Циркулиращ ток в успоредни батерийни вериги: Защо възниква и как архитектурата на BMS го предотвратява | JKESS

Сценарий на разширяване, който се проваля

Помислете за примерно разширение в търговската и индустриалната (C&I) сфера: фабрика инсталира батерийна система от 128 kWh през 2024 г. и има нужда от 256 kWh през 2026 г., тъй като натоварването ѝ расте. Отделът по набавки предлага да се закупи още една идентична система и да се свърже успоредно с първата. След три месеца екипът по експлоатация забелязва устойчив дисбаланс на тока и по-бързо намаляване на съобщеното SOC в един от веригите. Моделните номера съвпадат, но батериите вече нямат еднаква история на експлоатация.

Циркулиращият ток е едно от възможните обяснения, наред с неравномерното разпределение на натоварването, температурните разлики, съпротивлението на връзките, грешките в сензорите или повредите на отделните елементи. Новите и остарелите вериги могат да имат различни капацитети и вътрешни съпротивления, поради което техните вътрешни напрежения и траектории на SOC се разминават по време на експлоатация, дори ако първоначалните им показания за SOC съвпадат. По-високото източно напрежение може тогава да предизвика ток към другата верига. Проверете подписани клонови токове и данни за елементите, преди да диагностицирате причината.

Неконтролираната вътрешна трансферна токова верига предизвиква резистивни загуби и допълнително натоварване на батерията. Тя може да увеличи термичното и цикличното напрежение, да доведе до достигане на граничните стойности на клетъчното напрежение и да активира защитата на BMS; токове с достатъчно висока стойност могат да задействат предпазител или прекъсвач. Някои проблеми се проявяват веднага при свързването, докато други стават по-очевидни след седмици наблюдение на работните данни. Това ръководство обяснява физическите принципи, три инженерни контрамерки и ролята на хардуера JKESS – главен и подчинен – в проектирана конструкция с успоредни вериги.

Физиката: Защо възниква циркулиращият ток

Циркулиращият ток сам по себе си не е доказателство за лошо качество на батерията. Той следва законите на електрическите вериги, когато успоредните източници имат различни вътрешни напрежения. Полезна първоначална оценка за две вериги при нулево външно натоварване е:

I_circulating = ΔV / R_loop

След свързване веригите споделят обща напрежение на шината, с изключение на напрежението, губено при междинните връзки. Причината за несъответствието е между техните еквивалентни източници, а не между две различни напрежения в един и същ идеален възел на шината. При външно натоварване токът във всяка клонова верига включва както разпределението на натоварването, така и ефекта от несъответствието в напрежението. Тази резистивна оценка не моделира преходните процеси при свързване, индуктивността или електрохимичното релаксиране.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Инженерен справочник: Уен и др., проучване на неравномерността на тока в паралелно свързани батерии с различни характеристики , разработва еквивалентна електрическа схема и анализира как разликите в капацитета и съпротивлението влияят върху тока, SOC и стареенето. Горната числена илюстрация е пример за пресмятане на електрическа схема, а не резултат от тест на продукт.

Незащитен паралелен режим срещу независима защита на стринговете

Независимата защита на клоновете улеснява откриването и изолирането на повреди. Тя трябва да се комбинира с индивидуално измерване за всеки стринг и координиран контролен отговор; самите устройства за защита не елиминират циркулиращия ток.

Ако една струна се отключи, останалите струни могат да получат по-голям ток. Системата за управление на енергията / преобразувателната система (EMS/PCS) трябва да намали мощността или да спре работата си, когато е необходимо, за да се предотврати каскадно спиране. Независимата защита не дава разрешение за поддръжка при включено напрежение.

Трите инженерни контрамерки

1. Осигуряване на всяка струна с независими прекъсвачи и предпазители

   Целта на защитата на клоновете е избирателното изолиране при повреда. Определете прекъсвач и предпазител, подходящи за постояннотокови условия, за всеки клон, заедно с контактори, управлявани от BMS, или подходящ автоматичен механизъм за изключване. Умереният циркулиращ ток може да остане под прага за изключване при претоварване, затова предпазителят не е заместител на контролираното изолиране.

   Приоритети при избора: съгласувайте номиналния ток за непрекъснато натоварване, време-токовите характеристики, номиналното постоянно напрежение, наличния ток при повреда, прекъсващата способност, защитата на проводниците и разрешените върхови стойности при експлоатация. Оценете приноса към тока при повреда от всеки свързан клон. Избирателното прекъсване и продължаването на експлоатацията трябва да бъдат потвърдени на системно ниво.

