En toch veroorzaakt deze ‘basisfunctie’ meer veldproblemen dan wat dan ook.
Wat spanning u vertelt
Iedereen die met batterijen werkt, weet dat de klemspanning in feite een -realtime spiegel is van de celstatus. De SOC-schatting hangt ervan af. De bescherming tegen overbelasting en overontlading hangt ervan af. Controles op celconsistentie zijn hiervan afhankelijk. IEC 62619:2022 zegt het ronduit: spanning is belangrijker dan stroom of temperatuur, en het gebouwbeheersysteem moet het opladen onderbreken voordat of zodra de celspanning het veiligheidsplafond bereikt.
Waarom zo definitief? Omdat de spanning eerst verandert. Stijgende interne weerstand, capaciteitsverlies, risico op lithiumplating-deze komen weken of maanden vóór temperatuurafwijkingen tot uiting in spanningsgedrag. Tegen de tijd dat je een thermisch alarm krijgt, zijn de zaken al zijwaarts gegaan.
Het hybride AHR10W-accusysteem van Toyota biedt nuttige referentie. 168 cellen van elk 1,2 V, serie-aangesloten op een totaal van 201,6 V. De ECU behandelt elke twee modules als één bewakingseenheid en volgt in totaal 14 eenheden. Door deze groepering kan het systeem bepalen welke eenheid een probleemcel bevat. Dezelfde logica is van toepassing op industriële pakketten.-Je kunt niet elke afzonderlijke cel een eigen communicatiekanaal geven, maar je hebt wel voldoende granulariteit nodig om problemen op zijn minst tot op moduleniveau terug te voeren.
Vier detectiemethoden
De detectie van de accuspanning kent vier hoofdbenaderingen. De meeste kopers die met een leverancier van lithiumbatterijpakketten praten, zullen niet naar dit detail vragen, maar dit detail bepaalt de betrouwbaarheidsvloer voor het gehele gebouwbeheersysteem.
Relais-en-condensator
De eerste is relais-en-condensatorisolatiebemonstering. Eenvoudig concept: de condensator bemonstert de spanning van de cel en vervolgens meet u de condensator. Problemen zijn ook duidelijk-trage bemonstering, slechte nauwkeurigheid, relaisslijtage. Sommige vroege energieopslagprojecten maakten hiervan gebruik. Nu grotendeels verouderd.
Zwevende-grond
De tweede is zwevende-gronddetectie. Een venstervergelijker controleert of het huidige aardpotentieel werkt voor A/D-conversie; zo niet, dan past D/A dit aan. Test prima in het lab. Valt uit elkaar in het veld. Heftrucks, AGV's-de interferentie van de motoraandrijving is te groot. Het aardpotentiaal blijft niet op zijn plaats.
Algemene-modus
Ten derde is er common-mode-detectie. Alle cellen gemeten tegen één referentiepunt, precisieweerstandsverdelers schalen alles naar beneden, en trek vervolgens af om individuele celspanningen te krijgen. Eenvoudig circuit. Maar weerstandsfouten stapelen zich op. Werkt prima onder 8S. Voorbij dat wordt de nauwkeurigheid twijfelachtig. Dit stapelprobleem kan niet volledig worden opgelost met kalibratie-het zit in de aanpak ingebakken.
Differentiële-Modus
Ten vierde is er differentiële-detectie. Op-versterkers verwerpen de common-spanning en meten het verschil tussen elke cel rechtstreeks. Nauwkeurigheid verslaat de andere drie met een stevige marge. De wisselwerking-is de complexiteit van het circuit en de kosten. Pakketten van meer dan 12S worden meestal opgesplitst in meerdere detectiemodules, die elk een segment verwerken en de resultaten communiceren via een bus. De meeste fabrikanten van lithiumbatterijsystemen die industrieel werk doen, zijn deze richting opgegaan.
De lekstroomval
Makkelijk om deze over het hoofd te zien.
Spanningsdetectiecircuits onttrekken stroom aan de cellen. Kleine hoeveelheden-microampère tot milliampère-maar continu. En hier is het addertje onder het gras: in een seriepakket voeren cellen die zich dichter bij de negatieve pool bevinden, meer lekstroom. Neem een 16S-pakket. Cel 1 aan de positieve kant ziet alleen lekkage uit zijn eigen detectiecircuit. Cel 16 aan de negatieve kant ziet cumulatieve lekkage van alle 16 detectiecircuits, plus de BMS-controller, plus alle andere referenties die negatief zijn.
Gedurende honderden cycli ontladen de negatieve{0}} eindcellen zich dieper en verouderen ze sneller. De consistentie drijft. Dit is geen probleem met de celkwaliteit. Het is een systeemontwerpprobleem.
