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東芝利用藍牙實現(xiàn)蓄電池系統(tǒng)充電監(jiān)控無線化

2023-07-03 14:59 性質(zhì):原創(chuàng) 作者:南山 來源:中叉網(wǎng)
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2023年6月22日,據(jù)日本電子巨頭東芝公司公布,該公司已經(jīng)開發(fā)出了一種可以通過BLE(藍牙低功耗)無線監(jiān)控充電狀態(tài)的技術(shù),此技術(shù)主要應用于監(jiān)控工廠及各類基礎...

2023年6月22日,據(jù)日本電子巨頭東芝公司公布,該公司已經(jīng)開發(fā)出了一種可以通過BLE(藍牙低功耗)無線監(jiān)控充電狀態(tài)的技術(shù),此技術(shù)主要應用于監(jiān)控工廠及各類基礎設施中的蓄電池系統(tǒng),實時掌握每個蓄電池模塊的充電狀態(tài)。在一系列的演示實驗和理論研究之后,這個基于特定蓄電池系統(tǒng)規(guī)格的方案已被證明可行。

值得注意的是,東芝公司此次采用的是被稱為BLE的通用無線通信標準,據(jù)稱,他們是全球首個運用此項技術(shù)實現(xiàn)充電狀態(tài)監(jiān)控的公司。他們將不斷進行相關(guān)研究和開發(fā),以期在2025年實現(xiàn)這項技術(shù)的實際應用。


蓄電池系統(tǒng)無線監(jiān)控圖片

用于基礎設施的蓄電池系統(tǒng)通常由嵌入金屬外殼內(nèi)的20個或更多蓄電池模塊組成,金屬外殼是一個封閉的空間。蓄電池模塊本身也是組合了多個電池單元的組合電池。


蓄電池系統(tǒng)配置

蓄電池系統(tǒng)配備了BMU(Battery Management Unit),對各個蓄電池模塊的電壓和溫度進行監(jiān)控和控制,蓄電池模塊還配備了CMU(Cell Monitoring Unit),對電壓和溫度進行監(jiān)控每個電池單元的。BMU利用從CMU獲取的各個蓄電池模塊的電壓和溫度數(shù)據(jù)來監(jiān)控充電狀態(tài),控制過放、過充、溫升等問題的原因,防止出現(xiàn)以下問題:過放、過充、溫升,操作安全。


監(jiān)控蓄電池系統(tǒng)中蓄電池模塊的 BMU


監(jiān)控蓄電池模塊電池單元的 CMU

如何用無線監(jiān)控代替有線監(jiān)控并應對高通訊錯誤率

目前,蓄電池系統(tǒng)的充電狀態(tài)監(jiān)測一般采用“有線監(jiān)測”的方式,即BMU和CMU之間通過有線連接進行數(shù)據(jù)通信。此次開發(fā)的技術(shù)最大的特點是,BMU和CMU之間的數(shù)據(jù)通信可以被使用BLE的“無線監(jiān)控”取代,BLE是一種通用無線通信標準,也用于智能手機。

然而,當通過無線通信連接蓄電池系統(tǒng)金屬外殼內(nèi)的BMU和內(nèi)置于20多個蓄電池模塊的CMU時,由于相互干擾以及外殼內(nèi)無線電波反射的影響,變得不穩(wěn)定。此外,當組合多個蓄電池系統(tǒng)以擴大規(guī)模時,蓄電池系統(tǒng)之間可能會發(fā)生相互干擾。實施無線監(jiān)控的最大問題是由于這種不穩(wěn)定性而導致的高通信錯誤率。


無線監(jiān)控因相互干擾,通信誤碼率較高

對于采用有線監(jiān)控的蓄電池系統(tǒng),需要進行設計,使得在10年的使用期內(nèi)(即鋰離子電池的產(chǎn)品壽命)內(nèi)不會出現(xiàn)超過一次通信錯誤。有線監(jiān)控一般監(jiān)控周期為300~600ms,在該監(jiān)控周期內(nèi)BMU與CMU之間進行一次通信。如果在10年的使用期間發(fā)生一次或更少的通信錯誤,則每個監(jiān)測周期的通信錯誤率是10-10數(shù)量級的極小值。

