• แป้ง-001

ระบบจัดการแบตเตอรี่คืออะไร?

คำนิยาม

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เป็นเทคโนโลยีที่อุทิศให้กับการกำกับดูแลชุดแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นการประกอบเซลล์แบตเตอรี่ จัดระเบียบด้วยระบบไฟฟ้าในการกำหนดค่าเมทริกซ์แถว x คอลัมน์ เพื่อให้สามารถส่งมอบช่วงแรงดันและกระแสที่กำหนดเป้าหมายไว้ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง สถานการณ์โหลดที่คาดไว้การกำกับดูแลที่ BMS มีให้มักจะรวมถึง:

  • การตรวจสอบแบตเตอรี่
  • ให้การปกป้องแบตเตอรี่
  • การประมาณสถานะการทำงานของแบตเตอรี่
  • เพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง
  • การรายงานสถานะการทำงานไปยังอุปกรณ์ภายนอก

ในที่นี้ คำว่า "แบตเตอรี่" หมายถึงทั้งชุดอย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันการตรวจสอบและควบคุมจะถูกนำไปใช้กับเซลล์แต่ละเซลล์โดยเฉพาะ หรือกลุ่มของเซลล์ที่เรียกว่าโมดูลในชุดแบตเตอรี่โดยรวมเซลล์แบบชาร์จซ้ำได้แบบลิเธียมไอออนมีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดและเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับชุดแบตเตอรี่สำหรับสินค้าอุปโภคบริโภคหลายประเภท ตั้งแต่แล็ปท็อปไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าแม้ว่าพวกมันจะทำงานได้อย่างยอดเยี่ยม แต่ก็ค่อนข้างจะไม่ให้อภัยหากใช้งานนอกพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยโดยทั่วไป (SOA) ซึ่งมีผลตั้งแต่การประนีประนอมประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ไปจนถึงผลที่ตามมาที่อันตรายโดยสิ้นเชิงBMS มีรายละเอียดงานที่ท้าทายอย่างแน่นอน และความซับซ้อนโดยรวมและการกำกับดูแลอาจครอบคลุมหลายสาขาวิชา เช่น ไฟฟ้า ดิจิตอล การควบคุม ความร้อน และไฮดรอลิก

ระบบจัดการแบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ไม่มีชุดเกณฑ์ที่แน่นอนหรือเฉพาะเจาะจงซึ่งจะต้องนำมาใช้ขอบเขตการออกแบบเทคโนโลยีและคุณลักษณะที่นำไปใช้โดยทั่วไปมีความสัมพันธ์กับ:

  • ค่าใช้จ่าย ความซับซ้อน และขนาดของก้อนแบตเตอรี่
  • การใช้งานแบตเตอรี่และข้อกังวลด้านความปลอดภัย อายุการใช้งาน และการรับประกัน
  • ข้อกำหนดการรับรองจากข้อบังคับต่างๆ ของรัฐบาล โดยที่ค่าใช้จ่ายและบทลงโทษเป็นสิ่งสำคัญที่สุด หากมีมาตรการด้านความปลอดภัยในการใช้งานที่ไม่เพียงพอ

มีคุณสมบัติการออกแบบ BMS มากมาย โดยการจัดการการป้องกันชุดแบตเตอรี่และการจัดการความจุเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสองประการเราจะพูดถึงว่าคุณลักษณะทั้งสองนี้ทำงานอย่างไรที่นี่การจัดการการป้องกันชุดแบตเตอรี่มีสองส่วนสำคัญ: การป้องกันทางไฟฟ้า ซึ่งหมายถึงไม่ให้แบตเตอรี่เสียหายจากการใช้งานนอก SOA และการป้องกันความร้อน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมอุณหภูมิแบบพาสซีฟและ/หรือแบบแอคทีฟเพื่อบำรุงรักษาหรือนำแพ็คเข้าไปใน SOA

การป้องกันการจัดการไฟฟ้า: ปัจจุบัน

การตรวจสอบกระแสไฟของก้อนแบตเตอรี่และแรงดันของเซลล์หรือโมดูลเป็นหนทางสู่การป้องกันไฟฟ้าSOA ไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ถูกผูกไว้ด้วยกระแสและแรงดันรูปที่ 1 แสดง SOA ของเซลล์ลิเธียมไอออนทั่วไป และ BMS ที่ออกแบบมาอย่างดีจะปกป้องแพ็คโดยป้องกันการทำงานนอกระดับเซลล์ของผู้ผลิตในหลายกรณี อาจใช้การลดพิกัดเพิ่มเติมเพื่ออยู่ภายในเขตปลอดภัยของ SOA เพื่อส่งเสริมอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้ยาวนานขึ้น

