دیدگاه نوین ریپورت

مقدمه

سیستم مدیریت باتری (BMS)، در حالی که ممکن است نام­های زیادی داشته باشد، واحد کنترل مرکزی بسته باتری است. این اساساً مغز عملیات است. سیستم مدیریت باتری ترکیبی از چندین سیستم جزء، از جمله یک میزبان یا کنترل کننده اصلی (یک برد مدار چاپی [PCB])، یک سری بردهای کنترلی slave (بسته به تایپوگرافی سیستم)، حسگرها و نرم افزار است که همه چیز را با هم کار می کند. برخی از افراد تعریف سیستم مدیریت باتری را طوری گسترش می‌دهند که الکترونیک کنترل مانند سوئیچ‌ها، فیوزها، قسمت جلویی ولتاژ بالا، حلقه اینترلاک ولتاژ بالا (HVIL)، کنتاکتورهای مثبت و منفی اصلی، کنتاکتور پیش‌شارژ، سنسورهای جریان، و قطع‌کننده‌های سرویس را شامل شود.

سیستم مدیریت باتری در سیستم باتری لیتیوم یون چه می­کند؟ به طور خلاصه، سیستم مدیریت باتری در برابر شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد، دمای بالا، دمای پایین، اتصال کوتاه و سایر حالت­های خرابی محافظت می کند. علاوه بر محافظت، سیستم مدیریت باتری عملکرد نظارتی را نیز ارائه می­دهد. در واقع، حفاظت بدون توانایی نظارت بر وضعیت باتری و سلول ها بی فایده خواهد بود. سیستم مدیریت باتری همچنین به صورت داخلی در داخل بسته و همچنین کنترل کننده­ها و سیستم های خارجی ارتباط برقرار می­کند. در نهایت، سیستم مدیریت باتری عملکرد باتری را بهینه کرده و به حداکثر می‌رساند و تضمین می‌کند که کاربر می‌تواند بهترین عملکرد را در هر زمان و در طول عمر باتری داشته باشد. در بالای همه این­ها محاسبات نرم افزاری و الگوریتم هایی هستند که عوامل مختلفی را در باتری تخمین می­زنند، مانند وضعیت سلامت (SOH)، وضعیت شارژ (SOC) و حداکثر ولتاژ.

برخلاف باتری­های اسید سرب، باتری لیتیوم یونی به نوعی سیستم کنترل نیاز دارد تا اطمینان حاصل شود که خارج از پارامترهای ایمن خود کار نمی­کند. سیستم مدیریت باتری ایمنی و عمر بسته باتری را تضمین می­کند. میزان توان و انرژی پک را مدیریت می­کند تا به طول عمر مطلوب پک دست یابد. بیشتر باتری‌های قابل حمل برق لپ‌تاپ و دستگاه‌های مشابه فقط به تامین انرژی و توان در مدت ۱ یا ۲ سال نیاز دارند و عموماً در محدوده دمایی محدودی کار می‌کنند و بنابراین فقط به یک سیستم مدیریت باتری ساده نیاز دارند. از سوی دیگر، باتری‌های خودرو و صنعتی باید 10 سال و 15 سال یا حتی گاهی بیشتر دوام بیاورند و باید در طیف وسیعی از دماها در تابستان‌های بیابان تا زمستان‌های بسیار سرد مناطق شمالی فعال بمانند.

آیا می­توان از باتری لیتیوم یونی بدون سیستم مدیریت باتری استفاده کرد؟ در مورد برخی از برنامه­های خودروهای الکتریکی مسابقه ای (EV) ادعا می­شود که هیچ سیستم مدیریت باتری در سیستم ندارند. با این حال، این­ها معمولاً یک یا دو کاربرد هستند. عمر باتری ممکن است فقط برای یک فصل مسابقه دوام بیاورد و تا حد زیادی تحت فشار قرار گیرد، بنابراین گارانتی و طول عمر برای آنها نگرانی ندارد. در مقایسه با سایر مواد شیمی باتری، لیتیوم یون به یک سیستم مدیریت فعال برای اطمینان از ایمنی آن نیاز دارد. به عنوان مثال، یک باتری اسید سرب به راحتی بدون هیچ گونه کنترل الکترونیکی کار می­کند، زیرا به راحتی می­تواند شرایط بد را بدون وارد شدن به رویدادها همانند فرار حرارتی بپذیرد. از سوی دیگر، لیتیوم یون باید طوری مدیریت شود که سلول‌ها زیر حداکثر و بالای حداقل ولتاژ، دما و جریان خود باقی بمانند.

این مقاله مروری کوتاه بر سیستم مدیریت باتری ، عملکرد و سخت افزار آن در اختیار خواننده قرار می­دهد. برای بررسی دقیق تر سیستم مدیریت باتری و عملکرد آن، کتاب Davide Andrea سیستم های مدیریت باتری برای بسته های لیتیوم-یون بزرگ را توصیه می­شود. این کتاب با جزئیات عالی تمام موضوعات را از توضیحات کلی گرفته تا نحوه طراحی و ساخت سیستم مدیریت باتری خود را پوشش می دهد.

