English
تعریف
سیستم مدیریت باتری (BMS) یک فناوری است که به نظارت بر بسته باتری اختصاص داده شده است. مجموعه ای از سلول های باتری است که به صورت الکتریکی در یک ردیف x ستون ماتریس پیکربندی شده است تا امکان تحویل محدوده هدفمند ولتاژ و جریان را برای مدت زمان طولانی در برابر سناریوهای بار مورد انتظار فراهم کند.
نظارتی که BMS انجام می دهد معمولاً شامل موارد زیر است:
- نظارت بر باتری
- ارائه حفاظت از باتری
- تخمین وضعیت عملکرد باتری
- بهینه سازی مداوم عملکرد باتری
- گزارش وضعیت عملیاتی به دستگاه های خارجی
در اینجا، اصطلاح “باتری” به کل بسته دلالت دارد. با این حال، عملکردهای نظارت و کنترل به طور خاص برای سلول‌های جداگانه یا گروه‌هایی از سلول‌ها به نام ماژول‌ها در مجموعه کلی بسته باتری اعمال می‌شوند. سلول‌های قابل شارژ لیتیوم یون بالاترین چگالی انرژی را دارند و انتخاب استاندارد برای بسته‌های باتری برای بسیاری از محصولات مصرفی، از لپ‌تاپ گرفته تا خودروهای الکتریکی هستند. در حالی که عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند، اگر خارج از یک منطقه عملیاتی ایمن (SOA) به طور کلی کار کنند، می‌توانند آسیب زننده باشند، با نتایجی از به خطر انداختن عملکرد باتری تا عواقب خطرناک آشکار. BMS مطمئناً شرح وظایف چالش برانگیزی دارد و پیچیدگی کلی و نظارت بر آن ممکن است رشته های بسیاری مانند برق، دیجیتال، کنترل، حرارتی و هیدرولیک را در بر گیرد.
سیستم های مدیریت باتری چگونه کار می کنند؟
سیستم های مدیریت باتری مجموعه ای از معیارهای ثابت یا منحصر به فرد ندارند که باید اتخاذ شوند. دامنه طراحی فناوری و ویژگی های اجرا شده به طور کلی با موارد زیر مرتبط است:
- هزینه ها، پیچیدگی و اندازه بسته باتری
- استفاده از باتری و هرگونه نگرانی ایمنی، طول عمر و گارانتی
- الزامات صدور گواهینامه از مقررات مختلف دولتی که در آن در صورت وجود اقدامات ایمنی عملکردی ناکافی، هزینه ها و جریمه ها در درجه اول اهمیت قرار دارند.
بسیاری از ویژگی های طراحی BMS وجود دارد که مدیریت حفاظت از بسته باتری و مدیریت ظرفیت دو ویژگی ضروری هستند. ما در اینجا به نحوه عملکرد این دو ویژگی خواهیم پرداخت. مدیریت حفاظت بسته باتری دارای دو عرصه کلیدی است: حفاظت الکتریکی، که به معنای عدم آسیب رساندن به باتری از طریق استفاده خارج از SOA است، و حفاظت حرارتی، که شامل کنترل دمای غیرفعال و/یا فعال برای حفظ یا وارد کردن بسته به SOA است.
حفاظت مدیریت برق: جریان
نظارت بر جریان بسته باتری و ولتاژ سلول یا ماژول راه حفاظت الکتریکی است. SOA الکتریکی هر سلول باتری توسط جریان و ولتاژ محدود می شود. شکل ۱ یک SOA سلول لیتیوم یون معمولی را نشان می دهد و یک BMS به خوبی طراحی شده با جلوگیری از عملکرد خارج از رتبه بندی سلول های سازنده از بسته محافظت می کند. در بسیاری از موارد، کاهش بیشتر ممکن است برای اقامت در منطقه امن SOA به منظور ارتقای طول عمر بیشتر باتری اعمال شود.
سلول‌های لیتیوم یون محدودیت‌های جریان متفاوتی برای شارژ نسبت به تخلیه دارند و هر دو حالت می‌توانند جریان‌های پیک بالاتری را، البته برای دوره‌های زمانی کوتاه، تحمل کنند. سازندگان سلول های باتری معمولا حداکثر محدودیت جریان شارژ و دشارژ مداوم را به همراه محدودیت های حداکثر جریان شارژ و دشارژ مشخص می کنند. یک BMS که حفاظت جریان را ارائه می دهد، مطمئناً حداکثر جریان پیوسته را اعمال می کند. با این حال، ممکن است این قبل از محاسبه تغییر ناگهانی شرایط بار باشد. به عنوان مثال، شتاب ناگهانی یک وسیله نقلیه الکتریکی. یک BMS ممکن است با ادغام جریان و بعد از زمان مثلث، نظارت بر جریان اوج را در خود جای دهد، و تصمیم بگیرد که جریان موجود را کاهش دهد یا جریان بسته را به طور کلی قطع کند. این به BMS اجازه می‌دهد تا حساسیت آنی به پیک‌های شدید جریان، مانند شرایط اتصال کوتاه که توجه فیوزهای ساکن را جلب نکرده است، داشته باشد، اما همچنین تا زمانی که پیک‌های بالا طولانی نباشد آنها را در نظر می گیرد.