คำนิยาม

เซลล์ลิเธียมไอออนมีขีดจำกัดกระแสไฟที่ต่างกันสำหรับการชาร์จมากกว่าการคายประจุ และทั้งสองโหมดสามารถรองรับกระแสไฟสูงสุดที่สูงขึ้นได้ แม้ว่าจะเป็นระยะเวลาสั้นๆผู้ผลิตเซลล์แบตเตอรี่มักจะกำหนดขีดจำกัดกระแสการชาร์จและการคายประจุอย่างต่อเนื่องสูงสุด พร้อมกับขีดจำกัดกระแสการชาร์จและการคายประจุสูงสุดBMS ที่ให้การป้องกันกระแสไฟจะใช้กระแสไฟต่อเนื่องสูงสุดอย่างแน่นอนอย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจนำหน้าเพื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของเงื่อนไขการโหลดตัวอย่างเช่น การเร่งความเร็วอย่างกะทันหันของรถยนต์ไฟฟ้าBMS อาจรวมการตรวจสอบกระแสไฟสูงสุดโดยการรวมกระแสไฟและหลังเวลาเดลต้า ตัดสินใจลดกระแสที่มีอยู่หรือขัดจังหวะกระแสของแพ็คทั้งหมดวิธีนี้ช่วยให้ BMS มีความอ่อนไหวต่อค่าสูงสุดในปัจจุบันเกือบจะในทันที เช่น ภาวะไฟฟ้าลัดวงจรที่ไม่ได้รับความสนใจจากฟิวส์ประจำถิ่นใดๆ แต่ยังสามารถให้อภัยกับความต้องการสูงสุดที่สูงได้ ตราบใดที่ไม่มากเกินไปสำหรับมากเกินไป ยาว.

การป้องกันการจัดการไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้า

รูปที่ 2 แสดงว่าเซลล์ลิเธียมไอออนต้องทำงานภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดขอบเขต SOA เหล่านี้จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางเคมีที่แท้จริงของเซลล์ลิเธียมไอออนที่เลือกและอุณหภูมิของเซลล์ในเวลาใดก็ตามยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากก้อนแบตเตอรี่ใด ๆ ต้องเผชิญกับกระแสไฟหมุนเวียนเป็นจำนวนมาก การคายประจุเนื่องจากความต้องการโหลดและการชาร์จไฟจากแหล่งพลังงานที่หลากหลาย ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า SOA เหล่านี้มักจะถูกจำกัดเพิ่มเติมเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้เหมาะสมที่สุดBMS ต้องรู้ว่าขีดจำกัดเหล่านี้คืออะไร และจะสั่งการการตัดสินใจตามความใกล้ชิดกับเกณฑ์เหล่านี้ตัวอย่างเช่น เมื่อใกล้ถึงขีดจำกัดไฟฟ้าแรงสูง BMS อาจร้องขอให้กระแสไฟชาร์จลดลงทีละน้อย หรืออาจขอให้กระแสไฟชาร์จสิ้นสุดลงโดยสิ้นเชิงหากถึงขีดจำกัดอย่างไรก็ตาม ขีดจำกัดนี้มักจะมาพร้อมกับการพิจารณาฮิสเทรีซิสของแรงดันไฟฟ้าภายในเพิ่มเติม เพื่อป้องกันการสนทนาควบคุมเกี่ยวกับเกณฑ์การปิดระบบในทางกลับกัน เมื่อใกล้ถึงขีดจำกัดแรงดันไฟต่ำ BMS จะขอให้โหลดที่กระทำผิดที่สำคัญที่แอ็คทีฟลดความต้องการในปัจจุบันลงในกรณีของรถยนต์ไฟฟ้า สามารถทำได้โดยการลดแรงบิดที่อนุญาตสำหรับมอเตอร์ฉุดลากแน่นอนว่า BMS จะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยสำหรับผู้ขับขี่เป็นอันดับแรก ในขณะที่ปกป้องก้อนแบตเตอรี่เพื่อป้องกันความเสียหายถาวร

การป้องกันการจัดการความร้อน: อุณหภูมิ

ตามมูลค่าจริง เซลล์ลิเธียมไอออนอาจมีช่วงการทำงานของอุณหภูมิที่กว้าง แต่ความจุของแบตเตอรี่โดยรวมจะลดลงที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีช้าลงอย่างน่าทึ่งในแง่ของความสามารถที่อุณหภูมิต่ำ พวกเขาทำงานได้ดีกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดหรือ NiMh;อย่างไรก็ตาม การจัดการอุณหภูมิเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากการชาร์จที่ต่ำกว่า 0 °C (32 °F) เป็นปัญหาทางร่างกายปรากฏการณ์ของการชุบโลหะลิเธียมสามารถเกิดขึ้นได้บนขั้วบวกระหว่างการชาร์จแบบจุดเยือกแข็งย่อยนี่เป็นความเสียหายถาวรและไม่เพียงส่งผลให้ความจุลดลง แต่เซลล์มีความเสี่ยงที่จะล้มเหลวมากขึ้นหากอยู่ภายใต้การสั่นสะเทือนหรือสภาวะกดดันอื่นๆBMS สามารถควบคุมอุณหภูมิของก้อนแบตเตอรี่ผ่านการทำความร้อนและความเย็น

