انواع سیستم‌های مدیریت باتری (BMS)
مقدمه
سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) نقش حیاتی در بهینه‌سازی عملکرد و ایمنی باتری‌ها ایفا می‌کنند. این سیستم‌ها به‌طور مداوم باتری‌ها را نظارت و محافظت کرده، کارایی را افزایش داده و عمر مفید را طولانی‌تر می‌کنند. طراحی‌های BMS و پیکربندی‌های مختلف اجزای آن، مزایای منحصر به فردی ارائه می‌دهند و برای مدیریت مؤثر باتری حیاتی هستند.
در ادامه‌ی این مقاله، به بررسی چهار نوع اصلی طراحی‌های سیستم مدیریت باتری پرداخته می‌شود: طراحی‌های متمرکز BMS، طراحی‌های توزیع‌شده BMS، طراحی‌های ماژولار BMS و طراحی‌های ترکیبی BMS. به چگونگی کارکرد هر توپولوژی، معماری باتری، اجزای کلیدی و چگونگی کمک آن‌ها به بهینه‌سازی عملکرد و ایمنی باتری خواهیم پرداخت. علاوه بر این، چهار نوع توپولوژی سیستم مدیریت باتری را بر اساس عواملی مانند مقیاس‌پذیری، انعطاف‌پذیری، تحمل خطا و هزینه مقایسه خواهیم کرد تا بینش‌های ارزشمندی برای تصمیم‌گیری‌های آگاهانه فراهم آوریم.
طراحی‌های متمرکز BMS
توپولوژی متمرکز BMS پیکربندی است که در آن تمامی عملکردهای نظارت و کنترل باتری در یک واحد مرکزی متمرکز شده است. این واحد مرکزی به‌عنوان مغز سیستم عمل کرده و مسئول جمع‌آوری داده‌ها از سلول‌ها یا ماژول‌های، پردازش اطلاعات و تصمیم‌گیری بر اساس الگوریتم‌های از پیش تعریف شده است. تمرکز کنترل، طراحی BMS و ارتباطات درون سیستم را ساده می‌کند، زیرا تمامی اطلاعات تنها در یک واحد پردازش می‌شوند.
با دسترسی مستقیم به داده‌های تمامی سلول‌های باتری، BMS متمرکز می‌تواند نظارت دقیق و در لحظه ارائه دهد که منجر به کنترل و بهینه‌سازی دقیق عملکرد باتری می‌شود. سیستم‌های BMS متمرکز عموماً مقرون‌به‌صرفه هستند، به‌ویژه برای پک‌های باتری کوچکتر، زیرا به اجزا و ارتباطات کمتری نسبت به سیستم‌های توزیع‌شده یا ماژولار نیاز دارند. از طرفی به دلیل کنترل از یک نقطه، ادغام با دیگر اجزای وسیله نقلیه یا سیستم معمولاً ساده است و آن را به گزینه‌ای ترجیحی برای کاربردهای خودرویی تبدیل می‌کند.
در مقابل، رویکرد متمرکز ممکن است در مدیریت سیستم‌های باتری بزرگتر و پیچیده‌تر با چالش‌هایی مواجه شود، زیرا واحد مرکزی ممکن است توانایی مدیریت تعداد زیادی از سلول‌های باتری را نداشته باشد. از آنجا که کل BMS به یک واحد پردازش مرکزی متکی است، هرگونه نقص یا خرابی در این واحد می‌تواند منجر به توقف کامل سیستم شود. در سیستم‌های ذخیره‌سازی بزرگتر، معماری متمرکز ممکن است به سیم‌کشی گسترده‌ای برای اتصال تمامی سلول‌های باتری به کنترل‌کننده مرکزی نیاز داشته باشد که منجر به افزایش پیچیدگی و احتمال تداخل سیگنال می‌شود.