انواع سیستم مدیریت باتری

چندین نوع اصلی توپولوژی سیستم مدیریت باتری وجود دارد: یک سیستم مدیریت باتری یکپارچه یا متمرکز، یک BMS masterslave و یک سیستم مدیریت باتری توزیع شده. تفاوت اصلی بین آن­ها محل نصب سخت افزار و محل انجام محاسبات است. البته این یک ساده سازی عمده است اما نسبتاً دقیق است. واحد کنترل میزبان یا اصلی معمولاً اکثر عملکردهای RESS را شامل می­شود، از جمله باز و بسته کردن کنتاکتورها، نظارت بر دمای بسته، و ارتباط با بردهای کنترل سلول برای نظارت بر دمای سلول. ولتاژ بسته و بردهای کنترل سلول را نظارت می­کند. گرمایش و/یا سرمایش (روشن و خاموش کردن آن) را بر اساس خوانش دما مدیریت می­کند. مدیریت ایمنی (باز و بسته کردن کنتاکتورها بر اساس ولتاژ و دما و SOx)؛ محاسبه، مدیریت و ردیابی توابع SOx که وضعیت توابع سلامت، زندگی و غیره هستند و با خودرو (یا سیستم اصلی دیگر) ارتباط برقرار می­کند. این کنترلگر از دو جزء اصلی تشکیل شده است: برد کنترلگر سخت افزاری برد مدار چاپی (PCB) و مقدار زیادی الگوریتم نرم افزاری که عملکرد و ایمنی سیستم را تضمین می­کند. شکل 1 یک بلوک دیاگرام از یک سیستم مدیریت باتری معمولی را با شرح این عملکردهای سیستم مدیریت باتری در کادر چین خورده و نمایشی از واسط ها به سلول­ها و وسیله نقلیه نشان می­دهد.

تغییراتی در معماری سیستم مدیریت باتری وجود دارد زیرا انواع تیپولوژی­ها در یک پیوستار با انواع کاملاً توزیع شده در یک انتها و انواع یکپارچه در انتهای دیگر متفاوت است. انواع مختلفی وجود دارد، اما معماری سیستم مدیریت باتری و طراحی نهایی بر اساس نحوه استفاده از سیستم تعیین می­شود.

شکل1: دیاگرام سیستم مدیریت باتری (BMS).

 

1. سیستم مدیریت باتری متمرکز/یکپارچه

در یک سیستم مدیریت باتری متمرکز، برد کنترل اصلی و بردهای کنترل مانیتورینگ سلولی در یک واحد با دسته های سیم کشی در سراسر بسته که به هر یک از سلول­ها متصل می­شوند قرار گرفته­اند (شکل 1). بنابراین، تمام عملکردهای نظارت و تعادل سلول در کنترل کننده مرکزی ادغام می­شوند. این مقدار سخت افزار را به حداقل می­رساند اما میزان سیم کشی ولتاژ پایین مورد نیاز در بسته را افزایش می­دهد.

سیستم مدیریت باتری متمرکز/یکپارچه معمولاً در برنامه‌های کوچک مانند تلفن‌های همراه، رایانه‌های قابل حمل و لوازم الکترونیکی مصرفی یافت می‌شود، زیرا مستقیماً روی مجموعه سلولی نصب می‌شود. در کاربردهای خودرویی در برخی موارد استفاده می شود، اما به مهار سیم نسبتاً کم ولتاژ نیاز دارد. یکی از چالش‌های سیستم مدیریت باتری یکپارچه/متمرکز این است که مقیاس‌پذیری آن دشوار است، زیرا ریزپردازنده مدار مجتمع خاص برنامه (ASIC) معمولاً می‌تواند تنها تا حدود 16 سلول را مدیریت کند. چالش دیگر با سیستم مدیریت باتری یکپارچه/متمرکز این است که از آنجایی که همه اجزای مانیتورینگ بسته و سلول روی یک برد قرار دارند، فاصله خزش و فاصله باید افزایش یابد که باعث بزرگتر شدن برد می شود. این نوع سیستم مدیریت باتری ممکن است پتانسیل ولتاژهای بالاتر را نیز داشته باشد و خطا انرژی در شرایط خطا وجود دارد.

2. MastereSlave BMS

در ساختار mastereslave BMS، یک کنترل کننده PCB اصلی در مرکز قرار دارد و چندین برد کمکی جداگانه PCB سلول ها را که معمولا مستقیماً روی سلول­ها یا ماژول­ها نصب می­شوند، نظارت می­کنند (شکل 2).

شکل2: سیستم مدیریت باتری متمرکز (BMS).