Er zijn oplossingen: verhoog de ingangsimpedantie van het detectiecircuit om absolute lekkage te voorkomen; schakelaars toevoegen om bemonsteringspaden te ontkoppelen wanneer er niet wordt gemeten; of specificeer cellen met een iets hogere capaciteit voor negatieve{0}}eindposities en accepteer de asymmetrie. Als een groothandelaar in LiFePO4-batterijen de vragen hierover niet kan beantwoorden, zullen hun pakketten waarschijnlijk in het veld een versnelde onbalans ontwikkelen. Goede filtervraag wanneer u leveranciers doorlicht.
Nauwkeurigheid en waarom het belangrijker is dan de specificaties suggereren
IEC 62619 zegt dat spanningsbeveiliging moet optreden voordat of wanneer de celspanning de veiligheidsdrempel bereikt. Klinkt alsof er marge is. In de praktijk is er niet veel.
Neem LFP. Volledige lading rond 3,65V. Gevarenzone begint rond 3,70V. Dat is een 50mV-venster. Als de detectienauwkeurigheid ±30 mV is-gebruikelijk in goedkope gebouwbeheersystemen-, neemt de meetonzekerheid alleen al meer dan de helft van uw veiligheidsmarge in beslag. BMS geeft 3,65 V aan, de werkelijke spanning kan al 3,68 V zijn. Intern gebruiken we ±5mV. Heeft betere ADC's nodig, strakkere spanningsreferenties en een zorgvuldigere PCB-indeling. Kost meer. Maar vergeleken met wat er misgaat als de nauwkeurigheid afneemt, is dat niet het vermelden waard.
Had een voorbeeld: het pakket van de klant liep twee jaar, de nauwkeurigheid van de detectie daalde van ±8mV bij levering naar ±35mV. Geen foutcodes-de afwijking vond geleidelijk plaats. Op een dag bereikte een cel tijdens het opladen daadwerkelijk 3,72 V, terwijl het systeem dacht dat het 3,65 V was en doorging. Ik had geluk dat de cel het hield. Anders is het een incidentenrapport.
Dit soort progressieve mislukkingen zijn goed te verbergen. Jaarlijkse kalibratiecontroles zijn het minimum.
Balanceren, temperatuur en al het andere
Actief of passief, balanceren werkt alleen als je weet welke cellen hoog en welke laag zijn. Slechte detectie betekent blind balanceren. Passieve balancering loopt via weerstanden. Een typische balanceringsstroom van 50 mA duurt uren om één cel 0,1 V te verlagen. Als spanningsmeetfouten zelfs maar af en toe de richting omdraaien, verergert u de onbalans terwijl u energie verbrandt. Wanneer u een leverancier van industriële lithiumbatterijen evalueert, vraag dan naar de balans tussen strategie en detectienauwkeurigheid. "Heeft actieve balancering" betekent niets als de onderliggende gegevens onzin zijn.
Temperatuurcompensatie is iets anders dat zelden op de specificatiebladen verschijnt. Dezelfde cel bij 3,30 V leest anders bij 25 graden versus 0 graden. Interne weerstand verschuift, het meetcircuit zelf verandert met de temperatuur. Zonder compensatie variëren de SOC-schattingen per seizoen. Opladen bij lage-temperaturen wordt lastiger-cellen bij -5 graden gedragen zich niet als cellen bij kamertemperatuur. BMS dat alleen de spanning in de gaten houdt zonder kruisverwijzingen naar de temperatuur, kan opladen toestaan wanneer dat niet zou moeten, of het opladen blokkeren wanneer dat wel zou kunnen. U moet hierover rechtstreeks contact opnemen met het technische team van de leverancier.
Hoe falen eruit ziet
Plotselinge fout
Problemen met spanningsbewaking komen op verschillende manieren voor. Het meest voor de hand liggend is een plotselinge fout. Eén celspanning geeft 0V of volledige pakketspanning aan. Systeem gooit een code en vergrendelt. Vervelend, maar het systeem weet tenminste dat er iets kapot is.
Geleidelijke drift
Erger nog is de geleidelijke drift. Gemeten waarden wijken langzaam af van de werkelijkheid. Geen foutcodes. Beveiligingsdrempels zijn effectief uitgeschakeld. Het kan twee jaar duren voordat iemand het merkt-meestal omdat er iets ergs is gebeurd.
Intermitterend contact
Dan zijn er af en toe contactproblemen. Door trillingen worden de connectoren van de detectiekabels losgemaakt. Spanningsmetingen komen en gaan. Soms reproduceerbaar, soms niet. Nachtmerrie om problemen op te lossen.
Spanningsmonitoring gaat diep als je wilt graven, maar het kernpunt is simpel: dit is de gegevensbasis voor al het andere dat het BMS doet. Het fundament is niet solide, niets dat op de top is gebouwd doet er toe.
Wanneer u accupakketten aanschaft, kijk dan niet alleen naar de capaciteit, de levensduur en de prijs. BMS-detectienauwkeurigheid, detectiearchitectuur, kalibratieprotocollen-deze interne onderdelen zijn net zo belangrijk. Vragen welkom. We hebben door de jaren heen genoeg landmijnen betreden om een mening te hebben.