حفاظت مدیریت برق: ولتاژ
شکل ۲ نشان می دهد که یک سلول لیتیوم یونی باید در محدوده ولتاژ خاصی کار کند. این مرزهای SOA در نهایت توسط شیمی ذاتی سلول لیتیوم یون انتخاب شده و دمای سلول ها در هر زمان مشخص تعیین می شود. علاوه بر این، از آنجایی که هر بسته باتری مقدار قابل توجهی از چرخه جریان را تجربه می کند، به دلیل نیاز به بار و شارژ از منابع مختلف انرژی تخلیه می شود، این محدودیت های ولتاژ SOA معمولاً برای بهینه سازی طول عمر باتری محدودتر می شوند. BMS باید بداند که این محدودیت ها چیست و بر اساس نزدیکی به این آستانه ها تصمیم گیری خواهد کرد. به عنوان مثال، هنگام نزدیک شدن به حد مجاز ولتاژ بالا، یک BMS ممکن است درخواست کاهش تدریجی جریان شارژ کند، یا ممکن است درخواست کند در صورت رسیدن به حد مجاز، جریان شارژ را به طور کلی خاتمه دهد. با این حال، این محدودیت معمولاً با ملاحظات پسماند ولتاژ ذاتی اضافی همراه است تا از صحبت های کنترلی در مورد آستانه خاموشی جلوگیری شود. از سوی دیگر، هنگام نزدیک شدن به حد ولتاژ پایین، یک BMS درخواست می کند که بارهای متخلف کلیدی تقاضای فعلی خود را کاهش دهند. در مورد یک وسیله نقلیه الکتریکی، این ممکن است با کاهش گشتاور مجاز در دسترس برای موتور کششی انجام شود. البته، BMS باید ملاحظات ایمنی را برای راننده در بالاترین اولویت قرار دهد و از بسته باتری جلوگیری کند تا از آسیب دائمی جلوگیری کند.
حفاظت مدیریت حرارتی: دما
در ارزش اسمی، ممکن است به نظر برسد که سلول‌های لیتیوم یون دارای محدوده عملیاتی دمایی گسترده‌ای هستند، اما ظرفیت کلی باتری در دماهای پایین کاهش می‌یابد زیرا سرعت واکنش‌های شیمیایی به طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. با توجه به قابلیت در دماهای پایین، آنها بسیار بهتر از باتری های سرب اسید یا NiMh عمل می کنند. با این حال، مدیریت دما با احتیاط ضروری است زیرا شارژ کردن زیر ۰ درجه سانتیگراد (۳۲ درجه فارنهایت) از نظر فیزیکی مشکل دارد. پدیده آبکاری لیتیوم فلزی می تواند بر روی آند در هنگام شارژ زیر انجماد رخ دهد. این آسیب دائمی است و نه تنها منجر به کاهش ظرفیت می شود، بلکه سلول ها در صورت قرار گرفتن در معرض لرزش یا سایر شرایط استرس زا در برابر شکست آسیب پذیرتر هستند. یک BMS می تواند دمای بسته باتری را از طریق گرمایش و سرمایش کنترل کند.
مدیریت حرارتی تحقق یافته کاملاً به اندازه و هزینه بسته باتری و اهداف عملکرد، معیارهای طراحی BMS و واحد محصول بستگی دارد که ممکن است شامل در نظر گرفتن منطقه جغرافیایی مورد نظر باشد (به عنوان مثال آلاسکا در مقابل هاوایی). صرف نظر از نوع بخاری، به طور کلی مصرف انرژی از یک منبع برق AC خارجی، یا یک باتری ساکن جایگزین برای کارکرد بخاری در صورت نیاز، موثرتر است. با این حال، اگر بخاری برقی دارای جریان متوسطی باشد، انرژی از بسته باتری اولیه می‌تواند برای گرم کردن خود تامین شود. اگر یک سیستم هیدرولیک حرارتی اجرا شود، از یک بخاری الکتریکی برای گرم کردن مایع خنک کننده استفاده می شود که پمپ شده و در سرتاسر مجموعه پک توزیع می شود.
