ระบบการจัดการแบตเตอรี่คืออะไร?

คำนิยาม

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เป็นเทคโนโลยีที่ทุ่มเทให้กับการควบคุมดูแลชุดแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นการประกอบเซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งจัดระบบไฟฟ้าในการกำหนดค่าเมทริกซ์แถว x คอลัมน์ เพื่อให้สามารถส่งช่วงแรงดันและกระแสเป้าหมายในช่วงระยะเวลาหนึ่งเทียบกับ สถานการณ์การโหลดที่คาดหวังการกำกับดูแลที่ BMS มอบให้มักจะรวมถึง:

• การตรวจสอบแบตเตอรี่
• ให้การป้องกันแบตเตอรี่
• การประมาณสถานะการทำงานของแบตเตอรี่
• เพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง
• รายงานสถานะการทำงานไปยังอุปกรณ์ภายนอก

ในที่นี้คำว่า "แบตเตอรี่" หมายถึงแบตเตอรี่ทั้งหมดอย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันการตรวจสอบและควบคุมจะใช้กับเซลล์แต่ละเซลล์หรือกลุ่มเซลล์ที่เรียกว่าโมดูลในชุดแบตเตอรี่โดยรวมโดยเฉพาะเซลล์แบบชาร์จไฟได้ลิเธียมไอออนมีความหนาแน่นพลังงานสูงสุดและเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับชุดแบตเตอรี่สำหรับผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคหลายประเภท ตั้งแต่แล็ปท็อปไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าแม้ว่าจะทำงานได้อย่างดีเยี่ยม แต่ก็อาจดูไม่น่าให้อภัยหากใช้งานนอกพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัย (SOA) ที่คับแคบโดยทั่วไป โดยมีผลลัพธ์ตั้งแต่การลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ไปจนถึงผลที่ตามมาที่เป็นอันตรายโดยสิ้นเชิงBMS มีรายละเอียดงานที่ท้าทายอย่างแน่นอน และความซับซ้อนโดยรวมและการกำกับดูแลอาจครอบคลุมหลายสาขาวิชา เช่น ไฟฟ้า ดิจิทัล การควบคุม ความร้อน และไฮดรอลิก

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ไม่มีชุดเกณฑ์ที่ตายตัวหรือเฉพาะเจาะจงที่ต้องนำมาใช้ขอบเขตการออกแบบเทคโนโลยีและคุณลักษณะที่นำไปใช้โดยทั่วไปมีความสัมพันธ์กับ:

• ต้นทุน ความซับซ้อน และขนาดของก้อนแบตเตอรี่
• การใช้งานแบตเตอรี่และข้อกังวลด้านความปลอดภัย อายุการใช้งาน และการรับประกัน
• ข้อกำหนดการรับรองจากกฎระเบียบของรัฐบาลต่างๆ ซึ่งค่าใช้จ่ายและบทลงโทษเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง หากมีมาตรการด้านความปลอดภัยในการทำงานไม่เพียงพอ

มีคุณสมบัติการออกแบบ BMS มากมาย โดยการจัดการการป้องกันชุดแบตเตอรี่และการจัดการความจุเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสองประการเราจะพูดถึงวิธีการทำงานของคุณสมบัติทั้งสองนี้ที่นี่การจัดการการปกป้องชุดแบตเตอรี่มีสองส่วนหลัก: การป้องกันทางไฟฟ้า ซึ่งหมายถึงการไม่ยอมให้แบตเตอรี่ได้รับความเสียหายจากการใช้งานภายนอก SOA และการป้องกันความร้อน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมอุณหภูมิแบบพาสซีฟและ/หรือแบบแอคทีฟเพื่อรักษาหรือนำแบตเตอรี่เข้าไปใน SOA

การป้องกันการจัดการไฟฟ้า: ปัจจุบัน

การตรวจสอบกระแสไฟของแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าของเซลล์หรือโมดูลเป็นหนทางสู่การป้องกันทางไฟฟ้าSOA ทางไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ใดๆ ถูกผูกไว้ด้วยกระแสและแรงดันไฟฟ้ารูปที่ 1 แสดงให้เห็น SOA ของเซลล์ลิเธียมไอออนทั่วไป และ BMS ที่ได้รับการออกแบบอย่างดีจะปกป้องแพ็คโดยป้องกันการทำงานนอกพิกัดเซลล์ของผู้ผลิตในหลายกรณี อาจมีการใช้การลดพิกัดเพิ่มเติมเพื่ออยู่ภายในโซนปลอดภัย SOA เพื่อประโยชน์ในการส่งเสริมอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้นานขึ้น

