Циркулюючий струм у паралельних батарейних ланцюгах: чому він виникає та як архітектура BMS його запобігає | JKESS

Сценарій розширення, що йде не так

Розгляньмо приклад розширення комерційного та промислового (C&I) обладнання: у 2024 році на фабриці встановлюють акумуляторну систему ємністю 128 кВт·год, а до 2026 року, у зв’язку із зростанням навантаження, потрібно вже 256 кВт·год. Відділ закупівель пропонує придбати ще одну таку саму систему й підключити її паралельно. Через три місяці експлуатаційна група помічає постійний дисбаланс струмів та швидше зниження повідомленого рівня SOC у одному з рядів. Номери моделей збігаються, проте акумулятори мають уже різну історію експлуатації.

Однією з можливих причин може бути циркуляційний струм, а також нерівномірне розподілення навантаження, різниця температур, опір з’єднань, похибка датчиків або несправності окремих елементів. Нові та старі ряди можуть мати різну ємність і внутрішній опір, тому їхні внутрішні напруги та траєкторії SOC під час роботи розходяться, навіть якщо початкові показники SOC збігаються. У такому разі вища напруга джерела може спричиняти протікання струму в інший ряд. Перед визначенням причини перевірте значення струмів у гілках (з урахуванням знаку) та дані щодо окремих елементів.

Неконтрольований внутрішній перенос створює резистивні втрати й додаткове навантаження акумулятора. Це може посилити теплове й циклічне навантаження, призвести до досягнення меж напруги елементів і спровокувати захисні дії системи управління акумулятором (BMS); струми достатньо високої величини можуть спрацювати запобіжник або автоматичний вимикач. Деякі проблеми проявляються в момент підключення, тоді як інші стають чіткішими протягом кількох тижнів експлуатаційних даних. У цьому посібнику пояснюється фізична сутність явища, три інженерні заходи протидії та роль апаратного забезпечення JKESS (мастер і слейв) у проектуванні паралельних ланцюгів.

Фізична сутність: чому виникає циркуляційний струм

Циркуляційний струм сам по собі не є свідченням низької якості акумулятора. Він виникає згідно з законами електричних кіл, коли паралельно з’єднані джерела мають різні внутрішні напруги. Корисна перша оцінка для двох ланцюгів за відсутності зовнішнього навантаження така:

I_circulating = ΔV / R_loop

Після підключення ряди мають спільну напругу на шині, за винятком падінь напруги в місцях з’єднання. Основна різниця, що викликає струм, — це розбіжність між їх еквівалентними джерелами, а не двома різними напругами в одному й тому самому ідеальному вузлі шини. За зовнішнього навантаження струм у кожній гілці включає як розподіл навантаження, так і вплив розбіжності напруг. Ця резистивна оцінка не враховує перехідних процесів під час з’єднання, індуктивності чи електрохімічної релаксації.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

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

Інженерний довідковий матеріал: Вень та ін., дослідження стосовно нерівномірності струму в паралельно з’єднаних акумуляторах різного типу , розробляють еквівалентну схемну модель та аналізують, як різниця в ємності й опорі впливає на струм, SOC та старіння. Наведений вище числовий приклад — це пояснювальний розрахунок схеми, а не результат тестування продукту.

Незахищений паралельний підхід проти незалежного захисту рядків

Незалежний захист гілок полегшує виявлення та ізоляцію несправностей. Його слід обов’язково поєднувати з окремим вимірюванням для кожного рядка й узгодженою керуючою реакцією; самі пристрої захисту не усувають циркулюючий струм.

Якщо один із рядків відключається, решта рядків можуть отримувати більший струм. Система управління енергією / перетворювач (EMS/PCS) має зменшити потужність або зупинити роботу за необхідності, щоб запобігти каскадному вимкненню. Незалежний захист не є дозволом на проведення технічного обслуговування під напругою.

Три інженерні контрзаходи

1. Обладнати кожен рядок незалежними автоматичними вимикачами та запобіжниками

   Мета захисту відгалуження — це вибіркова ізоляція пошкоджень. Вкажіть автоматичний вимикач і запобіжник, розраховані на постійний струм, для кожного рядка разом із контакторами, керованими системою управління акумуляторами (BMS), або відповідним автоматичним механізмом відключення. Помірний циркуляційний струм може залишатися нижче порогу спрацьовування при перевантаженні, тому запобіжник не є заміною керованої ізоляції.

   Пріоритети вибору: узгодьте номінальний струм тривалого режиму, часові характеристики струму, номінальну напругу постійного струму, доступний струм короткого замикання, комутаційну здатність, захист провідників та дозволені пікові значення робочих параметрів. Оцініть внесок у струм короткого замикання від кожного підключеного рядка. Вибіркове відключення та безперервна робота мають бути підтверджені на рівні системи.