معماری و اجزای دخیل در سیستم متمرکز
پردازنده مرکزی، که به‌عنوان کنترل‌کننده اصلی شناخته می‌شود، قلب BMS است. این پردازنده داده‌ها را از سلول‌ها یا ماژول‌های مختلف باتری جمع‌آوری کرده و این اطلاعات را تجزیه و تحلیل می‌کند تا وضعیت پک باتری را تعیین کند. هر سلول یا ماژول باتری مجهز به مدار نظارت بر BMS است که پارامترهایی مانند ولتاژ، جریان و دما را اندازه‌گیری می‌کند. این مدارها داده‌ها را به پردازنده مرکزی ارسال می‌کنند. رابط‌های ارتباطی، تبادل داده بین پردازنده مرکزی و مدارهای نظارت بر سلول‌های فردی را تسهیل می‌کنند.در مواردی که سلول‌های فردی باتری سطوح شارژ متفاوتی دارند، پردازنده مرکزی می‌تواند مدارهای متعادل کننده Balancing را برای برابر کردن شارژ بین سلول‌ها با توزیع مجدد انرژی فرمان دهد.
طراحی‌های غیرمتمرکز مدیریت باتری
طراحی غیر متمرکز Distributed مدیریت باتری، بر خلاف رویکرد متمرکز، پردازش اطلاعات را در چندین واحد پردازشی توزیع می‌کند. هر واحد مسئول نظارت و مدیریت بر بخشی از سلول‌ها یا ماژول‌های باتری به‌طور مستقل است. هر واحد برای هماهنگی اقدامات خود و مدیریت مشترک کل پک باتری با سایر واحدهای پردازشی ارتباط برقرار می‌کند. توزیع پردازش تضمین می‌کند که در صورت ایجاد عیب در یک واحد، بقیه سیستم می‌توانند به عملکرد خود ادامه دهند، که منجر به افزایش پایداری عملکرد کل سیستم می‌شود.
پردازش غیرمتمرکز می‌تواند سیستم‌های باتری بزرگتر را بدون فشار آوردن به پردازنده مرکزی مدیریت کند، که آن را برای کاربردهایی با نیازهای گسترده‌ای به گسترش مناسب می‌کند. در سیستم‌های ذخیره‌ساز بزرگتر، طراحی غیرمتمرکز بخصوص در حالت کنترل بی‌سیم Wireless ممکن است به سیم‌کشی کمتری نسبت به معماری متمرکز نیاز داشته باشد، که پیچیدگی و تداخل سیگنال را کاهش می‌دهد.
طراحی‌های غیرمتمرکز ممکن است به پروتکل‌های ارتباطی پیشرفته‌تری نیاز داشته باشد و هماهنگی بین واحدهای پردازشی را افزایش دهد که منجر به افزایش پیچیدگی سیستم می‌شودحضور اجزای بیشتر به معنی هزینه‌های اجرای بالاتر در این نوع سیستم‌ها است
.
معماری و اجزای دخیل در سیستم غیرمتمرکز مدیریت باتری
هر سلول یا ماژول باتری به کنترل‌کننده اختصاصی خود متصل است. این کنترل‌کننده‌های واحد Nodeمسئول نظارت بر سلول‌های فردی و گزارش وضعیت آن‌ها به واحده‌های همسایه هستند. رویکرد غیرمتمرکز به یک شبکه ارتباطی، مانند اترنت Ethernet متکی است که کنترل‌کننده‌های منفرد را به یکدیگر متصل می‌کند. واحدهای پردازشی اطلاعات را تبادل می‌کنند و به‌طور مشترک سیستم باتری را مدیریت می‌کنند. هر گره ممکن است به طور جداگانه‌ای شامل مدارهای تعادلی و ویژگی‌های ایمنی برای حفظ تعادل سلولی و حفاظت از سلول‌های باتری در برابر خطرات احتمالی باشد.