คำจำกัดความ2

การจัดการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นจริงนั้นขึ้นอยู่กับขนาดและราคาของชุดแบตเตอรี่และวัตถุประสงค์ด้านประสิทธิภาพ เกณฑ์การออกแบบของ BMS และหน่วยผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจรวมถึงการพิจารณาพื้นที่ทางภูมิศาสตร์ที่เป็นเป้าหมาย (เช่น อะแลสกากับฮาวาย)ไม่ว่าฮีตเตอร์จะเป็นประเภทใด โดยทั่วไปแล้วจะมีประสิทธิภาพมากกว่าในการดึงพลังงานจากแหล่งพลังงาน AC ภายนอก หรือแบตเตอรี่สำรองสำหรับใช้ภายนอกที่มีจุดประสงค์เพื่อใช้งานฮีตเตอร์เมื่อจำเป็นอย่างไรก็ตาม หากฮีตเตอร์ไฟฟ้ามีกระแสไฟที่พอเหมาะ พลังงานจากก้อนแบตเตอรี่หลักจะถูกดูดเข้าไปเพื่อให้ความร้อนในตัวมันเองหากใช้ระบบไฮโดรลิกแบบใช้ความร้อน ฮีตเตอร์ไฟฟ้าจะใช้เพื่อให้ความร้อนกับสารหล่อเย็นซึ่งถูกสูบและกระจายไปทั่วชุดประกอบ

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าวิศวกรออกแบบของ BMS มีเทคนิคในการแลกเปลี่ยนการออกแบบเพื่อปล่อยพลังงานความร้อนเข้าสู่แพ็คตัวอย่างเช่น สามารถเปิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างๆ ภายใน BMS สำหรับการจัดการความจุโดยเฉพาะได้แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับการให้ความร้อนโดยตรง แต่ก็สามารถใช้ประโยชน์ได้โดยไม่คำนึงถึงการระบายความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดการสูญเสียประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตัวอย่างเช่น บางทีแบตเตอรี่ที่กำหนดให้ทำงานอย่างเหมาะสมที่อุณหภูมิ 20°C;หากอุณหภูมิของบรรจุภัณฑ์เพิ่มขึ้นเป็น 30°C ประสิทธิภาพการทำงานของบรรจุภัณฑ์จะลดลงถึง 20%หากแพ็คชาร์จอย่างต่อเนื่องและชาร์จใหม่ที่อุณหภูมิ 45°C (113°F) การสูญเสียประสิทธิภาพอาจเพิ่มขึ้นถึง 50%อายุการใช้งานแบตเตอรี่อาจเกิดจากอายุและการเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควรหากได้รับความร้อนมากเกินไปอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุที่รวดเร็วการระบายความร้อนทำได้โดยสองวิธี คือ แบบพาสซีฟหรือแบบแอคทีฟ และอาจใช้ทั้งสองเทคนิคการระบายความร้อนแบบพาสซีฟอาศัยการเคลื่อนที่ของกระแสลมเพื่อทำให้แบตเตอรี่เย็นลงในกรณีของรถยนต์ไฟฟ้า แสดงว่าเป็นเพียงการเคลื่อนตัวไปตามถนนอย่างไรก็ตาม มันอาจจะซับซ้อนกว่าที่เห็นได้ เนื่องจากเซ็นเซอร์วัดความเร็วลมสามารถรวมเข้ากับแผงกั้นลมที่ปรับอัตโนมัติตามกลยุทธ์เพื่อเพิ่มการไหลของอากาศให้สูงสุดการใช้พัดลมควบคุมอุณหภูมิแบบแอ็คทีฟสามารถช่วยได้เมื่อขับด้วยความเร็วต่ำหรือเมื่อรถหยุด แต่ทั้งหมดนี้ทำได้เพียงทำให้ชุดอุปกรณ์สมดุลกับอุณหภูมิแวดล้อมโดยรอบเท่านั้นในกรณีที่มีวันที่อากาศร้อนจัด อุณหภูมิแพ็คเริ่มต้นอาจเพิ่มขึ้นระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟไฮโดรลิกแบบใช้ความร้อนสามารถออกแบบให้เป็นระบบเสริมได้ และโดยทั่วไปจะใช้สารหล่อเย็นเอทิลีน-ไกลคอลที่มีอัตราส่วนของส่วนผสมที่กำหนด หมุนเวียนผ่านปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าผ่านท่อ/ท่อต่างๆ ท่อร่วมระบบจ่ายน้ำ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลข้าม (หม้อน้ำ) และแผ่นทำความเย็นติดกับชุดแบตเตอรี่BMS จะตรวจสอบอุณหภูมิทั่วทั้งแพ็ค และเปิดและปิดวาล์วต่างๆ เพื่อรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่โดยรวมให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่แคบเพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่มีประสิทธิภาพสูงสุด

