ระบบการจัดการแบตเตอรี่
ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการจัดการชุดแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับยานพาหนะไฟฟ้า -ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ BMS ที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถเพิ่มระยะการขับขี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยืดอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ ลดต้นทุนการดำเนินงาน และรับประกันความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของชุดแบตเตอรี่สำหรับจ่ายไฟ ระบบจัดการแบตเตอรี่กำลังกลายเป็นองค์ประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ของรถยนต์ไฟฟ้า บทนี้จะเน้นที่การแนะนำองค์ประกอบ ฟังก์ชัน และหลักการทำงานของระบบการจัดการแบตเตอรี่
สถาปัตยกรรมระบบ
ฮาร์ดแวร์ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทั่วไปโดยหลักแล้วประกอบด้วยหน่วยจัดการแบตเตอรี่ (BMU) หน่วยจัดการเซลล์ (CMU) เซ็นเซอร์ ชุดสายไฟ ฯลฯ ในการออกแบบระบบแบตเตอรี่พลังงานขนาดใหญ่- การเลือกใช้สถาปัตยกรรม BMS เป็นสิ่งสำคัญ โดยกำหนดวิธีการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างหน่วยฮาร์ดแวร์กับวิธีการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ และส่งผลกระทบต่อต้นทุนของระบบ ความน่าเชื่อถือ ความง่ายในการติดตั้งและบำรุงรักษา และความแม่นยำในการวัด ขึ้นอยู่กับโทโพโลยีระหว่างตัวควบคุมใน BMS นั้น BMS สามารถแบ่งประเภทกว้าง ๆ ได้เป็นสองประเภท: แบบรวมและแบบกระจาย
1. BM แบบบูรณาการ
2. BMS แบบกระจาย
สถาปัตยกรรมแบบกระจายต่างจากโทโพโลยีแบบรวมที่แบ่งการทำงานของ BMS ออกเป็น BMU ของเมนบอร์ดและ CMU ทาสหลายตัว โครงสร้างโมดูลาร์ช่วยลดความยุ่งยากในการประกอบโมดูล ปรับเค้าโครงชุดสายไฟสุ่มตัวอย่างให้เหมาะสม และบรรเทาความไม่สอดคล้องกันของแรงดันไฟฟ้าตกด้วยระยะห่างที่สม่ำเสมอ ข้อเสียได้แก่ ต้นทุนที่สูงขึ้นและการออกแบบการสื่อสารและการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น ขึ้นอยู่กับความหลากหลายของวิธีการเชื่อมต่อ BMS แบบกระจาย สามารถแบ่งเพิ่มเติมได้เป็นสามประเภท: การเชื่อมต่อแบบสตาร์ (ดูรูปที่ 8-2) การเชื่อมต่อบัส และการเชื่อมต่อแบบเดซี่เชน
(1) การเชื่อมต่อแบบสตาร์ในการเชื่อมต่อแบบดาว เมนบอร์ด BMU จะตั้งอยู่ตรงกลาง และโมดูล CMU แต่ละโมดูลจะเชื่อมต่อโดยตรงกับเมนบอร์ด BMS ผ่านทางสายรัด การเชื่อมต่อแบบดาวอำนวยความสะดวกในการควบคุมจุด-ถึง- และความล้มเหลวของโหนด CMU เดียวไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อระบบ อย่างไรก็ตาม เมื่อจำนวนโมดูลเพิ่มขึ้น ความซับซ้อนของสายการสื่อสารในการเชื่อมต่อแบบสตาร์จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ทำให้การบำรุงรักษาทำได้ยากและจำกัดความสามารถในการขยายขนาด เนื่องจากข้อจำกัดของพอร์ตเมนบอร์ด BMS ทำให้ไม่สามารถเพิ่มโมดูล CMU ได้ตามอำเภอใจ ซึ่งทำให้ค่อนข้างหายากในแอปพลิเคชันขนาดใหญ่-
(2) การต่อรถโดยสารสถาปัตยกรรมระบบแบบบัส-ช่วยอำนวยความสะดวกในการออกแบบโมดูลาร์ ดังแสดงในรูปที่ 8-3 โดยทั่วไป BMS จะแบ่งออกเป็นหน่วยควบคุมหลายหน่วย: BMU, CMU และ Battery Join Box (BJB) BMU, CMU และ BJB เชื่อมต่อผ่าน CAN หรือเครือข่ายบัสอื่นๆ BMU ทำหน้าที่อัลกอริธึมหลักสำหรับการจัดการแบตเตอรี่ มช. ดำเนินการรับแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ ปรับสมดุล และวัดอุณหภูมิ BJB ดำเนินการรับไฟฟ้าแรงสูง กระแส และอุณหภูมิ การขับคอนแทคเตอร์และการวินิจฉัย และการตรวจจับฉนวนสำหรับชุดแบตเตอรี่ การแยกออกจากกันทำให้เกิดการแยกทางไฟฟ้า ป้องกันไม่ให้กระแสไหลย้อนกลับทำให้แผงวงจรไหม้ และจำกัดแอมพลิจูดการรบกวน