   Місце встановлення: використовувати затверджену однолінійну схему та схему заземлення для визначення провідників, які потребують захисту й ізоляції. Не існує універсального правила, що автоматичний вимикач має бути на позитивному провіднику, а запобіжник — на негативному провіднику. Підтвердити послідовність попереднього заряду та підключення поставленого обладнання; контур попереднього заряду постійного струму не має автоматичної номінальної оцінки для вирівнювання неузгоджених батарейних ланцюгів.

2. Контролювати кожен ланцюг під час заряджання, розряджання та у режимі очікування

   Встановити незалежний двонапрямковий канал вимірювання струму на кожному паралельному ланцюгу й зберігати його знак. Система, що має лише датчик загального струму, не може виявити внутрішній перетік, прихований сумуванням. Наприклад, під час розряджання з позитивним напрямком +40 А в одному ланцюзі й −40 А в іншому дають приблизно 0 А на зовнішньому з’єднанні.

   Записувати поточні показники: напругу на елементах, напругу на групі, температуру, рівень заряду (SOC), стан контакторів та режим роботи. Налаштувати порогові значення й часові затримки з урахуванням точності датчиків, очікуваного розподілу навантаження, номінальних параметрів груп і затвердженого алгоритму керування. Реагувати відповідними сигналами тривоги, забороною підключення, обмеженнями потужності або ізоляцією; встановлення зовнішньої потужності на нуль може не припинити внутрішній струм.

   Для порівняння двох груп із струмами одного напрямку й вище мінімального вимірювального рівня одним описовим показником дисбалансу є:

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

   У режимі, близькому до режиму очікування, використовувати струми зі знаком і абсолютні порогові значення. Відсоткові значення стають нестабільними поблизу нуля. При протилежних напрямках струмів потрібна окрема оцінка, а групи з різною ємністю можуть законно проводити різні струми; порівнювати кожну гілку з її очікуваним розподілом навантаження та граничними значеннями.

3. Використовувати нагляд на рівні головного контролера для обмеження рівня заряду (SOC) та розбіжностей у напрузі

   Розбіжність у рівні SOC є одним із чинників циркулюючого струму, але відгук напруги також залежить від опору, температури, стану елементів та недавнього режиму роботи. Майстри груп і системний наглядовий пристрій мають обмінюватися перевіреними вимірюваннями й межами через затверджений протокол CAN/RS485, а потім застосовувати критерії відповідності напруги й SOC перед підключенням гілки.

   Під час роботи наглядове керування може аналізувати відхилення, зменшувати потужність системи, забороняти повторне підключення або ізольовувати непридатну гілку. Відхилення SOC на 5 процентних пунктів може слугувати лише прикладним тригером для аналізу — за умови його прийняття для конкретного проекту; це не універсальний поріг для підключення. На безпосередньо паралельному постійному струмі шині програмне забезпечення BMS не може незалежно встановлювати постійний струм кожної гілки без відповідного силового обладнання, наприклад, окремого DC/DC-перетворювача для кожної гілки.

   JKESS описує керування підлеглими блоками за принципом «ланцюжка» з 4–16 підлеглих блоків на один головний. Поєднайте відповідне апаратне забезпечення для керування модулями з визначеним каналом захисту та датування для кожної паралельної гілки й підтвердьте функції нагляду між гілками для обраного прошивкового забезпечення та проекту системи. Активне балансування на рівні окремих елементів сприяє узгодженості всередині модулів; воно не замінює керування струмом між гілками.

Орієнтир архітектури: Примітка щодо застосування в паралельних гілках: міркування щодо захисту та топології (PDF) цей зовнішній технічний довідковий матеріал розглядає незалежний моніторинг гілок, автоматичну ізоляцію та компроміси щодо топології; він не є підтвердженням наявності будь-якої функції продукту JKESS чи заявою про сумісність.

Як архітектура JKESS HV BESS керує паралельними гілками

Головна коробка, підлеглі блоки керування батареями (BMU) та контролер рівня системи виконують різні функції. Платформа JKESS з головним і підлеглим рівнями забезпечує вимірювання модулів, зв’язок та базові функції захисту. У проекті з паралельними ланцюгами також необхідно визначити засоби вимірювання, ізоляції та наглядового керування для кожного повного ланцюга.

Конфігурація має значення. На головній сторінці продукту вказано два діапазони кількості послідовно з’єднаних клітин, тому цей посібник не вважає їх взаємозамінними. Ємність акумуляторної батареї визначається вибраними клітинами та електричною конфігурацією, а не лише кількістю корпусів. Співставте технічні вимоги до замовлення з точними характеристиками обладнання, прошивки та затвердженим кресленням системи.