การจัดการความจุ

การเพิ่มความจุของก้อนแบตเตอรี่ให้สูงสุดถือได้ว่าเป็นหนึ่งในคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่สำคัญที่สุดที่ BMS มีให้หากไม่ดำเนินการบำรุงรักษา ก้อนแบตเตอรี่อาจทำให้ตัวเองไร้ประโยชน์ในที่สุดต้นตอของปัญหาคือ “สแต็ค” ของก้อนแบตเตอรี่ (อาร์เรย์แบบอนุกรมของเซลล์) ไม่เท่ากันอย่างสมบูรณ์และมีอัตราการรั่วหรือคายประจุเองภายในที่แตกต่างกันเล็กน้อยการรั่วไหลไม่ใช่ข้อบกพร่องของผู้ผลิต แต่เป็นคุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่ แม้ว่าอาจได้รับผลกระทบทางสถิติจากความผันแปรของกระบวนการผลิตเพียงเล็กน้อยในช่วงแรกๆ ก้อนแบตเตอรี่อาจมีเซลล์ที่เข้าคู่กันได้ดี แต่เมื่อเวลาผ่านไป ความคล้ายคลึงระหว่างเซลล์กับเซลล์จะลดลง ไม่เพียงเนื่องจากการคายประจุเอง แต่ยังได้รับผลกระทบจากรอบการชาร์จ/การคายประจุ อุณหภูมิที่สูงขึ้น และอายุของปฏิทินโดยทั่วไปเมื่อเข้าใจแล้ว ให้ระลึกถึงการสนทนาก่อนหน้านี้ว่าเซลล์ลิเธียมไอออนทำงานได้อย่างยอดเยี่ยม แต่อาจไม่ให้อภัยหากดำเนินการนอก SOA ที่คับแคบเราได้เรียนรู้ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการป้องกันทางไฟฟ้าที่จำเป็น เนื่องจากเซลล์ลิเธียมไอออนไม่รองรับการชาร์จเกินเมื่อชาร์จจนเต็มแล้ว จะไม่สามารถรับกระแสไฟได้อีก และพลังงานเพิ่มเติมใดๆ ที่ผลักเข้าไปจะถูกแปลงสภาพเป็นความร้อน โดยแรงดันไฟฟ้าอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และอาจถึงระดับอันตรายไม่ใช่สถานการณ์ที่ดีต่อสุขภาพสำหรับเซลล์และอาจทำให้เกิดความเสียหายถาวรและสภาพการทำงานที่ไม่ปลอดภัยหากยังคงดำเนินต่อไป

อาร์เรย์เซลล์ของชุดแบตเตอรี่คือสิ่งที่กำหนดแรงดันไฟฟ้าโดยรวมของชุดแบตเตอรี่ และไม่ตรงกันระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันทำให้เกิดภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกเมื่อพยายามชาร์จสแต็กใดๆรูปที่ 3 แสดงว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้นหากมีชุดเซลล์ที่สมดุลอย่างสมบูรณ์ ทั้งหมดก็ใช้ได้เพราะแต่ละเซลล์จะชาร์จในลักษณะที่เท่ากัน และสามารถตัดกระแสชาร์จได้เมื่อถึงเกณฑ์การตัดแรงดันไฟฟ้า 4.0 ด้านบนอย่างไรก็ตาม ในสถานการณ์ที่ไม่สมดุล เซลล์บนสุดจะชาร์จถึงขีดจำกัดก่อนกำหนด และกระแสไฟชาร์จจะต้องถูกยุติสำหรับขาก่อนที่เซลล์อื่นๆ ที่อยู่ข้างใต้จะถูกชาร์จจนเต็มความจุ