สถาปัตยกรรมแบบบัส-นำเสนอการเชื่อมต่อการสื่อสารที่ยืดหยุ่นกว่าและความสามารถในการปรับขนาดที่แข็งแกร่ง ทำให้การออกแบบสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ง่ายขึ้นอย่างมาก บรรลุความเป็นโมดูล และปรับปรุงความสามารถในการใช้งานระบบและการพกพา ข้อเสียเปรียบหลักคือต้นทุนค่อนข้างสูง
การผูกมัดเดซี่-เป็นวิธีการเชื่อมต่อที่ค่อนข้างใหม่ที่เกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อินเทอร์เฟซสามารถแปลงสัญญาณ SPI ดูเพล็กซ์-เต็มได้ถึง 1Mb/s ให้เป็นสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล และส่งผ่านสายคู่บิด-และหม้อแปลงราคาประหยัด- ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ AFE ของ Linear Technology (LTC6811) สามารถเชื่อมต่อถึงกันเพื่อสร้าง BMS หม้อแปลงไฟฟ้าต้นทุนต่ำ-มาแทนที่ตัวแยกข้อมูล ที่ฝั่งไมโครโปรเซสเซอร์ควบคุมหลัก ไอซีอะแดปเตอร์ขนาดเล็ก (LTC6820) จะเป็นอินเทอร์เฟซของคอนโทรลเลอร์หลัก แม้ว่าเครือข่ายลูกโซ่เดซี่{13}}แบบทิศทางเดียวจะเรียบง่าย แต่ความล้มเหลวของโหนดใดๆ อาจส่งผลต่อการสื่อสารของทั้งระบบ ดังนั้น ห่วงโซ่เดซี่แบบวงแหวนที่ได้รับการปรับปรุง-ดังแสดงในรูปที่ 8-4 จึงได้รับการพัฒนาและนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์ BMS ของผู้ผลิตรถยนต์พลังงานรายใหม่รายใหญ่ เช่น Tesla เมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมต่อ CAN บัส การต่อสายเดซี่-จะมีต้นทุนต่ำกว่าและมีขนาดเล็กกว่า แต่มีความสามารถในการปรับขนาดได้ต่ำ จำนวนโหนดสูงสุดที่จำกัด และความยากลำบากในการจัดการปัญหาการจัดการแบตเตอรี่ในสถานการณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่
ฟังก์ชั่นพื้นฐาน
โดยทั่วไป ฟังก์ชันพื้นฐานของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ประกอบด้วย: การเก็บข้อมูล การประมาณสถานะแบตเตอรี่ การจัดการพลังงาน การจัดการความปลอดภัย การจัดการความร้อน การควบคุมการปรับสมดุล ฟังก์ชันการสื่อสาร และ-อินเทอร์เฟซเครื่องจักรของมนุษย์ รูปที่ 8-5 แสดงบล็อกไดอะแกรมการทำงานของระบบการจัดการแบตเตอรี่
การได้มาซึ่งข้อมูลเป็นรากฐานของอัลกอริธึมและการควบคุมทั้งหมดในระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ดังนั้น อัตราการสุ่มตัวอย่าง ความแม่นยำ และคุณลักษณะ-ล่วงหน้าของตัวกรองจึงเป็นตัวบ่งชี้สำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบแบตเตอรี่ อัตราการรับข้อมูลถูกกำหนดโดยสถานการณ์และฟังก์ชัน ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้แหล่งจ่ายไฟสำรอง อัตราการเก็บข้อมูลอาจต่ำเพียงหนึ่งเฟรมต่อ 10 วินาทีหรือต่อนาที ในขณะที่วัตถุที่กระแสไฟเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (เช่น ยานพาหนะ) จะต้องได้รับข้อมูลอย่างน้อยหนึ่งครั้งทุกๆ 1 วินาที โดยมีข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย-บางอย่างซึ่งต้องใช้ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างต่ำถึง 100 มิลลิวินาทีหรือ 10 มิลลิวินาที
2. การประมาณสถานะแบตเตอรี่