利用新開發(fā)的技術(shù),為了在無線監(jiān)控中實現(xiàn)相當于每個監(jiān)控周期10-10個數(shù)量級的通信錯誤率,需要設計一種允許單一延遲并防止連續(xù)延遲的系統(tǒng)。該設計采用“跳頻”,通過在 2.4 GHz 頻段(BLE 使用的頻率)內(nèi)高速切換頻率來盡可能減少相互干擾的影響。


如何利用BLE實現(xiàn)無線監(jiān)控有線監(jiān)控所需的通信誤碼率

具體地,將有線監(jiān)控的300~600ms的監(jiān)控周期分為100~200ms的三個子周期,如果這三個子周期中的每一個子周期中出現(xiàn)3次通信錯誤,則判定發(fā)生了通信錯誤。其目的是停止對存儲模塊的充電和放電。通過這種設計,無線電監(jiān)測每個子周期所需的通信錯誤率大大降低,約為10-4 。

在演示實驗中,在兩個相鄰的蓄電池系統(tǒng)中安裝了兩組BMU和11個蓄電池模塊,并連續(xù)測量了96小時(4天)通過BLE連接BMU和CMU進行無線監(jiān)控的通信延遲。 。結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果監(jiān)視周期為160ms或更小(小于最大子周期200ms),則可以將通信錯誤率抑制到10-4或更小。這意味著使用BLE的無線監(jiān)控可以實現(xiàn)與有線監(jiān)控相同的通信錯誤率,低于每10年一次。


進行演示實驗的蓄電池系統(tǒng)的配置


演示實驗中通信延遲的測量結(jié)果

適用于80個蓄電池模塊的蓄電池系統(tǒng)

隨著基礎設施用蓄電池系統(tǒng)應用于可再生能源穩(wěn)定供電、鐵路、船舶、VPP(虛擬發(fā)電廠)等廣泛領(lǐng)域,未來基礎設施用蓄電池系統(tǒng)的市場規(guī)模預計將擴大。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,到2035年,全球固定式蓄電池市場(容量基礎)將擴大至2020年水平的約4.3倍。


市場規(guī)?;谛铍姵厝萘?。到 2035 年,與 2020 年相比,固定電池將增長約 4.3 倍,汽車電池將增長約 14.2 倍。

在這個日益繁榮的市場環(huán)境下,對基礎設施電池存儲系統(tǒng)進行無線監(jiān)控有諸多好處。不再需要用于有線監(jiān)控的通信電纜,這無疑降低了組裝成本,并且在組裝過程中也可以避免因接線錯誤而產(chǎn)生的問題。該技術(shù)還能簡化系統(tǒng)維護,強化絕緣措施,提高安裝靈活性。另外,由于它采用了廣泛應用于消費產(chǎn)品中的BLE技術(shù),因此可以很有效地降低無線監(jiān)控系統(tǒng)的成本。

在本次的演示實驗中,采用了由兩組BMU和11個蓄電池模塊組成的蓄電池系統(tǒng),據(jù)悉,這種方案完全適用于由80個蓄電池模塊組成的系統(tǒng)。

值得一提的是,盡管這次公開的是基礎設施用蓄電池系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā),但這種技術(shù)在汽車電池領(lǐng)域也具有很大的應用潛力。預計到2035年,汽車電池的市場規(guī)模將擴大到2020年的約14.2倍,其潛在市場巨大。然而,汽車電池可能會有更高的要求,這意味著在未來需要更進一步的開發(fā)和優(yōu)化。

這次的詳細開發(fā)成果將在2023年6月22日(當?shù)貢r間)在意大利佛羅倫薩舉行的通信技術(shù)國際會議VTC2023-Spring上公開。

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