เซลล์ลิเธียมไอออนมีขีดจำกัดกระแสในการชาร์จแตกต่างจากการคายประจุ และทั้งสองโหมดสามารถรองรับกระแสสูงสุดที่สูงกว่าได้ แม้ว่าจะเป็นเพียงช่วงเวลาสั้นๆ ก็ตามผู้ผลิตเซลล์แบตเตอรี่มักจะระบุขีดจำกัดกระแสการชาร์จและการคายประจุต่อเนื่องสูงสุด พร้อมด้วยขีดจำกัดกระแสการชาร์จและการคายประจุสูงสุดBMS ที่ให้การป้องกันกระแสจะใช้กระแสต่อเนื่องสูงสุดอย่างแน่นอนอย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นก่อนการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขโหลดอย่างกะทันหันเช่น การเร่งความเร็วอย่างกะทันหันของรถยนต์ไฟฟ้าBMS อาจรวมการตรวจสอบกระแสสูงสุดโดยการรวมกระแสปัจจุบันและหลังเวลาเดลต้าเข้าด้วยกัน โดยตัดสินใจว่าจะลดกระแสที่มีอยู่หรือขัดขวางกระแสแพ็คทั้งหมดซึ่งช่วยให้ BMS มีความไวเกือบจะในทันทีต่อจุดสูงสุดของกระแสไฟฟ้าที่รุนแรง เช่น สภาวะการลัดวงจรที่ไม่ได้รับความสนใจจากฟิวส์ประจำใดๆ แต่ยังให้อภัยต่อความต้องการจุดสูงสุดที่สูง ตราบใดที่พวกมันไม่มากเกินไปจนเกินไป ยาว.

การป้องกันการจัดการไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้า

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าเซลล์ลิเธียมไอออนต้องทำงานภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดในที่สุด ขอบเขต SOA เหล่านี้จะถูกกำหนดโดยเคมีภายในของเซลล์ลิเธียมไอออนที่เลือกและอุณหภูมิของเซลล์ในเวลาใดๆ ก็ตามนอกจากนี้ เนื่องจากชุดแบตเตอรี่ใดๆ ประสบกับกระแสหมุนเวียนจำนวนมาก การคายประจุเนื่องจากความต้องการโหลด และการชาร์จจากแหล่งพลังงานที่หลากหลาย ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า SOA เหล่านี้มักจะถูกจำกัดเพิ่มเติมเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้เหมาะสมBMS ต้องรู้ว่าขีดจำกัดเหล่านี้คืออะไร และจะสั่งการตัดสินใจโดยพิจารณาจากความใกล้เคียงกับเกณฑ์เหล่านี้ตัวอย่างเช่น เมื่อเข้าใกล้ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูง BMS อาจขอให้ลดกระแสการชาร์จลงทีละน้อย หรืออาจขอให้ยุติกระแสการชาร์จทั้งหมดหากถึงขีดจำกัดอย่างไรก็ตาม ขีดจำกัดนี้มักจะมาพร้อมกับการพิจารณาฮิสเทรีซิสของแรงดันไฟฟ้าภายในเพิ่มเติม เพื่อป้องกันการควบคุมการพูดพล่ามเกี่ยวกับเกณฑ์การปิดเครื่องในทางกลับกัน เมื่อเข้าใกล้ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำ BMS จะขอให้โหลดที่กระทำผิดที่ใช้งานอยู่หลักลดความต้องการในปัจจุบันลงในกรณีของรถยนต์ไฟฟ้า อาจดำเนินการได้โดยการลดแรงบิดที่อนุญาตให้กับมอเตอร์ฉุดแน่นอนว่า BMS จะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยสำหรับผู้ขับขี่เป็นลำดับความสำคัญสูงสุดในขณะเดียวกันก็ปกป้องชุดแบตเตอรี่เพื่อป้องกันความเสียหายถาวร

การป้องกันการจัดการความร้อน: อุณหภูมิ

เมื่อพิจารณาตามมูลค่าแล้ว อาจดูเหมือนว่าเซลล์ลิเธียมไอออนมีช่วงการทำงานของอุณหภูมิที่กว้าง แต่ความจุโดยรวมของแบตเตอรี่จะลดลงที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากอัตราปฏิกิริยาทางเคมีช้าลงอย่างน่าทึ่งในแง่ของความสามารถที่อุณหภูมิต่ำ แบตเตอรี่เหล่านี้ทำงานได้ดีกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดหรือ NiMh มากอย่างไรก็ตาม การจัดการอุณหภูมิถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 °C (32 °F) เป็นปัญหาทางกายภาพปรากฏการณ์การชุบโลหะลิเธียมสามารถเกิดขึ้นได้บนขั้วบวกระหว่างการชาร์จแบบแช่แข็งย่อยนี่เป็นความเสียหายถาวรและไม่เพียงแต่ส่งผลให้ความจุลดลงเท่านั้น แต่เซลล์ยังเสี่ยงต่อความล้มเหลวหากอยู่ภายใต้การสั่นสะเทือนหรือสภาวะเครียดอื่นๆBMS สามารถควบคุมอุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ผ่านการทำความร้อนและความเย็น

การจัดการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นจริงนั้นขึ้นอยู่กับขนาดและราคาของชุดแบตเตอรี่และวัตถุประสงค์ด้านประสิทธิภาพ เกณฑ์การออกแบบของ BMS และหน่วยผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจรวมถึงการพิจารณาพื้นที่ทางภูมิศาสตร์เป้าหมาย (เช่น อลาสก้ากับฮาวาย)ไม่ว่าเครื่องทำความร้อนประเภทใด โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพมากกว่าในการดึงพลังงานจากแหล่งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับภายนอก หรือแบตเตอรี่สำรองที่ใช้ประจำเครื่องทำความร้อนเมื่อจำเป็นอย่างไรก็ตาม หากเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าใช้กระแสไฟเพียงเล็กน้อย พลังงานจากแบตเตอรี่หลักก็สามารถถูกดูดออกไปเพื่อให้ความร้อนได้หากมีการนำระบบไฮดรอลิกความร้อนมาใช้ เครื่องทำความร้อนไฟฟ้าจะถูกใช้เพื่อให้ความร้อนแก่สารหล่อเย็นซึ่งจะถูกสูบและกระจายไปทั่วชุดประกอบบรรจุภัณฑ์

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าวิศวกรออกแบบของ BMS มีเทคนิคในการออกแบบเพื่อกระจายพลังงานความร้อนเข้าสู่บรรจุภัณฑ์ตัวอย่างเช่น สามารถเปิดระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างๆ ภายใน BMS สำหรับการจัดการความจุโดยเฉพาะได้แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับการให้ความร้อนโดยตรง แต่ก็สามารถใช้ประโยชน์ได้โดยไม่คำนึงถึงการระบายความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดการสูญเสียประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตัวอย่างเช่น บางทีแบตเตอรี่ที่กำหนดจะทำงานได้อย่างเหมาะสมที่อุณหภูมิ 20°C;หากอุณหภูมิของบรรจุภัณฑ์เพิ่มขึ้นเป็น 30°C ประสิทธิภาพการทำงานของมันจะลดลงได้มากถึง 20%หากชาร์จแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องและชาร์จใหม่ที่อุณหภูมิ 45°C (113°F) ประสิทธิภาพที่สูญเสียอาจเพิ่มขึ้นถึง 50% อย่างมากอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยังอาจเสื่อมสภาพก่อนวัยและการเสื่อมสภาพหากสัมผัสกับความร้อนที่มากเกินไปอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุที่รวดเร็วโดยปกติแล้วการทำความเย็นจะทำได้สองวิธี คือ แบบพาสซีฟหรือแบบแอคทีฟ และอาจใช้ทั้งสองเทคนิคก็ได้การระบายความร้อนแบบพาสซีฟอาศัยการเคลื่อนที่ของอากาศเพื่อทำให้แบตเตอรี่เย็นลงในกรณีของรถยนต์ไฟฟ้า นั่นหมายความว่ารถยนต์กำลังเคลื่อนตัวไปตามถนนเท่านั้นอย่างไรก็ตาม อาจมีความซับซ้อนมากกว่าที่ปรากฏ เนื่องจากเซ็นเซอร์ความเร็วลมสามารถรวมเข้ากับแผงกั้นอากาศแบบเบี่ยงอัตโนมัติอย่างมีกลยุทธ์เพื่อเพิ่มการไหลของอากาศให้สูงสุดการใช้พัดลมควบคุมอุณหภูมิแบบแอคทีฟสามารถช่วยได้ที่ความเร็วต่ำหรือเมื่อรถหยุด แต่ทั้งหมดนี้ทำได้เพียงปรับแพ็คให้เท่ากันกับอุณหภูมิโดยรอบโดยรอบในกรณีที่มีวันที่อากาศร้อนจัด อาจเพิ่มอุณหภูมิของบรรจุภัณฑ์เริ่มต้นได้การระบายความร้อนแบบแอคทีฟไฮดรอลิกด้วยความร้อนสามารถออกแบบให้เป็นระบบเสริมได้ และโดยทั่วไปจะใช้สารหล่อเย็นเอทิลีน-ไกลคอลที่มีอัตราส่วนส่วนผสมที่ระบุ หมุนเวียนผ่านปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าผ่านท่อ/ท่อ ท่อร่วมกระจาย ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลข้าม (หม้อน้ำ) และแผ่นทำความเย็นที่อยู่ติดกับชุดแบตเตอรี่BMS จะตรวจสอบอุณหภูมิทั่วทั้งแพ็ค และเปิดและปิดวาล์วต่างๆ เพื่อรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่โดยรวมภายในช่วงอุณหภูมิที่แคบเพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่มีประสิทธิภาพสูงสุด