مهندسان طراح BMS بدون شک ترفندهایی در حوزه طراحی خود دارند تا انرژی گرمایی را به بسته منتقل کنند. به عنوان مثال، می توان انواع الکترونیک قدرت داخل BMS را که به مدیریت ظرفیت اختصاص داده شده است، روشن کرد. اگرچه به اندازه گرمایش مستقیم کارآمد نیست، اما بدون توجه به آن می توان از آن استفاده کرد. خنک کننده به ویژه برای به حداقل رساندن از دست دادن عملکرد یک بسته باتری لیتیوم یون حیاتی است. برای مثال، شاید یک باتری معین در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد به طور بهینه کار کند. اگر دمای بسته به ۳۰ درجه سانتیگراد افزایش یابد، راندمان عملکرد آن می تواند تا ۲۰٪ کاهش یابد. اگر بسته به طور مداوم در دمای ۴۵ درجه سانتیگراد (۱۱۳ درجه فارنهایت) شارژ و دشارژ شود، افت عملکرد می تواند تا ۵۰ درصد افزایش یابد.
در صورت قرار گرفتن مداوم در معرض گرمای بیش از حد، به ویژه در طول چرخه های شارژ و دشارژ سریع، عمر باتری نیز می تواند از کاهش کارایی و تخریب زودرس رنج ببرد. خنک سازی معمولاً با دو روش غیرفعال یا فعال انجام می شود و ممکن است از هر دو روش استفاده شود. خنک کننده غیرفعال به حرکت جریان هوا برای خنک کردن باتری متکی است. در مورد یک وسیله نقلیه الکتریکی، این بدان معناست که به سادگی در جاده حرکت می کند. با این حال، ممکن است پیچیده‌تر از آن چیزی باشد که به نظر می‌رسد، زیرا سنسورهای سرعت هوا می‌توانند با تنظیم استراتژیک خودکار سدهای هوای منحرف برای به حداکثر رساندن جریان هوا، ادغام شوند. اجرای یک فن فعال با کنترل دما می تواند در سرعت های پایین یا زمانی که خودرو متوقف شده است کمک کند، اما تنها کاری که می تواند انجام دهد این است که بسته را با دمای محیط اطراف یکسان کند. در صورت یک روز گرم سوزان، می تواند دمای اولیه بسته را افزایش دهد. خنک کننده فعال هیدرولیک حرارتی را می توان به عنوان یک سیستم مکمل طراحی کرد و معمولاً از خنک کننده اتیلن گلیکول با نسبت مخلوط مشخصی استفاده می کند که از طریق یک پمپ موتور الکتریکی از طریق لوله ها / شیلنگ ها، منیفولدهای توزیع، یک مبدل حرارتی جریان متقابل (رادیاتور) به گردش در می آید. و صفحه خنک کننده در مقابل مجموعه بسته باتری قرار دارد. یک BMS دماها را در سراسر بسته نظارت می کند و دریچه های مختلف را باز و بسته می کند تا دمای باتری کلی را در محدوده دمایی باریکی حفظ کند تا از عملکرد بهینه باتری اطمینان حاصل شود.
مدیریت ظرفیت
به حداکثر رساندن ظرفیت بسته باتری مسلما یکی از حیاتی ترین ویژگی های عملکرد باتری است که BMS ارائه می دهد. اگر این تعمیر و نگهداری انجام نشود، بسته باتری ممکن است در نهایت خود را بی فایده کند. ریشه مشکل این است که یک بسته باتری “پشته” (مجموعه مجموعه ای از سلول ها) کاملاً برابر نیست و ذاتاً دارای نرخ نشتی یا خود تخلیه کمی متفاوت است. نشتی یک نقص سازنده نیست، بلکه یک ویژگی شیمیایی باتری است، اگرچه ممکن است از نظر آماری از تغییرات جزئی فرآیند تولید تأثیر بگیرد. در ابتدا ممکن است یک بسته باتری دارای سلول‌های کاملاً منطبق باشد، اما با گذشت زمان، شباهت سلول به سلول بیشتر کاهش می‌یابد، نه فقط به دلیل تخلیه خود، بلکه تحت تأثیر چرخه شارژ/دشارژ، دمای بالا و بالا رفتن عمر عمومی. با درک این موضوع، بحث قبلی را به یاد بیاورید که سلول‌های لیتیوم یونی عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند، اما اگر خارج از یک SOA محکم کار کنند، می‌توانند نسبتاً غیرقابل اصلاح باشند. ما قبلاً در مورد حفاظت الکتریکی مورد نیاز یاد گرفتیم زیرا سلول های لیتیوم یونی به خوبی با شارژ بیش از حد مقابله نمی کنند. پس از شارژ کامل، آنها نمی توانند جریان بیشتری را بپذیرند و هر انرژی اضافی وارد شده به آن در گرما تغییر شکل می دهد و ولتاژ به طور بالقوه به سرعت افزایش می یابد و احتمالاً به سطوح خطرناکی می رسد. وضعیت سالمی برای سلول نیست و در صورت ادامه می تواند باعث آسیب دائمی و شرایط عملیاتی ناایمن شود.