การประมาณสถานะแบตเตอรี่มี 2 ประเด็นหลักๆ ได้แก่สถานะการชาร์จ (SOC)และสภาวะสุขภาพ (SOH)- SOC จะแสดงลักษณะของประจุที่เหลืออยู่ในปัจจุบันของก้อนแบตเตอรี่ และเป็นพื้นฐานในการประมาณระยะการขับขี่ของรถยนต์ไฟฟ้า SOH เป็นพารามิเตอร์ที่ใช้เพื่อแสดงอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ของแบตเตอรี่และสภาวะสุขภาพอื่นๆ
การจัดการพลังงานทำให้แน่ใจได้ว่า-พลังงานที่ส่งออกและป้อนเข้าของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์จะไม่เกินความจุของแบตเตอรี่และระบบ ในความเป็นจริง ความสามารถในการชาร์จ/คายประจุของแบตเตอรี่จะได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ, SOC และ SOH รวมถึงปัจจัยอื่นๆ ในขณะเดียวกัน ในระดับระบบ จะต้องหลีกเลี่ยงความเสี่ยง เช่น ความร้อนสูงเกินและการล่มสลายของวงจร ดังนั้น การจัดการพลังงานจึงเป็นกระบวนการควบคุมทั่วโลกโดยใช้กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ SOC และ SOH เป็นอินพุตเป็นหลัก
ตรวจสอบแรงดัน กระแส และอุณหภูมิของแบตเตอรี่เพื่อให้แน่ใจว่าไม่เกินช่วงปกติ BMS สมัยใหม่ (ระบบจัดการแบตเตอรี่) ไม่เพียงแต่ตรวจสอบชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังให้การควบคุมอย่างละเอียดเกี่ยวกับสภาพเซลล์แต่ละเซลล์ที่รุนแรง เช่น การชาร์จไฟเกิน -การคายประจุเกิน และ-อุณหภูมิที่มากเกินไป
ทำให้แบตเตอรี่เย็นลงเมื่ออุณหภูมิในการทำงานสูงเกินไป และให้ความร้อนเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าขีดจำกัดล่างของอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสม เพื่อให้แบตเตอรี่อยู่ในช่วงการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และรักษาสมดุลอุณหภูมิระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ระหว่างการทำงาน การจัดการระบายความร้อนมีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ที่ใช้ภายใต้-การปล่อยพลังงานสูงและ-สภาวะอุณหภูมิสูง
6. การควบคุมสมดุล
ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ไม่สอดคล้องกันอาจทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่ลดลง และแม้แต่ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยด้วย มีการติดตั้งวงจรปรับสมดุลระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่เพื่อให้แน่ใจว่าสภาวะการชาร์จและการคายประจุของแต่ละเซลล์มีความสอดคล้องกันมากที่สุด ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของชุดแบตเตอรี่
หน้าที่สำคัญของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) คือการเปิดใช้งานการสื่อสารพารามิเตอร์และข้อมูลของแบตเตอรี่กับอุปกรณ์ออนบอร์ดหรือนอกบอร์ด โดยให้ข้อมูลสำหรับการควบคุมการชาร์จ/คายประจุ และการควบคุมยานพาหนะ การแลกเปลี่ยนข้อมูลสามารถใช้อินเทอร์เฟซการสื่อสารที่แตกต่างกัน เช่น สัญญาณอะนาล็อก สัญญาณ PWM CAN บัส หรืออินเทอร์เฟซอนุกรม I2C ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน
8. ส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์-กับเครื่องจักร (HMI)
HMI เป็นส่วนติดต่อตัวกลางสำหรับการโต้ตอบระหว่างมนุษย์-กับเครื่องจักร ใช้อุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุตที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถพูดคุยและโต้ตอบระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักรที่พวกเขาทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ใน BMS นั้น HMI จะมีข้อมูลการแสดงผล รวมถึงปุ่มควบคุมและปุ่มหมุน ซึ่งกำหนดค่าตามข้อกำหนดการออกแบบ
