วิธีการออกแบบ BMS สมองของระบบจัดเก็บแบตเตอรี่

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่อยู่ในสภาวะตลาดที่มีความต้องการสูงขึ้นเรื่อยๆ ทำให้มีการใช้งานที่หลากหลาย เป็นคำถามที่ควรค่าแก่การหารือเกี่ยวกับวิธีสร้างระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่รับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนาน ความอเนกประสงค์และความพร้อมใช้งาน

แบตเตอรี่สมัยใหม่ทุกก้อนต้องการระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ และทำหน้าที่เป็นสมองของแบตเตอรี่ บทความนี้เน้นที่เทคโนโลยี BMS สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ฟังก์ชันพื้นฐานที่สุดของ BMS คือการทำให้แน่ใจว่าเซลล์แบตเตอรี่ยังคงสมดุลและปลอดภัย และข้อมูลสำคัญ เช่น พลังงานที่มีอยู่ จะถูกส่งต่อไปยังผู้ใช้หรือระบบที่เชื่อมต่อ

จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลเนื่องจากระบบแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์แต่ละเซลล์หลายร้อยหรือบางครั้งหลายพันเซลล์ ซึ่งทั้งหมดมีความจุและความต้านทานต่างกันเล็กน้อยความแตกต่างเหล่านี้เพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อเซลล์เสื่อมสภาพในอัตราที่ต่างกันหากเซลล์ไม่สมดุลอย่างน้อยในบางครั้ง แรงดันไฟฟ้าของพวกมันจะแยกออกจากกันในไม่ช้าจนความจุของแบตเตอรี่ใช้งานไม่ได้

มั่นใจได้ถึงความปลอดภัยโดยการรักษาเซลล์ให้อยู่ภายในขีดจำกัดการทำงานที่ปลอดภัยของแรงดัน กระแส และอุณหภูมิ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหากเซลล์ได้รับประจุไฟเกิน ชาร์จที่อุณหภูมิต่ำมาก หรือสัมผัสกับกระแสหรืออุณหภูมิที่มากเกินไป เซลล์เหล่านี้อาจพัฒนาความผิดพลาดที่อาจนำไปสู่การเกิดไฟไหม้หรือการระเบิดได้

ข้อมูลเช่นพลังงานและพลังงานที่มีอยู่ไม่สามารถวัดได้โดยตรง ซึ่งหมายความว่า BMS จะต้องคำนวณ ขึ้นอยู่กับการวัดแรงดัน กระแส และอุณหภูมิการคำนวณเหล่านี้เรียกว่าการประมาณสถานะและผลลัพธ์จะถูกส่งต่อไปยังระบบระดับที่สูงกว่า รวมถึงส่วนต่อประสานกับผู้ใช้

ก่อนที่เราจะดูรายละเอียดเกี่ยวกับข้อควรพิจารณาในการออกแบบ BMS ควรอธิบายถึงประเภทต่างๆ ของ BMS และข้อกำหนดของอุตสาหกรรมที่แจ้งทางเลือกในการออกแบบโดยทั่วไปแล้ววิธีการปรับสมดุลจะใช้เพื่อจำแนกประเภท BMS แม้ว่าการออกแบบด้านอื่นๆ จะมีบทบาทสำคัญ เช่น วิธีการต่างๆ ในการประมาณสถานะและการไหลของข้อมูล

โครงสร้างแพ็คขั้นพื้นฐาน

เซลล์หรือเซลล์ไฟฟ้าเคมี เช่น เซลล์ลิเธียมไอออนเป็นหน่วยเก็บพลังงานที่เล็กที่สุดภายในแพ็คพวกเขามาในขนาดทางกายภาพที่แตกต่างกันซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความจุของพวกเขาแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดของเซลล์ลิเธียมไอออนสามารถต่ำได้ถึง 2.5V (สำหรับเซลล์ LFP) และแรงดันไฟฟ้าสูงสุดสามารถสูงถึง 4.3V สำหรับเคมี NMC

เซลล์เชื่อมต่อแบบขนานเพื่อเพิ่มกระแสสูงสุดที่สามารถดึงออกมาจากแพ็คกลุ่มเซลล์ที่ต่อขนานกันเรียกว่า ซุปเปอร์เซลล์

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์ภายในซุปเปอร์เซลล์จะสร้างสมดุลในตัวเองและไม่จำเป็นต้องจัดการเพิ่มเติมข้อยกเว้นอาจรวมถึงเคมีชนิดใหม่ เช่น ลิเธียมซัลเฟอร์และเคมีที่มีสถานะประจุไฟฟ้าคงที่เมื่อเทียบกับเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้าที่ทำงานในสภาวะอัตรา C ที่รุนแรง เช่น ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