Перевірний список перед розширенням: 8 пунктів перед паралельним підключенням нового ланцюга

1. Перевірте електричну сумісність. Підтвердьте ідентичні затверджену хімію та кількість елементів у серії, сумісні вікна напруги й правильну полярність. Виміряйте спокоєву напругу на ланцюзі (OCV) та використовуйте граничне значення підключень, затверджене виробником; ≤2 В не є універсально безпечним у низькоопорному контурі.
2. Перевірте елементи й їхній стан. Порівняйте модель, партії, ємність, внутрішній опір, термін експлуатації, стан здоров’я (SOH) та розкид напруги між елементами. Збіг маркування продукту чи початкового значення SOC не гарантує сумісності.
3. Підтвердьте незалежний захист гілок. Перевірте автоматичний вимикач, запобіжник, керований шлях ізоляції, узгодження струму короткого замикання та затверджену схему попереднього заряду/підключення для кожного ланцюга.
4. Перевірте вимірювання струму. Підтвердьте незалежне двонаправлене вимірювання струму для кожного ланцюга, у тому числі полярність датчиків, нульовий зсув, точність, реєстрацію даних та здатність вимірювання у режимі очікування.
5. Перевірте наглядову стратегію. Підтвердити межі прийнятності SOC та напруги, дозволи на підключення, граничні значення струму, реакції на втрату зв’язку та зниження потужності після відключення гілки.
6. Перевірити теплові умови. Порівняти температури елементів та навколишнього середовища й оглянути ефективність повітряного або рідинного охолодження. Різниця температур ≤3 °C може бути цільовим показником проекту, а не універсальним критерієм проходження/непроходження; застосовувати затверджені теплові критерії.
7. Виконати вказані перевірки ізоляції. Кваліфікований персонал має використовувати затверджену процедуру ізоляції обладнання, випробувальну напругу та граничне значення опору. Критерій, наприклад ≥1 МОм при 1000 В постійного струму, застосовується лише у разі явного вказівки; не проводити випробування ізоляції під високою напругою через підключені електронні компоненти, якщо процедура цього не дозволяє.
8. Спланувати введення в експлуатацію та подальше моніторинг. Встановіть сигнали тривоги до підключення, перевірте затверджений порядок ввімкнення в експлуатацію та фіксуйте струм у гілках, рівень заряду (SOC), напругу на елементах та температуру протягом початкового періоду спостереження тривалістю 72 години. Після цього продовжуйте моніторинг трендів.

5 поширених помилок при паралельному з’єднанні акумуляторних ланцюгів

1. 1. Безпосереднє паралельне з’єднання ланцюгів із різними значеннями SOC

   Повністю новий ланцюг і вже експлуатований ланцюг із SOC 80 % можуть обмінюватися значним струмом у момент підключення. Вирівняйте напругу й SOC за затвердженою процедурою й одночасно перевірте граничні значення для окремих елементів та загальної напруги акумуляторного блоку. Не використовуйте головний контактор для вирівнювання невідповідності, що не була затверджена.

2. 2. Захист усього блоку лише одним автоматичним вимикачем

   Спільний автоматичний вимикач не забезпечує селективного відключення кожної гілки. Вкажіть у технічному завданні координовані автоматичні вимикачі та запобіжники для кожної окремої ланцюга, а також механізм контролюваного відключення. Середні внутрішні струми можуть ніколи не досягати порогового значення спрацювання запобіжника.

3. 3. Моніторинг лише загального струму акумулятора

   Загальне значення може виглядати нормально, тоді як один ряд розряджається в інший. Забезпечте двонаправлене вимірювання для кожного ряду й проаналізуйте напрямок струму, абсолютну величину та очікуване розподілення навантаження в усіх режимах роботи.

4. 4. Ігнорування різниці температур

   Нерівномірне охолодження змінює опір, доступну ємність та поведінку SOC. Перевірте виміряні температури елементів і теплові тенденції, а не лише температуру навколишнього середовища. Забезпечте встановлення в межах затверджених обмежень щодо рівномірності температури; 3 °C — це не універсальне правило прийняття.

5. 5. Пропускання перших 72 годин аналізу тенденцій

   Коротке випробування під час запуску може пропустити поведінку, яка проявляється за іншого SOC, навантаження чи температури. Проаналізуйте підписані струми гілок та пов’язані тривожні сигнали протягом початкового 72-годинного періоду спостереження, а потім продовжуйте тривале моніторинг. Ні перше підключення, ні 72 години без тривожних сигналів не підтверджують сумісність протягом усього терміну служби.

Поширені запитання