 

کنترل کننده اصلی با نامگذاری­های مختلفی از جمله کنترل ماژول باتری (BCM)، کنترل ماژول بسته باتری (BPCM)، کنترل ماژول الکترونیکی باتری (BECM) یا واحد مدیریت باتری (BMU) استفاده می شود. PCB که بر روی ماژول سلول نصب می­شود ممکن است یک مدار نظارت سلولی (CSC)، یک گره دمای ولتاژ سلول (CVTN) یا اصطلاحات مشابه نامیده شود. کنترل کننده اصلی با کنترلرهای کمکی[1] متفاوت است زیرا محاسبات و الگوریتم ها و همچنین عملکرد ارتباطات را در خود جای داده است. کنترلرهای CSC هیچ قابلیت محاسباتی ندارند. آن­ها وظیفه متعادل کردن سلول­ها را در زمانی که توسط کنترل کننده اصلی به آن­ها هدایت می­شوند توسط ارتباط ولتاژ، مقاومت و دمای سلول­ها بر عهده دارند.

این پیکربندی، سیم‌کشی مورد نیاز را در مقایسه با یک سیستم مدیریت باتری متمرکز کاهش می‌دهد، زیرا بردهای کمکی تمایل دارند به شیوه‌ی زنجیره‌ای به هم متصل شوند. البته هزینه افزایش می­یابد زیرا تعداد سخت افزار PCB بیشتری مورد نیاز است. با این وجود، طراحی سیستم مدیریت باتری توزیع شده عملکرد و کنترل بیشتری را در سیستم ارائه می­دهد، زیرا هر برد تنها تعداد محدودی سلول را کنترل می­کند. همچنین این مزیت را دارد که قرار گرفتن در معرض ولتاژ بالا را به کنترل کننده اصلی محدود می­کند. این به بردهای کمکی اجازه می­دهد تا از اجزای ولتاژ پایین و فاصله نزدیک تر استفاده کنند.

مدار نظارت سلولی همچنین به طور کلی محدود به تعداد سلول­هایی است که می­تواند بر اساس تراشه ASIC طراحی شده در برد، مدیریت کند. اکثر تراشه­های ASIC توانایی مدیریت 4، 8، 12 یا 16 کانال را دارند. هر کانال در این مثال نشان دهنده یک سلول است، به این معنی که این عامل محدود کننده تعداد سلول­هایی است که یک مدار نظارت سلولی می­تواند کنترل و مدیریت کند.

 

شکل3: سیستم مدیریت باتری Mastereslave.

 

3. سیستم مدیریت باتری توزیع شده

Mastereslave ممکن است یک نوع سیستم مدیریت باتری توزیع شده از منظر سخت افزاری باشد اما نه از منظر نرم افزاری. سیستم مدیریت باتری توزیع شده واقعی یکی است که بیشتر توابع، محاسبات، الگوریتم‌ها و کنترل‌های سیستم مدیریت باتری را به یک برد کوچک به صورت اتصال مستقیم به سلول منتقل کرده است (شکل‌های 3 و 4). برد مدار نظارت سلولی یا مستقیماً به یک سلول منفرد یا به طور گروهی از سلول‌های موازی متصل می‌شود، زیرا سیستم مدیریت باتری نمی‌تواند سلول‌های مختلف را هنگام اتصال در یک پیکربندی موازی تشخیص دهد.

 

 

شکل4: سیستم مدیریت باتری توزیع شده.

 

مزیت این کار این است، که سلول CSC (مدار نظارت سلولی) ممکن است در همان مراحل اولیه مونتاژ سلول نصب شود، زمانی که می تواند عمر کامل سلول را نظارت و ثبت شود. این استراتژی به برد کنترل اصلی اجازه می­دهد تا به حداقل برسد و اندازه آن کاهش یابد در حالی که ولتاژ بالا را از سلول­ها محدود می­کند. این نوع سیستم مدیریت باتری ممکن است به طراح بسته اجازه دهد تا مقادیر زیادی از سیم­کشی­های ولتاژ پایین را کاهش دهد یا حتی حذف کند. در عوض تنها به یک مهار نیاز دارد که دایزی تخته­های مدار نظارت سلولی را به هم متصل کند. کیفیت اندازه­گیری داده­ها و سرعت انجام اندازه­گیری­ها را بهبود می­بخشد.

چیزی که باعث توزیع واقعی آن می­شود، این است که به جای اینکه یک ریزپردازنده ASIC منفرد روی کنترل کننده اصلی همه محاسبات را انجام دهد و الگوریتم­ها را اجرا کند، این توابع در سطح سلول انجام می­شوند. بنابراین اصلی[2] فقط این داده ها را ادغام می­کند و به عنوان نقطه ارتباطی با خودرو و تمام بردهای مدار نظارت سلولی و کنترل کنتاکتورها و اندازه‌گیری‌های سطح بسته به کار خود ادامه می‌دهد.

در مقاله‌ی آینده، به سخت افزار سیستم مدیریت باتری می­پردازد. برای اینکه مطالب ما را دنبال کنی همین الان عضو سایت شو..

 

 

[1] Slave

[2] Master