การจัดการความจุ

การเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ให้สูงสุดถือเป็นคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งที่ BMS มอบให้หากไม่ดำเนินการบำรุงรักษา ชุดแบตเตอรี่อาจใช้งานไม่ได้ในที่สุดสาเหตุของปัญหาคือชุดแบตเตอรี่ "สแต็ค" (แถวลำดับของเซลล์) ไม่เท่ากันอย่างสมบูรณ์ และโดยแท้จริงแล้วมีอัตราการรั่วหรือการคายประจุเองแตกต่างกันเล็กน้อยการรั่วไหลไม่ใช่ข้อบกพร่องของผู้ผลิต แต่เป็นคุณลักษณะทางเคมีของแบตเตอรี่ แม้ว่าอาจได้รับผลกระทบทางสถิติจากความแปรผันของกระบวนการผลิตเพียงเล็กน้อยก็ตามในตอนแรกก้อนแบตเตอรี่อาจมีเซลล์ที่เข้ากันดี แต่เมื่อเวลาผ่านไป ความคล้ายคลึงกันระหว่างเซลล์กับเซลล์จะลดลงอีก ไม่ใช่แค่เนื่องจากการคายประจุในตัวเองเท่านั้น แต่ยังได้รับผลกระทบจากวงจรการชาร์จ/คายประจุ อุณหภูมิที่สูงขึ้น และอายุตามปฏิทินทั่วไปด้วยเมื่อเข้าใจแล้ว ให้นึกถึงการสนทนาก่อนหน้านี้ว่าเซลล์ลิเธียมไอออนทำงานได้ดีเยี่ยม แต่อาจไม่น่าให้อภัยหากดำเนินการนอก SOA ที่คับแคบก่อนหน้านี้เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับการป้องกันทางไฟฟ้าที่จำเป็น เนื่องจากเซลล์ลิเธียมไอออนไม่สามารถจัดการกับการชาร์จมากเกินไปได้เมื่อชาร์จเต็มแล้ว พวกเขาไม่สามารถรับกระแสไฟฟ้าได้อีกต่อไป และพลังงานเพิ่มเติมใดๆ ที่ผลักเข้าไปในนั้นจะถูกแปลงเป็นความร้อน โดยแรงดันไฟฟ้าอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนอาจถึงระดับที่เป็นอันตรายได้มันไม่ใช่สถานการณ์ที่ดีต่อเซลล์และอาจก่อให้เกิดความเสียหายถาวรและสภาพการทำงานที่ไม่ปลอดภัยหากยังคงดำเนินต่อไป

อาร์เรย์เซลล์ซีรีส์แบตเตอรี่คือสิ่งที่กำหนดแรงดันไฟฟ้าโดยรวมของแบตเตอรี่ และความไม่ตรงกันระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันทำให้เกิดปัญหาเมื่อพยายามชาร์จสแต็กใดๆรูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้นหากมีชุดเซลล์ที่สมดุลอย่างสมบูรณ์แบบ ทุกอย่างก็ปกติดีเพราะแต่ละเซลล์จะชาร์จเท่ากัน และสามารถตัดกระแสไฟชาร์จได้เมื่อถึงเกณฑ์ตัดแรงดันไฟฟ้า 4.0 ด้านบนอย่างไรก็ตาม ในสถานการณ์ที่ไม่สมดุล เซลล์ด้านบนจะถึงขีดจำกัดการชาร์จก่อนเวลา และกระแสไฟชาร์จจะต้องยุติลงที่ขาก่อนที่เซลล์อื่นๆ ที่อยู่ด้านล่างจะถูกชาร์จจนเต็มประสิทธิภาพ

BMS คือสิ่งที่ก้าวเข้ามาและบันทึกวันหรือก้อนแบตเตอรี่ในกรณีนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ทำงานอย่างไร จำเป็นต้องอธิบายคำจำกัดความที่สำคัญสถานะการชาร์จ (SOC) ของเซลล์หรือโมดูล ณ เวลาที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนกับประจุที่มีอยู่ สัมพันธ์กับประจุทั้งหมดเมื่อชาร์จจนเต็มดังนั้น แบตเตอรี่ที่มี SOC อยู่ที่ 50% แสดงว่าแบตเตอรี่มีประจุอยู่ 50% ซึ่งคล้ายกับค่ามาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงการจัดการความจุ BMS เป็นเรื่องเกี่ยวกับการปรับสมดุลการเปลี่ยนแปลงของ SOC ในแต่ละสแต็กในชุดประกอบแพ็คเนื่องจาก SOC ไม่ใช่ปริมาณที่สามารถวัดได้โดยตรง จึงประมาณได้โดยเทคนิคต่างๆ และรูปแบบการปรับสมดุลโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือ แบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟธีมมีหลากหลายรูปแบบ และแต่ละประเภทก็มีข้อดีและข้อเสียขึ้นอยู่กับวิศวกรออกแบบ BMS ที่จะตัดสินใจว่าแบตเตอรี่ชนิดใดเหมาะสมที่สุดสำหรับชุดแบตเตอรี่และการใช้งานการปรับสมดุลแบบพาสซีฟเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการนำไปใช้ พร้อมทั้งอธิบายแนวคิดการปรับสมดุลทั่วไปด้วยวิธีการแบบพาสซีฟทำให้ทุกเซลล์ในสแต็กมีความจุประจุเท่ากันกับเซลล์ที่อ่อนแอที่สุดเมื่อใช้กระแสไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ จะส่งพลังงานจำนวนเล็กน้อยจากเซลล์ SOC สูงในระหว่างรอบการชาร์จ เพื่อให้เซลล์ทั้งหมดชาร์จไปที่ SOC สูงสุดรูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่า BMS บรรลุผลสำเร็จได้อย่างไรโดยจะตรวจสอบแต่ละเซลล์และใช้สวิตช์ทรานซิสเตอร์และตัวต้านทานดิสชาร์จที่มีขนาดเหมาะสมขนานกับแต่ละเซลล์เมื่อ BMS ตรวจจับได้ว่าเซลล์ใดกำลังเข้าใกล้ขีดจำกัดประจุของมัน มันจะควบคุมกระแสส่วนเกินที่อยู่รอบๆ ไปยังเซลล์ถัดไปด้านล่างในลักษณะจากบนลงล่าง