طراحی‌های ماژولار سیستم مدیریت باتری
طراحی ماژولار پک باتری را به ماژول‌های کوچکتر تقسیم می‌کند که هر کدام به سیستم مدیریت جداگانه‌ای مجهز هستند. این ماژول‌ها معمولاً مستقل هستند و می‌توانند به‌طور مستقل از یکدیگر عمل کنند، که انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری بالایی را به کل سیستم باتری ارائه می‌دهد. استقلال هر واحد کنترل کننده از سایر سیستم ادغام با دیگر اجزای وسیله نقلیه یا سیستم، مانند اینورترهای برق یا شارژرها، را ساده می‌کند. از طرفی جایگزینی یک ماژول آسیب دیده در این طراحی به زمان و هزینه‌ی کمتر نیاز دارد و سرعت بازگشت سیستم به مدار کاری به حداکثر می‌رسد. اما در این نوع طراحی، اتصال بین ماژول‌ها نیاز به پروتکل ارتباطی پایداری دارد تا هماهنگی و کنترل مناسب را اطمینان بخشد. بعلاوه، اطمینان از تعادل صحیح بین ماژول‌ها می‌تواند چالش‌برانگیزتر از تعادل درون یک واحد متمرکز یا توزیع‌شده باشد.
معماری و اجزای دخیل در سیستم ماژولار مدیریت باتری
پک باتری به ماژول‌های فردی تقسیم می‌شود که هر کدام شامل گروهی از سلول‌های باتری هستند. این ماژول‌ها می‌توانند بر اساس نیازهای سیستم در پیکربندی‌های سری یا موازی متصل شوند. هر ماژول باتری به سیستم BMS جداگانه‌ای مجهز است که مسئول نظارت و مدیریت سلول‌های درون آن ماژول خاص است. ماژول‌ها با یکدیگر و با یک هماهنگ‌کننده مرکزی برای تبادل داده و هماهنگی اقدامات مانند متعادل سازی ماژول‌ها و حفاظت، ارتباط برقرار می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که کل پک باتری به‌طور کارآمد عمل می‌کند. در برخی موارد، یک هماهنگ‌کننده مرکزی ممکن است برای مدیریت ارتباط بین ماژول‌ها و نظارت بر عملکرد کلی سیستم باتری در نظر گرفته شود.
طراحی‌های ترکیبی مدیریت باتری Hybrid
طراحی ترکیبی عناصر رویکردهای متمرکز، غیرمتمرکز و ماژولار را ترکیب می‌کند تا مناسب‌ترین پیکربندی را برای کاربردهای خاص به‌دست آورد. هدف رویکرد ترکیبی بهره‌برداری از نقاط قوت هر توپولوژی و به حداقل رساندن محدودیت‌های آن است.
در جدول-1 مقایسه‌ای تفاوت‌های کلیدی بین طراحی‌های BMS متمرکز، غیرمتمرکز، ماژولار و ترکیبی را بر اساس مقیاس‌پذیری، انعطاف‌پذیری، تحمل خطا، هزینه و سایر عوامل مهم نشان می‌دهد:
|
جدول 1- مقایسه طراحی‌های مختلف سیستم مدیریت باتری |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
هر طراحی سیستم مدیریت، برای چه فعالیتی مناسب است؟
طراحی متمرکز BMS
سیستم مدیریت متمرکز برای مجموعه باتری‌های کوچکتر با معماری نسبتاً ساده مناسب است. این نوع BMS به طور معمول در کاربردهایی که هزینه و سادگی عوامل اصلی هستند، مانند خودروهای الکتریکی کوچک، دستگاه‌های قابل حمل و سیستم‌های ذخیره انرژی کم‌قدرت استفاده می‌شود. برای سیستم‌های باتری بزرگتر و پیچیده‌تر، مقیاس‌پذیری محدود و تحمل خطای BMS متمرکز ممکن است از کارایی این نوع طراحی می‌کاهد
.