آرایه سلولی سری بسته باتری چیزی است که ولتاژ کلی بسته را تعیین می‌کند و عدم تطابق بین سلول‌های مجاور هنگام تلاش برای شارژ کردن هر پشته مشکل ایجاد می‌کند. شکل ۳ نشان می دهد که چرا این چنین است. اگر یک مجموعه سلولی کاملاً متعادل داشته باشد، همه چیز خوب است زیرا هر کدام به یک اندازه شارژ می شوند و با رسیدن به آستانه قطع ولتاژ بالای ۴.۰ می توان جریان شارژ را قطع کرد. با این حال، در سناریوی نامتعادل، سلول بالایی زودتر به حد شارژ خود می‌رسد و قبل از اینکه سایر سلول‌های زیرین به ظرفیت کامل شارژ شوند، باید جریان شارژ برای پا قطع شود.
BMS چیزی است که وارد عمل می شود و باعث بهبود اوضاع یا در این مورد بسته باتری می شود. برای نشان دادن این که چگونه این کار را می کند، باید یک تعریف کلیدی توضیح داده شود. وضعیت شارژ (SOC) یک سلول یا ماژول در یک زمان معین متناسب با شارژ موجود نسبت به کل شارژ در هنگام شارژ کامل است. بنابراین، باتری که در ۵۰٪ SOC قرار دارد، به این معنی است که ۵۰٪ شارژ شده است، که شبیه به یک نشانگر سوخت است.
مدیریت ظرفیت BMS همه چیز در مورد متعادل کردن تغییرات SOC در هر پشته در مجموعه بسته است. از آنجایی که SOC یک کمیت مستقیم قابل اندازه گیری نیست، می توان آن را با تکنیک های مختلف تخمین زد و خود طرح متعادل کننده به طور کلی به دو دسته اصلی منفعل و فعال تقسیم می شود. تم ها تنوع زیادی دارند و هر نوع مزایا و معایبی دارد. این به مهندس طراح BMS بستگی دارد که تصمیم بگیرد کدام یک برای بسته باتری داده شده و کاربرد آن بهینه است. توازن غیرفعال ساده ترین راه برای پیاده سازی و همچنین توضیح مفهوم تعادل عمومی است. روش غیرفعال به هر سلول در پشته اجازه می دهد تا ظرفیت بارگیری مشابه ضعیف ترین سلول را داشته باشد. با استفاده از جریان نسبتاً کم، مقدار کمی انرژی را از سلول‌های SOC بالا در طول چرخه شارژ خارج می‌کند تا همه سلول‌ها تا حداکثر SOC خود شارژ شوند. شکل ۴ نحوه انجام این کار توسط BMS را نشان می دهد. هر سلول را نظارت می کند و از یک سوئیچ ترانزیستور و یک مقاومت تخلیه با اندازه مناسب به موازات هر سلول استفاده می کند. هنگامی که BMS حس می کند یک سلول معین در حال نزدیک شدن به حد مجاز شارژ خود است، جریان اضافی را در اطراف آن به سلول بعدی زیر به شکلی از بالا به پایین هدایت می کند.
نقاط پایانی فرآیند تعادل، قبل و بعد، در شکل ۵ نشان داده شده است. به طور خلاصه، یک BMS پشته باتری را با اجازه دادن به سلول یا ماژول در پشته برای مشاهده جریان شارژ متفاوت از جریان بسته به یکی از روش های زیر متعادل می کند:
- حذف شارژ از سلول‌هایی که بیشترین شارژ را دارند، که فضای بیشتری را برای جریان شارژ اضافی برای جلوگیری از شارژ بیش از حد ایجاد می‌کند و به سلول‌های دارای شارژ کمتر اجازه می‌دهد جریان شارژ بیشتری دریافت کنند.
- تغییر جهت بخشی یا تقریباً تمام جریان شارژ در اطراف سلول‌های دارای بیشترین شارژ، در نتیجه به سلول‌های دارای شارژ کمتر اجازه می‌دهد تا برای مدت طولانی‌تری جریان شارژ را دریافت کنند.