จุดสิ้นสุดของกระบวนการปรับสมดุลก่อนและหลังจะแสดงในรูปที่ 5 โดยสรุป BMS จะปรับสมดุลปึกแบตเตอรี่โดยอนุญาตให้เซลล์หรือโมดูลในปึกเห็นกระแสการชาร์จที่แตกต่างจากกระแสของแพ็คด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

• การกำจัดประจุออกจากเซลล์ที่มีประจุมากที่สุด ซึ่งให้พื้นที่ว่างสำหรับกระแสไฟชาร์จเพิ่มเติมเพื่อป้องกันการประจุไฟเกิน และช่วยให้เซลล์ที่มีประจุน้อยกว่าได้รับกระแสไฟชาร์จมากขึ้น
• การเปลี่ยนเส้นทางของกระแสการชาร์จบางส่วนหรือเกือบทั้งหมดรอบๆ เซลล์ที่มีประจุมากที่สุด ซึ่งช่วยให้เซลล์ที่มีประจุน้อยกว่าได้รับกระแสไฟชาร์จเป็นระยะเวลานานขึ้น

ประเภทของระบบการจัดการแบตเตอรี่

ระบบการจัดการแบตเตอรี่มีตั้งแต่แบบง่ายไปจนถึงซับซ้อน และสามารถใช้เทคโนโลยีต่างๆ มากมายเพื่อให้บรรลุคำสั่งหลักในการ "ดูแลแบตเตอรี่"อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้สามารถจัดหมวดหมู่ตามโทโพโลยี ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีการติดตั้งและใช้งานบนเซลล์หรือโมดูลที่อยู่ทั่วชุดแบตเตอรี่

สถาปัตยกรรม BMS แบบรวมศูนย์

มี BMS ส่วนกลางหนึ่งชุดในชุดแบตเตอรี่ชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดเชื่อมต่อกับ BMS ส่วนกลางโดยตรงโครงสร้างของ BMS แบบรวมศูนย์แสดงในรูปที่ 6 BMS แบบรวมศูนย์มีข้อดีบางประการมีขนาดกะทัดรัดกว่า และมีแนวโน้มที่จะประหยัดที่สุดเนื่องจากมี BMS เพียงอันเดียวอย่างไรก็ตาม BMS แบบรวมศูนย์ก็มีข้อเสียอยู่เนื่องจากแบตเตอรี่ทั้งหมดเชื่อมต่อกับ BMS โดยตรง BMS จึงจำเป็นต้องมีพอร์ตจำนวนมากเพื่อเชื่อมต่อกับแพ็คเกจแบตเตอรี่ทั้งหมดส่งผลให้ต้องใช้สายไฟ สายเคเบิล ขั้วต่อ ฯลฯ จำนวนมากในชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ซึ่งทำให้ทั้งการแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษายุ่งยาก

โทโพโลยี BMS แบบโมดูลาร์

เช่นเดียวกับการใช้งานแบบรวมศูนย์ BMS แบ่งออกเป็นโมดูลที่ซ้ำกันหลายโมดูล โดยแต่ละโมดูลมีมัดสายไฟและการเชื่อมต่อกับส่วนที่กำหนดที่อยู่ติดกันของปึกแบตเตอรี่ดู รูปภาพ 7 ในบางกรณี โมดูลย่อย BMS เหล่านี้อาจอยู่ภายใต้การควบคุมดูแลโมดูล BMS หลัก ซึ่งมีหน้าที่ตรวจสอบสถานะของโมดูลย่อยและสื่อสารกับอุปกรณ์ต่อพ่วงต้องขอบคุณโมดูลาร์ที่ซ้ำกัน การแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษาจึงง่ายขึ้น และการขยายไปยังชุดแบตเตอรี่ที่ใหญ่ขึ้นก็ทำได้ง่ายตรงไปตรงมาข้อเสียคือต้นทุนโดยรวมจะสูงกว่าเล็กน้อย และอาจมีฟังก์ชันที่ไม่ได้ใช้ซ้ำกัน ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