คำจำกัดความ3BMS เป็นขั้นตอนที่จะช่วยประหยัดเวลาหรือแบตเตอรี่ในกรณีนี้จำเป็นต้องอธิบายคำจำกัดความของคีย์เพื่อแสดงวิธีการทำงานสถานะของประจุ (SOC) ของเซลล์หรือโมดูล ณ เวลาที่กำหนดเป็นสัดส่วนกับประจุที่มีให้สัมพันธ์กับประจุทั้งหมดเมื่อชาร์จเต็มดังนั้นแบตเตอรี่ที่มี SOC 50% แสดงว่ามีการชาร์จ 50% ซึ่งคล้ายกับมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงของบุญการจัดการความจุของ BMS เป็นการสร้างสมดุลระหว่างการเปลี่ยนแปลงของ SOC ในแต่ละสแต็กในชุดประกอบแพ็คเนื่องจาก SOC ไม่ใช่ปริมาณที่วัดได้โดยตรง จึงสามารถประมาณค่าโดยใช้เทคนิคต่างๆ ได้ และตัวแบบแผนสมดุลเองโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือ แบบพาสซีฟและแบบแอ็คทีฟธีมมีหลากหลายรูปแบบ และแต่ละประเภทก็มีข้อดีและข้อเสียขึ้นอยู่กับวิศวกรออกแบบของ BMS ที่จะตัดสินใจว่าชุดใดเหมาะสมที่สุดสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่กำหนดและการใช้งานการปรับสมดุลแบบพาสซีฟเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการนำไปใช้ รวมถึงการอธิบายแนวคิดการปรับสมดุลทั่วไปวิธีการแบบพาสซีฟช่วยให้ทุกเซลล์ในสแต็กมีความจุประจุเท่ากับเซลล์ที่อ่อนแอที่สุดด้วยการใช้กระแสไฟที่ค่อนข้างต่ำ มันส่งพลังงานจำนวนเล็กน้อยจากเซลล์ SOC ที่สูงระหว่างรอบการชาร์จ เพื่อให้เซลล์ทั้งหมดชาร์จไปยัง SOC สูงสุดรูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ทำได้โดย BMSโดยจะตรวจสอบแต่ละเซลล์และใช้ประโยชน์จากสวิตช์ทรานซิสเตอร์และตัวต้านทานการคายประจุที่มีขนาดเหมาะสมควบคู่ไปกับแต่ละเซลล์เมื่อ BMS ตรวจพบว่าเซลล์ที่กำหนดกำลังใกล้ถึงขีดจำกัดประจุ มันจะนำกระแสส่วนเกินที่อยู่รอบๆ เซลล์ไปยังเซลล์ถัดไปด้านล่างในลักษณะจากบนลงล่าง

คำจำกัดความ4

จุดสิ้นสุดของกระบวนการปรับสมดุลก่อนและหลังแสดงไว้ในรูปที่ 5 โดยสรุป BMS จะปรับสมดุลแบตเตอรีโดยให้เซลล์หรือโมดูลในสแต็กเห็นกระแสไฟชาร์จที่ต่างจากกระแสแพ็คด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งดังต่อไปนี้:

  • การกำจัดประจุออกจากเซลล์ที่มีประจุมากที่สุด ซึ่งทำให้มีพื้นที่ว่างสำหรับกระแสไฟชาร์จเพิ่มเติมเพื่อป้องกันการชาร์จไฟเกิน และช่วยให้เซลล์ที่มีประจุน้อยได้รับกระแสไฟชาร์จมากขึ้น
  • การเปลี่ยนทิศทางของกระแสไฟชาร์จบางส่วนหรือเกือบทั้งหมดรอบๆ เซลล์ที่มีประจุมากที่สุด ซึ่งช่วยให้เซลล์ที่มีประจุน้อยกว่าได้รับกระแสไฟชาร์จเป็นระยะเวลานานขึ้น

คำจำกัดความ5

ประเภทของระบบจัดการแบตเตอรี่

ระบบการจัดการแบตเตอรี่มีตั้งแต่แบบธรรมดาไปจนถึงแบบซับซ้อน และสามารถใช้เทคโนโลยีที่หลากหลายเพื่อให้ได้แนวทางหลักในการ “ดูแลแบตเตอรี่”อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้สามารถจัดหมวดหมู่ได้ตามโทโพโลยี ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีติดตั้งและใช้งานกับเซลล์หรือโมดูลในก้อนแบตเตอรี่

สถาปัตยกรรม BMS แบบรวมศูนย์

มี BMS ส่วนกลางหนึ่งชุดในชุดแบตเตอรี่แพ็คเกจแบตเตอรี่ทั้งหมดเชื่อมต่อกับ BMS ส่วนกลางโดยตรงโครงสร้างของ BMS แบบรวมศูนย์แสดงในรูปที่ 6 BMS แบบรวมศูนย์มีข้อดีบางประการมีขนาดกะทัดรัดกว่า และมีแนวโน้มว่าจะประหยัดที่สุดเนื่องจากมี BMS เพียงตัวเดียวอย่างไรก็ตาม มีข้อเสียของ BMS แบบรวมศูนย์เนื่องจากแบตเตอรี่ทั้งหมดเชื่อมต่อกับ BMS โดยตรง BMS จึงต้องการพอร์ตจำนวนมากเพื่อเชื่อมต่อกับแพ็คเกจแบตเตอรี่ทั้งหมดสิ่งนี้แปลเป็นสายไฟ สายเคเบิล คอนเนคเตอร์ ฯลฯ จำนวนมากในชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ซึ่งทำให้การแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษายุ่งยาก