   Място на инсталиране: използвайте одобрената еднолинейна схема и схема за заземяване, за да определите кои проводници изискват защита и изолация. Няма универсално правило, според което прекъсвачът трябва да се монтира на положителния проводник, а предпазителят – на отрицателния проводник. Потвърдете последователността за предварително зареждане и свързване на доставеното оборудване; веригата за предварително зареждане на постояннотоковата връзка не е автоматично проектирана да уравновеси несъвпадащи батерийни вериги.

2. Наблюдавайте всяка верига по време на зареждане, разреждане и резервен режим

   Поставете независим двупосочен канал за измерване на тока на всяка успоредна верига и запазете знака му. Система, която разполага само с датчик за общ ток, не може да идентифицира вътрешния токов пренос, скрит от сумирането. Например при разреждане с положителна полярност: +40 A в една верига и −40 A в друга дават приблизително 0 A във външното съединение.

   Запис на текущото състояние с напрежения на клетките, напрежение на веригата, температура, SOC, състояние на контакторите и работен режим. Задайте прагове и времеви забавяния, основани на точността на сензорите, очакваното разпределение на натоварването, номиналните стойности на веригите и одобрената стратегия за управление. Реагирайте с аларми, блокиране на свързването, ограничения на мощността или изолация, когато е уместно; задаването на външната мощност на нула може да не спре вътрешния ток.

   При сравнение на две вериги с токове в една и съща посока и над минималната измервателна граница един описателен показател за дисбаланс е:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   При режим, близък до резервния, използвайте ампери със знак и абсолютни прагове. Процентите стават нестабилни при стойности, близки до нула. При токове в противоположни посоки е необходимо отделно оценяване, а веригите с различна капацитетна способност могат законно да пренасят различни токове; сравнявайте всяка клонова верига с очакваното ѝ разпределение и граници.

3. Използвайте надзор на главно ниво, за да ограничите несъответствията в SOC и напрежението

   Несъответствието в SOC е един от факторите, които предизвикват циркулиращ ток, но отговорът на напрежението също зависи от съпротивлението, температурата, състоянието на клетките и последните операции. Главните контролери на веригите и системният надзорен контрол трябва да обменят валидирани измервания и граници чрез одобрен протокол CAN/RS485, след което да прилагат критериите за съвпадение на напрежението и SOC, преди да се свърже клон.

   По време на експлоатация надзорният контрол може да анализира отклоненията, да намали мощността на системата, да забрани повторното свързване или да изолира неподходящ клон. Отклонение в SOC от 5 процентни точки може да служи като примерен тригер за анализ само ако е прието за конкретния проект; то не е универсален праг за свързване. При директно паралелно свързана постояннотокова шина софтуерът на BMS не може самостоятелно да задава постояннотоковия товар за всяка верига без подходяща силова електроника, например отделен DC/DC преобразувател за всяка верига.

   JKESS описва управлението в каскадна верига на 4–16 слейв-кутии за всеки майстър. Комбинирайте подходящото хардуерно средство за управление на модулите с дефиниран канал за защита и измерване за всяка успоредна верига и потвърдете функциите за надзор между веригите за избраната прошивка и системен дизайн. Активното балансиране на ниво на клетки подпомага съгласуваността в рамките на модулите; то не замества контрола на тока между веригите.

Архитектурен референтен модел: Бележка за приложение за успоредни вериги: разглеждани са въпросите за защита и топология (PDF) този външен инженерен референтен документ разглежда независимото наблюдение на веригите, автоматичното изолиране и компромисите в топологията; той не е доказателство за функция на продукт JKESS или твърдение за съвместимост.

Как архитектурата на JKESS HV BESS управлява успоредни вериги

Основната кутия, подчинените BMU и системният контролер имат различни функции. Платформата JKESS с главна и подчинена архитектура осигурява измервания на модулите, комуникация и защитни компоненти. При проект с успоредни вериги трябва също да се определят датчиците, изолацията и надзорното управление за всяка пълна верига.

Конфигурацията има значение. На основната страница на продукта са публикувани два диапазона за брой клетки в серия, затова този наръчник не ги счита за взаимозаменяеми. Енергийната вместимост се определя от избраните клетки и електрическата конфигурация, а не само от броя на кашоните. Съгласувайте поръчаната спецификация точно с хардуера, фърмуера и одобрената системна схема.