BMS หลัก/รอง

โดยมีแนวคิดคล้ายกับโทโพโลยีแบบโมดูลาร์ แต่ในกรณีนี้ สเลฟจะถูกจำกัดไว้เพียงการถ่ายทอดข้อมูลการวัดเท่านั้น และต้นแบบนั้นทุ่มเทให้กับการคำนวณและการควบคุม เช่นเดียวกับการสื่อสารภายนอกดังนั้น ค่าใช้จ่ายอาจต่ำกว่าเช่นเดียวกับประเภทโมดูลาร์ เนื่องจากฟังก์ชันการทำงานของสเลฟมีแนวโน้มที่จะง่ายกว่า โดยมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าและฟีเจอร์ที่ไม่ได้ใช้น้อยลง

สถาปัตยกรรม BMS แบบกระจาย

แตกต่างอย่างมากจากโทโพโลยีอื่นๆ โดยที่ฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ถูกห่อหุ้มไว้ในโมดูลที่เชื่อมต่อกับเซลล์ผ่านชุดสายไฟที่ต่อพ่วงBMS แบบกระจายจะรวมฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดไว้บนบอร์ดควบคุมที่วางอยู่บนเซลล์หรือโมดูลที่กำลังตรวจสอบโดยตรงซึ่งช่วยลดภาระของสายเคเบิลจำนวนมากไปยังสายเซ็นเซอร์และสายสื่อสารระหว่างโมดูล BMS ที่อยู่ติดกันด้วยเหตุนี้ BMS แต่ละตัวจึงมีความสมบูรณ์ในตัวเองมากขึ้น และจัดการการคำนวณและการสื่อสารได้ตามต้องการอย่างไรก็ตาม แม้จะมีความเรียบง่ายที่เห็นได้ชัด แต่แบบฟอร์มที่ผสานรวมนี้อาจทำให้การแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษาอาจเป็นปัญหาได้ เนื่องจากแบบฟอร์มนี้อยู่ลึกเข้าไปในชุดประกอบโมดูลโล่ค่าใช้จ่ายยังมีแนวโน้มที่จะสูงขึ้นเนื่องจากมี BMS ในโครงสร้างแบตเตอรี่โดยรวมมากกว่า

ความสำคัญของระบบการจัดการแบตเตอรี่

ความปลอดภัยในการทำงานมีความสำคัญสูงสุดใน BMSถือเป็นสิ่งสำคัญในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิของเซลล์หรือโมดูลใดๆ ที่อยู่ภายใต้การควบคุมดูแลไม่ให้เกินขีดจำกัด SOA ที่กำหนดไว้หากเกินขีดจำกัดเป็นเวลานาน ไม่เพียงแต่ชุดแบตเตอรี่ที่อาจมีราคาแพงจะเสียหายเท่านั้น แต่ยังอาจเกิดสภาวะความร้อนหนีความร้อนที่เป็นอันตรายตามมาด้วยนอกจากนี้ ขีดจำกัดขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่ายังได้รับการตรวจสอบอย่างเข้มงวดเพื่อปกป้องเซลล์ลิเธียมไอออนและความปลอดภัยในการทำงานหากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังคงอยู่ในสถานะแรงดันไฟฟ้าต่ำ เดนไดรต์ทองแดงอาจเติบโตบนขั้วบวกได้ในที่สุด ซึ่งอาจส่งผลให้อัตราการคายประจุเองสูงขึ้น และเพิ่มข้อกังวลด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นได้ความหนาแน่นพลังงานสูงของระบบที่ใช้พลังงานจากลิเธียมไอออนมาในราคาที่ทำให้มีข้อผิดพลาดในการจัดการแบตเตอรี่เพียงเล็กน้อยต้องขอบคุณ BMS และการปรับปรุงลิเธียมไอออน นี่เป็นหนึ่งในเคมีภัณฑ์แบตเตอรี่ที่ประสบความสำเร็จและปลอดภัยที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน

ประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่เป็นคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดลำดับถัดไปของ BMS และเกี่ยวข้องกับการจัดการไฟฟ้าและความร้อนในการปรับความจุแบตเตอรี่โดยรวมให้เหมาะสมด้วยระบบไฟฟ้า เซลล์ทั้งหมดในแพ็คจำเป็นต้องสมดุล ซึ่งหมายความว่า SOC ของเซลล์ที่อยู่ติดกันตลอดทั้งชุดประกอบจะเทียบเท่ากันโดยประมาณสิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากไม่เพียงแต่สามารถรับรู้ถึงความจุของแบตเตอรี่ที่เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพโดยทั่วไป และลดฮอตสปอตที่อาจเกิดขึ้นจากการอัดประจุเซลล์ที่อ่อนแอมากเกินไปแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควรหลีกเลี่ยงการคายประจุต่ำกว่าขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำ เนื่องจากอาจส่งผลให้เกิดผลกระทบต่อหน่วยความจำและสูญเสียความจุอย่างมากกระบวนการเคมีไฟฟ้ามีความไวต่ออุณหภูมิอย่างมาก และแบตเตอรี่ก็ไม่มีข้อยกเว้นเมื่ออุณหภูมิสิ่งแวดล้อมลดลง ความจุและพลังงานแบตเตอรี่ที่มีอยู่จะลดลงอย่างมากด้วยเหตุนี้ BMS อาจใช้งานเครื่องทำความร้อนแบบอินไลน์ภายนอกซึ่งอยู่บน เช่น ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวของชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า หรือแผ่นทำความร้อนสำหรับที่อยู่อาศัยแบบเปิดซึ่งติดตั้งไว้ใต้โมดูลของชุดที่รวมอยู่ในเฮลิคอปเตอร์หรืออุปกรณ์อื่น ๆ อากาศยาน.นอกจากนี้ เนื่องจากการชาร์จเซลล์ลิเธียมไอออนที่เย็นจัดส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ อันดับแรกจึงต้องเพิ่มอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้เพียงพอก่อนเซลล์ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ไม่สามารถชาร์จเร็วได้เมื่อมีอุณหภูมิต่ำกว่า 5°C และไม่ควรชาร์จเลยเมื่อเซลล์มีอุณหภูมิต่ำกว่า 0°Cเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดในระหว่างการใช้งานทั่วไป การจัดการระบายความร้อนของ BMS มักจะทำให้แน่ใจได้ว่าแบตเตอรี่ทำงานภายในขอบเขตการทำงานที่แคบของ Goldilocks (เช่น 30 – 35°C)สิ่งนี้จะช่วยปกป้องประสิทธิภาพ ส่งเสริมอายุการใช้งานที่ยืนยาวขึ้น และส่งเสริมให้แบตเตอรี่มีสุขภาพแข็งแรงและเชื่อถือได้

ประโยชน์ของระบบการจัดการแบตเตอรี่

ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ทั้งหมด หรือที่เรียกกันว่า BESS อาจประกอบด้วยเซลล์ลิเธียมไอออนหลายสิบ ร้อย หรือแม้แต่หลายพันเซลล์รวมกันอย่างมีกลยุทธ์ ขึ้นอยู่กับการใช้งานระบบเหล่านี้อาจมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 100V แต่อาจสูงถึง 800V โดยกระแสไฟจ่ายของแพ็คจะสูงถึง 300A หรือมากกว่าการจัดการแผงไฟฟ้าแรงสูงอย่างไม่ถูกต้องอาจทำให้เกิดภัยพิบัติร้ายแรงถึงชีวิตได้ด้วยเหตุนี้ BMS จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยประโยชน์ของ BMS สามารถสรุปได้ดังนี้

• ความปลอดภัยในการทำงานสำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรูปแบบขนาดใหญ่ สิ่งนี้จะต้องระมัดระวังและจำเป็นเป็นพิเศษแต่แม้แต่รูปแบบที่เล็กกว่าที่ใช้ในแล็ปท็อป ก็เป็นที่รู้กันว่าสามารถลุกไหม้และสร้างความเสียหายมหาศาลได้ความปลอดภัยส่วนบุคคลของผู้ใช้ผลิตภัณฑ์ที่ใช้ระบบลิเธียมไอออนทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการจัดการแบตเตอรี่
• ช่วงชีวิตและความน่าเชื่อถือการจัดการการป้องกันชุดแบตเตอรี่ ทั้งระบบไฟฟ้าและความร้อน ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเซลล์ทั้งหมดจะถูกใช้งานภายในข้อกำหนด SOA ที่ประกาศไว้การกำกับดูแลที่ละเอียดอ่อนนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเซลล์จะได้รับการดูแลจากการใช้งานที่รุนแรงและการหมุนเวียนการชาร์จและการคายประจุที่รวดเร็ว และส่งผลให้เกิดระบบที่เสถียรซึ่งอาจให้บริการที่เชื่อถือได้เป็นเวลาหลายปีอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
• ประสิทธิภาพและช่วงการจัดการความจุของชุดแบตเตอรี่ BMS ซึ่งใช้การปรับสมดุลระหว่างเซลล์ต่อเซลล์เพื่อทำให้ SOC ของเซลล์ที่อยู่ติดกันทั่วทั้งชุดแพ็คเท่ากัน ช่วยให้สามารถรับรู้ความจุของแบตเตอรี่ได้อย่างเหมาะสมหากไม่มีคุณลักษณะ BMS นี้เพื่อพิจารณาความแปรผันของการคายประจุเอง รอบการชาร์จ/คายประจุ ผลกระทบของอุณหภูมิ และการเสื่อมสภาพโดยทั่วไป ชุดแบตเตอรี่อาจทำให้ตัวเองไร้ประโยชน์ได้ในที่สุด
• การวินิจฉัย การรวบรวมข้อมูล และการสื่อสารภายนอกงานควบคุมดูแลประกอบด้วยการตรวจสอบเซลล์แบตเตอรี่ทั้งหมดอย่างต่อเนื่อง โดยที่การบันทึกข้อมูลสามารถใช้เพื่อการวินิจฉัยได้ แต่มักมีจุดประสงค์เพื่องานการคำนวณเพื่อประเมิน SOC ของเซลล์ทั้งหมดในชุดประกอบข้อมูลนี้ใช้สำหรับอัลกอริธึมการปรับสมดุล แต่โดยรวมแล้วสามารถส่งต่อไปยังอุปกรณ์ภายนอกและจอแสดงผลเพื่อระบุพลังงานที่อยู่อาศัยที่มีอยู่ ประมาณการช่วงหรือช่วง/อายุการใช้งานที่คาดหวังตามการใช้งานในปัจจุบัน และแจ้งสถานะความสมบูรณ์ของแบตเตอรี่
• การลดต้นทุนและการรับประกันการนำ BMS มาใช้ใน BESS ทำให้มีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น และชุดแบตเตอรี่ก็มีราคาแพงและอาจเป็นอันตรายได้ยิ่งระบบมีความซับซ้อนมากขึ้น ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยก็จะยิ่งสูงขึ้น ส่งผลให้ต้องมีการควบคุมดูแล BMS มากขึ้นแต่การป้องกันและการบำรุงรักษาเชิงป้องกันของ BMS ที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยในการใช้งาน อายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพและระยะ การวินิจฉัย ฯลฯ รับประกันว่าจะช่วยลดต้นทุนโดยรวม รวมถึงต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการรับประกันด้วย

ระบบการจัดการแบตเตอรี่และ Synopsys

การจำลองเป็นพันธมิตรที่มีคุณค่าสำหรับการออกแบบ BMS โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อนำไปใช้กับการสำรวจและจัดการกับความท้าทายด้านการออกแบบภายในการพัฒนาฮาร์ดแวร์ การสร้างต้นแบบ และการทดสอบด้วยโมเดลเซลล์ลิเธียมไอออนที่แม่นยำ แบบจำลองจำลองของสถาปัตยกรรม BMS จึงเป็นข้อกำหนดที่สามารถเรียกใช้งานได้ซึ่งได้รับการยอมรับว่าเป็นต้นแบบเสมือนนอกจากนี้ การจำลองยังช่วยให้สามารถตรวจสอบตัวแปรต่างๆ ของฟังก์ชันการควบคุมดูแล BMS ได้อย่างไม่ลำบาก โดยเทียบกับสถานการณ์การทำงานแบตเตอรี่และสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันปัญหาการใช้งานสามารถค้นพบและตรวจสอบได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบการปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยในการทำงานได้ก่อนที่จะนำไปใช้งานกับต้นแบบฮาร์ดแวร์จริงสิ่งนี้จะช่วยลดเวลาในการพัฒนาและช่วยให้แน่ใจว่าต้นแบบฮาร์ดแวร์ตัวแรกจะแข็งแกร่งนอกจากนี้ การทดสอบการรับรองความถูกต้องจำนวนมาก รวมถึงสถานการณ์กรณีที่เลวร้ายที่สุดสามารถดำเนินการกับ BMS และชุดแบตเตอรี่ได้ เมื่อใช้ในแอปพลิเคชันระบบฝังตัวที่สมจริงทางกายภาพ

เรื่องย่อ SaberRDนำเสนอไลบรารีแบบจำลองไฟฟ้า ดิจิตอล การควบคุม และไฮดรอลิกความร้อนที่กว้างขวาง เพื่อช่วยให้วิศวกรที่สนใจในการออกแบบและพัฒนา BMS และชุดแบตเตอรี่มีเครื่องมือสำหรับสร้างแบบจำลองอย่างรวดเร็วจากข้อกำหนดเอกสารข้อมูลพื้นฐานและกราฟการวัดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภทและเคมีของแบตเตอรี่ประเภทต่างๆการวิเคราะห์ทางสถิติ ความเครียด และข้อบกพร่องช่วยให้สามารถตรวจสอบสเปกตรัมของพื้นที่ปฏิบัติการ รวมถึงพื้นที่ขอบเขต เพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือของ BMS โดยรวมนอกจากนี้ยังมีตัวอย่างการออกแบบมากมายเพื่อให้ผู้ใช้สามารถเริ่มต้นโครงการได้อย่างรวดเร็วและเข้าถึงคำตอบที่ต้องการจากการจำลองได้อย่างรวดเร็ว