طراحی غیرمتمرکز BMS
طراحی غیرمتمرکز برای سیستم‌های باتری بزرگتر با نیازهای بالای مقیاس‌پذیری ایده‌آل است، مانند اتوبوس‌های الکتریکی، ذخیره‌سازی انرژی شبکه و راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی صنعتی. این نوع BMS تحمل خطا عالی را ارائه می‌دهد که آن را برای کاربردهای که نیاز به حداقل زمان توقف سیستم دارند، مناسب می‌سازد. اما پیچیدگی ارتباط بین واحدها ممکن است هزینه‌های استفاده از این طراحی را افزایش دهد و هماهنگی دقیق برای اطمینان از همکاری بی‌نقص بین واحدهای توزیع‌شده ضروری است.
طراحی ماژولار BMS
طراحی ماژولار برای کاربردهایی که نیاز به انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری دارند، بسیار مناسب است. این نوع BMS به طور معمول در خودروهای الکتریکی، مراکز داده و سیستم‌های بزرگ‌مقیاس ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شود، جایی که ماژول‌ها می‌توانند بر حسب نیاز اضافه یا حذف شوند که گسترش کاربرد و نگهداری آسان را ممکن می‌سازند. اما علیرغم مزایای این نوع طراحی، پیچیدگی ارتباط بین ماژول‌ها و چالش توازن بین ماژول‌ها باید به دقت در مرحله طراحی مورد توجه قرار گیرد
طراحی ترکیبی BMS
این طراحی، بیشترین قابلیت سفارشی‌سازی را ارائه می‌دهد و آن را برای کاربردهایی با نیازهای خاص مناسب می‌سازد. این نوع BMSاغلب در خودروهای الکتریکی پیشرفته، ذخیره‌سازی انرژی با عملکرد بالا و کاربردهای صنعتی حیاتی استفاده می‌شود.
کاربردهای مختلف نیازهای متفاوتی از سیستم‌های باتری دارند. به عنوان مثال، خودروهای الکتریکی نیاز به اطمینان بالا، تحمل خطا و رصد لحظه‌ای دارند که BMS غیرمتمرکز یا ترکیبی گزینه‌ی مناسبی برای این کاربرد است. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر ممکن است از BMS ماژولار برای انعطاف‌پذیری و سهولت انبوهه سازی سامانه‌ی ذخیره‌ساز بهره‌مند شوند. در برخی کاربردهای حیاتی، مانند دستگاه‌های پزشکی یا ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه، ممکن است نیاز به حداقل خطا در سیستم داشته باشند. در چنین مواردی، BMS غیرمتمرکز یا ترکیبی می‌تواند افزونگی فراهم کند و عملیاتی بودن سیستم را حتی در صورت خرابی اجزا حفظ کند.
نمونه‌هایی از سیستم‌های مدیریت بکار رفته در خودروها
تسلا مدل S: خودروهای الکتریکی تسلا از طراحی BMS متمرکز استفاده می‌کنند. کنترل‌کننده مرکزی داده‌ها را از هزاران سلول باتری فردی جمع‌آوری می‌کند تا شارژ و تخلیه را بهینه‌سازی کرده، برد را بهبود بخشد و ایمنی بسته باتری را تضمین کند.
نیسان Leaf: خودروی الکتریکی نیسان Leaf از طراحی BMS غیرمتمرکز استفاده می‌کند. هر ماژول باتری کنترل‌کننده خود را دارد و واحدهای کنترلی برای مدیریت کارآمد بسته باتری با هم ارتباط برقرار می‌کنند.
بی ام و i3: این خودرو از توپولوژی BMS ماژولار استفاده می‌کند. هر یک از ماژول‌های باتری به کار رفته در خودرو، دارای BMS منحصر به خود هستند.
|
|
|
شکل 1- تصویر شماتیک انواع ساختارهای سیستم مدیریت باتری: الف) سیستم متمرکز، ب)سیستم غیر متمرکز، پ) سیستم ماژولار. |
شکل 2- نمونه‌ای از یک برد مدیریت باتری (متعلق به خودروی تسلا مدل 3)