Чеклист преди разширение: 8 точки преди паралелно свързване на нов клон

1. Проверете електрическото съответствие. Потвърдете идентична одобрена химия и брой клетки в серия, съвместими работни напрежения и правилна полярност. Измерете напрежението на спокойствие (OCV) за всяка верига и използвайте ограничението за свързване, одобрено от производителя; ≤2 V не е универсално безопасно в нискоомна верига.
2. Прегледайте клетките и тяхното състояние. Сравнете модела, партидните записи, капацитета, вътрешното съпротивление, възрастта, състоянието на здравето (SOH) и разсейването на напрежението между клетките. Съвпадащата етикетна маркировка или първоначалното показание на SOC не гарантират съвместимост.
3. Потвърдете независима защита на всяка клонова верига. Проверете прекъсвача, предпазителя, контролираната изолационна верига, координацията при аварийни токове и одобрената конфигурация за предварително зареждане/свързване за всяка верига.
4. Потвърдете измерването на тока. Потвърдете независимо двупосочното измерване на тока за всяка верига, включително полярността на сензорите, нулевото отклонение, точността, регистрирането на данните и способността за измерване в режим на готовност.
5. Проверете надзорната стратегия. Потвърдете границите за приемане на SOC и напрежение, разрешенията за свързване, граничните стойности за ток, реакцията при загуба на връзка и намаляването на мощността след прекъсване на верига.
6. Проверете термичните условия. Сравнете температурите на елементите и на околната среда и проверете ефективността на въздушното или течностното охлаждане. Разликата в температурите от ≤3°C може да бъде цел на проекта, а не универсален критерий за приемане/отхвърляне; използвайте утвърдените термични критерии.
7. Изпълнете предписаните проверки на изолацията. Квалифициран персонал трябва да използва одобрената от оборудването процедура за изолация, тестовото напрежение и приемането на съпротивление. Критерий като ≥1 MΩ при 1000 VDC се прилага само когато е изрично посочен; не прилагайте изпитание на изолация при високо напрежение върху свързани електронни компоненти, освен ако процедурата не го разрешава.
8. Планирайте пускането в експлоатация и последващото наблюдение. Задайте аларми преди свързване, потвърдете одобрената последователност за включване и регистрирайте тока в клоновете, SOC, напреженията на елементите и температурите по време на първоначалния 72-часов период на наблюдение. Продължете мониторинга на тенденциите след това.

5 често срещани грешки при паралелно свързване на батерийни вериги

1. 1. Непосредствено паралелно свързване на вериги с различни стойности на SOC

   Пълна нова верига и съществуваща верига с SOC от 80 % могат да обменят значителен ток при свързване. Съгласувайте напрежението и SOC чрез одобрената процедура и проверете както граничните стойности за отделните елементи, така и напрежението на целия блок. Не използвайте главния контактор за изравняване на недопустимо несъответствие.

2. 2. Защита на цялата група само с един прекъсвач

   Общият прекъсвач не може да осигури селективно изолиране на всеки клон. Предвидете координирани прекъсвачи и предпазители за всяка верига, както и механизъм за контролирано изключване. Умерените вътрешни токове може никога да не достигнат прага за действие на предпазителя.

3. 3. Мониторинг само на общия ток на батерията

   Общата стойност може да изглежда нормална, докато един низ разрежда в друг. Осигурете двупосочни измервания за всеки низ и анализирайте посоката на тока, абсолютната му величина и очакваното разпределение на натоварването във всеки режим на работа.

4. 4. Игнориране на температурните разлики

   Неравномерното охлаждане променя съпротивлението, достъпния капацитет и поведението на SOC. Проверете измерените температури на клетките и термичните тенденции, а не само температурата на помещението. Поддържайте инсталацията в рамките на одобрените граници за температурна еднородност; 3 °C не е универсално прието правило.

5. 5. Пропускане на първите 72 часа от анализ на тенденциите

   Краткият тест при стартиране може да пропусне поведение, което се проявява при различен SOC, натоварване или температура. Анализирайте подписани клонови токове и свързаните с тях аларми по време на първоначалния 72-часов период на наблюдение, след което продължете с дългосрочно наблюдение. Нито първото свързване, нито 72 часа без аларми гарантират съвместимост през целия жизнен цикъл.

Често задавани въпроси