คำจำกัดความ6

โทโพโลยี BMS แบบแยกส่วน

คล้ายกับการใช้งานแบบรวมศูนย์ BMS ถูกแบ่งออกเป็นโมดูลที่ซ้ำกันหลายโมดูล โดยแต่ละโมดูลมีชุดสายไฟและการเชื่อมต่อกับส่วนที่กำหนดที่อยู่ติดกันของกองแบตเตอรี่ดู รูปภาพ 7 ในบางกรณี โมดูลย่อย BMS เหล่านี้อาจอยู่ภายใต้การกำกับดูแลโมดูล BMS หลัก ซึ่งมีหน้าที่ในการตรวจสอบสถานะของโมดูลย่อยและสื่อสารกับอุปกรณ์ต่อพ่วงต้องขอบคุณโมดูลที่ซ้ำกัน การแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษาจึงง่ายขึ้น และการขยายไปยังชุดแบตเตอรี่ที่ใหญ่ขึ้นนั้นตรงไปตรงมาข้อเสียคือค่าใช้จ่ายโดยรวมสูงขึ้นเล็กน้อย และอาจมีฟังก์ชันที่ไม่ได้ใช้ซ้ำกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

คำจำกัดความ7

BMS หลัก/รอง

แนวคิดคล้ายกับโทโพโลยีแบบแยกส่วน อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ สเลฟจะถูกจำกัดให้ถ่ายทอดข้อมูลการวัดมากกว่า และต้นแบบนั้นทุ่มเทให้กับการคำนวณและการควบคุม ตลอดจนการสื่อสารภายนอกดังนั้น เช่นเดียวกับประเภทโมดูลาร์ ค่าใช้จ่ายอาจต่ำกว่าเนื่องจากการทำงานของทาสมักจะง่ายกว่า โดยมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าและคุณลักษณะที่ไม่ได้ใช้งานน้อยลง

คำจำกัดความ8

สถาปัตยกรรม BMS แบบกระจาย

แตกต่างอย่างมากจากโทโพโลยีอื่นๆ ซึ่งฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ถูกห่อหุ้มไว้ในโมดูลที่เชื่อมต่อกับเซลล์ผ่านชุดสายไฟที่ต่ออยู่BMS แบบกระจายรวมฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดบนแผงควบคุมที่วางโดยตรงบนเซลล์หรือโมดูลที่กำลังถูกตรวจสอบซึ่งช่วยลดการเดินสายจำนวนมากไปยังสายเซ็นเซอร์และสายสื่อสารระหว่างโมดูล BMS ที่อยู่ติดกันดังนั้น แต่ละ BMS จึงมีความสมบูรณ์ในตัวเองมากกว่า และจัดการการคำนวณและการสื่อสารตามต้องการอย่างไรก็ตาม แม้จะมีความเรียบง่ายที่เห็นได้ชัด แต่แบบฟอร์มที่ผสานรวมนี้ทำให้การแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษาอาจมีปัญหา เนื่องจากฝังลึกภายในชุดโมดูลโล่ค่าใช้จ่ายก็มีแนวโน้มสูงขึ้นเช่นกัน เนื่องจากมี BMS มากกว่าในโครงสร้างก้อนแบตเตอรี่โดยรวม

คำจำกัดความ9

ความสำคัญของระบบจัดการแบตเตอรี่

ความปลอดภัยในการทำงานมีความสำคัญสูงสุดใน BMSเป็นสิ่งสำคัญในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ เพื่อป้องกันแรงดัน กระแสไฟ และอุณหภูมิของเซลล์หรือโมดูลใดๆ ภายใต้การควบคุมดูแลไม่ให้เกินขีดจำกัด SOA ที่กำหนดไว้หากเกินขีดจำกัดเป็นระยะเวลาหนึ่ง ไม่เพียงแต่ชุดแบตเตอรี่ที่มีราคาแพงอาจเสียหายเท่านั้น แต่สภาวะระบายความร้อนที่เป็นอันตรายอาจตามมาด้วยนอกจากนี้ ขีดจำกัดขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำยังได้รับการตรวจสอบอย่างเข้มงวดสำหรับการปกป้องเซลล์ลิเธียมไอออนและความปลอดภัยในการใช้งานหากแบตเตอรี่ Li-ion อยู่ในสถานะแรงดันต่ำ ทองแดง dendrites อาจเติบโตบนขั้วบวก ซึ่งอาจส่งผลให้อัตราการคายประจุในตัวเองสูงขึ้นและทำให้เกิดความกังวลด้านความปลอดภัยความหนาแน่นพลังงานสูงของระบบที่ใช้พลังงานลิเธียมไอออนมาในราคาที่ทำให้มีข้อผิดพลาดในการจัดการแบตเตอรี่เพียงเล็กน้อยด้วย BMS และการปรับปรุงลิเธียมไอออน นี่เป็นหนึ่งในเคมีของแบตเตอรี่ที่ประสบความสำเร็จและปลอดภัยที่สุดในปัจจุบัน

ประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่เป็นคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดอันดับถัดไปของ BMS และเกี่ยวข้องกับการจัดการไฟฟ้าและความร้อนในการเพิ่มประสิทธิภาพความจุของแบตเตอรี่โดยรวม เซลล์ทั้งหมดในแพ็คจะต้องสมดุล ซึ่งหมายความว่า SOC ของเซลล์ที่อยู่ติดกันตลอดชุดประกอบจะเท่ากันโดยประมาณสิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากไม่เพียงแต่สามารถรับรู้ความจุของแบตเตอรี่ที่เหมาะสมที่สุดเท่านั้น แต่ยังช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพโดยทั่วไป และลดฮอตสปอตที่อาจเกิดขึ้นจากการชาร์จไฟเกินเซลล์ที่อ่อนแอแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควรหลีกเลี่ยงการคายประจุให้ต่ำกว่าขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำ เนื่องจากอาจส่งผลให้หน่วยความจำเสียหายและสูญเสียความจุอย่างมากกระบวนการทางเคมีไฟฟ้ามีความไวสูงต่ออุณหภูมิ และแบตเตอรี่ก็ไม่มีข้อยกเว้นเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมลดลง ความจุและพลังงานแบตเตอรี่ที่มีอยู่จะลดลงอย่างมากดังนั้น BMS อาจใช้เครื่องทำความร้อนแบบอินไลน์ภายนอกซึ่งติดตั้งอยู่ กล่าวคือ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวของชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า หรือแผ่นทำความร้อนแบบเปิดซึ่งติดตั้งอยู่ใต้โมดูลของชุดอุปกรณ์ที่รวมอยู่ในเฮลิคอปเตอร์หรืออุปกรณ์อื่นๆ อากาศยาน.นอกจากนี้ เนื่องจากการชาร์จเซลล์ลิเธียมไอออนที่เย็นจัดจะส่งผลเสียต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ สิ่งสำคัญคือต้องยกระดับอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้เพียงพอก่อนเซลล์ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ไม่สามารถชาร์จอย่างรวดเร็วได้เมื่อมีอุณหภูมิต่ำกว่า 5°C และไม่ควรชาร์จเลยเมื่อมีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียสเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดระหว่างการใช้งานทั่วไป การจัดการระบายความร้อนด้วย BMS มักจะทำให้มั่นใจว่าแบตเตอรี่ทำงานภายในขอบเขตการทำงานที่แคบของ Goldilocks (เช่น 30 – 35°C)ซึ่งจะช่วยปกป้องประสิทธิภาพ ยืดอายุการใช้งาน และส่งเสริมแบตเตอรี่ที่แข็งแรงและเชื่อถือได้

ประโยชน์ของระบบจัดการแบตเตอรี่

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ทั้งหมด ซึ่งมักเรียกกันว่า BESS อาจประกอบด้วยเซลล์ลิเธียมไอออนจำนวนนับสิบ หลายร้อย หรือกระทั่งหลายพันเซลล์รวมกันอย่างมีกลยุทธ์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานระบบเหล่านี้อาจมีระดับแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 100V แต่อาจสูงถึง 800V โดยมีกระแสจ่ายแพ็คสูงถึง 300A หรือมากกว่าการจัดการชุดไฟฟ้าแรงสูงอย่างไม่ถูกต้องอาจทำให้เกิดภัยพิบัติร้ายแรงถึงชีวิตได้ดังนั้น BMS จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานอย่างปลอดภัยประโยชน์ของ BMS สามารถสรุปได้ดังนี้

  • ความปลอดภัยในการทำงานสำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรูปแบบใหญ่ ต้องระมัดระวังเป็นพิเศษและจำเป็นอย่างยิ่งแต่ถึงกระนั้นรูปแบบที่เล็กกว่าที่ใช้ในแล็ปท็อปก็เป็นที่รู้กันว่าเกิดไฟไหม้และก่อให้เกิดความเสียหายอย่างใหญ่หลวงความปลอดภัยส่วนบุคคลของผู้ใช้ผลิตภัณฑ์ที่ใช้ระบบพลังงานลิเธียมไอออนทำให้มีข้อผิดพลาดในการจัดการแบตเตอรี่เพียงเล็กน้อย
  • ช่วงชีวิตและความน่าเชื่อถือการจัดการการป้องกันชุดแบตเตอรี่ ระบบไฟฟ้าและความร้อน ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเซลล์ทั้งหมดถูกใช้งานภายใต้ข้อกำหนด SOA ที่ประกาศไว้การกำกับดูแลที่ละเอียดอ่อนนี้ช่วยให้แน่ใจว่าเซลล์ได้รับการดูแลจากการใช้งานที่รุนแรงและการชาร์จและการคายประจุที่รวดเร็ว และส่งผลให้ระบบมีเสถียรภาพซึ่งจะให้บริการที่เชื่อถือได้เป็นเวลาหลายปีอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
  • ประสิทธิภาพและช่วงการจัดการความจุของก้อนแบตเตอรี่ BMS ซึ่งใช้การปรับสมดุลระหว่างเซลล์กับเซลล์เพื่อทำให้ SOC ของเซลล์ที่อยู่ติดกันเท่ากันทั่วทั้งชุดประกอบ ทำให้สามารถรับรู้ความจุของแบตเตอรี่ที่เหมาะสมที่สุดหากไม่มีคุณลักษณะ BMS นี้เพื่อพิจารณาความผันแปรของการคายประจุเอง รอบการชาร์จ/การคายประจุ ผลกระทบของอุณหภูมิ และอายุโดยทั่วไป ก้อนแบตเตอรี่อาจทำให้ตัวเองไร้ประโยชน์ในที่สุด
  • การวินิจฉัย การรวบรวมข้อมูล และการสื่อสารภายนอกงานกำกับดูแลรวมถึงการตรวจสอบเซลล์แบตเตอรี่ทั้งหมดอย่างต่อเนื่อง โดยที่การบันทึกข้อมูลสามารถใช้ด้วยตัวเองเพื่อการวินิจฉัย แต่มักมีจุดประสงค์เพื่องานการคำนวณเพื่อประเมิน SOC ของเซลล์ทั้งหมดในชุดประกอบข้อมูลนี้ใช้เพื่อปรับสมดุลอัลกอริธึม แต่โดยรวมแล้วสามารถส่งต่อไปยังอุปกรณ์ภายนอกและจอแสดงผลเพื่อระบุพลังงานที่มีอยู่ ประมาณช่วงหรือช่วง/อายุการใช้งานที่คาดหวังตามการใช้งานในปัจจุบัน และระบุสถานะความสมบูรณ์ของก้อนแบตเตอรี่
  • การลดต้นทุนและการรับประกันการนำ BMS มาใช้ใน BESS ทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น และชุดแบตเตอรี่มีราคาแพงและอาจเป็นอันตรายได้ยิ่งระบบซับซ้อนมากขึ้น ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยก็จะยิ่งสูงขึ้น ส่งผลให้ต้องมีการกำกับดูแล BMS มากขึ้นแต่การป้องกันและการบำรุงรักษาเชิงป้องกันของ BMS เกี่ยวกับความปลอดภัยในการใช้งาน อายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพและระยะการทำงาน การวินิจฉัย ฯลฯ รับประกันได้ว่าจะช่วยลดต้นทุนโดยรวม รวมถึงค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการรับประกัน

ระบบการจัดการแบตเตอรี่และบทสรุป

การจำลองเป็นพันธมิตรที่มีคุณค่าสำหรับการออกแบบ BMS โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อนำไปใช้กับการสำรวจและจัดการกับความท้าทายด้านการออกแบบภายในการพัฒนาฮาร์ดแวร์ การสร้างต้นแบบ และการทดสอบด้วยรูปแบบเซลล์ลิเธียมไอออนที่แม่นยำในการใช้งาน โมเดลจำลองของสถาปัตยกรรม BMS จึงเป็นข้อมูลจำเพาะที่ปฏิบัติการได้ซึ่งถือเป็นต้นแบบเสมือนนอกจากนี้ การจำลองยังช่วยให้สามารถตรวจสอบฟังก์ชันการกำกับดูแล BMS ที่หลากหลายกับสถานการณ์การทำงานของแบตเตอรี่และสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้โดยไม่ลำบากปัญหาการใช้งานสามารถค้นพบและตรวจสอบได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบการปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยในการทำงานก่อนนำไปใช้จริงกับต้นแบบฮาร์ดแวร์จริงซึ่งจะช่วยลดเวลาในการพัฒนาและช่วยให้มั่นใจว่าต้นแบบฮาร์ดแวร์ตัวแรกจะมีประสิทธิภาพนอกจากนี้ การทดสอบการรับรองความถูกต้องหลายอย่าง รวมถึงกรณีที่เลวร้ายที่สุด สามารถดำเนินการกับ BMS และชุดแบตเตอรี่เมื่อใช้งานในแอปพลิเคชันระบบฝังตัวที่สมจริง

เรื่องย่อ SabreRDนำเสนอไลบรารีแบบจำลองไฟฟ้า ดิจิตอล ระบบควบคุม และไฮดรอลิกแบบใช้ความร้อนที่กว้างขวาง เพื่อให้วิศวกรที่สนใจในการออกแบบและพัฒนา BMS และชุดแบตเตอรี่เครื่องมือพร้อมใช้งานเพื่อสร้างแบบจำลองอย่างรวดเร็วจากข้อกำหนดแผ่นข้อมูลพื้นฐานและเส้นกราฟการวัดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเคมีของแบตเตอรี่ประเภทต่างๆการวิเคราะห์ทางสถิติ ความเค้น และความผิดพลาดช่วยให้สามารถตรวจสอบข้ามสเปกตรัมของพื้นที่ปฏิบัติการ ซึ่งรวมถึงพื้นที่ขอบเขต เพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือของ BMS โดยรวมนอกจากนี้ยังมีตัวอย่างการออกแบบมากมายเพื่อให้ผู้ใช้สามารถเริ่มต้นโครงการและเข้าถึงคำตอบที่ต้องการจากการจำลองได้อย่างรวดเร็ว


โพสต์เวลา: ส.ค.-15-2022