ซูเปอร์เซลล์เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมเพื่อสร้างสตริงก้อนแบตเตอรี่มักจะประกอบด้วยสายเดี่ยวการเชื่อมต่อซูเปอร์เซลล์เป็นอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของแพ็ค ซึ่งจำเป็นในการใช้งานพลังงานสูงเพื่อป้องกันกระแสการทำงานที่สูงมาก

เมื่อเพิ่มเซลล์ในการกำหนดค่าชุดแบตเตอรี่ ความจุพลังงานจะเพิ่มขึ้นดังนั้น การเพิ่มเซลล์คู่ขนานลงในซูเปอร์เซลล์จะเพิ่มความจุพลังงานของแพ็ค เช่นเดียวกับการเชื่อมต่อซูเปอร์เซลล์เพิ่มเติมในอนุกรม

ประเภท BMS

แนวทางการปรับสมดุล

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟจะซิงโครไนซ์แรงดันไฟฟ้าของเซลล์เมื่อสิ้นสุดกระบวนการชาร์จโดยการกระจายพลังงาน ซึ่งจะเข้าสู่เซลล์ที่มีประจุเต็มในรูปของความร้อนผ่านตัวต้านทานข้อดีของวิธีนี้คือต้นทุนส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่ำ

ข้อเสียรวมถึงเซลล์ทั้งหมดได้รับกระแสไฟฟ้าเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมที่อ่อนแอที่สุดจะจำกัดพลังงาน พลังงาน อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ทั้งหมดการเสื่อมสภาพของเซลล์จะเร่งขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าในเซลล์ที่อ่อนแอจะสูงขึ้นเมื่อเทียบกับความจุ ซึ่งอาจทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งอาจนำไปสู่การลดระดับพลังงานแบตเตอรี่หรือแม้แต่ปัญหาด้านความปลอดภัยนอกจากนี้ พลังงานจะสูญเสียไปในระหว่างกระบวนการชาร์จBMS แบบพาสซีฟสามารถตรวจสอบกระแสของแพ็คและขัดจังหวะผ่านสวิตช์ตัดการเชื่อมต่อในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด

หากใช้การไหลของข้อมูลแบบสองทิศทาง พารามิเตอร์ระดับระบบ เช่น การตั้งค่าการทำงานอาจมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อจัดลำดับความสำคัญของอายุการใช้งานแบตเตอรี่หรือประสิทธิภาพอายุการใช้งานจะได้รับการจัดลำดับความสำคัญโดยการลดหน้าต่างการทำงานโดยค่าใช้จ่ายของพลังงานหรือพลังงานที่มีอยู่ ในขณะที่ประสิทธิภาพจะได้รับการจัดลำดับความสำคัญโดยการขยายหน้าต่างการทำงานโดยค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่

โดยทั่วไปแล้วการปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะใช้ผ่านวงจรบายพาสกระแสต่ำ ซึ่งส่งกระแสชาร์จต่ำไปยังเซลล์ที่ยังไม่ได้ชาร์จ แทนที่จะกระจายพลังงานในรูปของความร้อนประโยชน์หลักของแนวทางนี้คือการปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จ ซึ่งอาจมีความสำคัญหากต้องใช้พลังงานการชาร์จที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดอย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ การปรับสมดุลแบบแอ็คทีฟไม่ได้ปรับต้นทุนส่วนประกอบที่เพิ่มสำหรับผลประโยชน์ที่ได้รับเช่นเดียวกับการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ การเสื่อมสภาพของเซลล์จะถูกเร่งโดยกระแสสัมพัทธ์ที่สูงขึ้นบนเซลล์ที่อ่อนแอกว่าและอาจเกิดจุดร้อนขึ้น

การประมาณของรัฐ

การประมาณค่าสถานะของประจุ (SoC) และสถานะของความสมบูรณ์ (SoH) จะขึ้นอยู่กับการรวมกันของรุ่นแบตเตอรี่และอัลกอริทึมการประมาณค่าระดับความซับซ้อนและความแม่นยำที่เป็นไปได้สำหรับการประมาณค่าสถานะและรุ่นแบตเตอรี่พื้นฐานนั้นขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์เป็นอย่างมาก ซึ่งเราใช้ที่นี่เพื่อแยกความแตกต่างของแนวทางต่างๆ

วงจรรวม (IC) ใช้ใน BMS ทั่วไปส่วนใหญ่สำหรับการประมาณสถานะ ซึ่งมักเรียกว่า 'มาตรวัดเชื้อเพลิง'ไอซีเป็นแบบ 'เดินสาย' ด้วยโมเดลแบตเตอรี่เฉพาะทางเคมีและอัลกอริทึมการประมาณสถานะข้อดีของไอซีคือราคาถูกข้อเสียรวมถึงความยืดหยุ่นและความแม่นยำในการออกแบบระบบที่จำกัดหลังมีแนวโน้มที่จะแย่ลงเมื่อเวลาผ่านไปความยืดหยุ่นในการออกแบบมีจำกัด เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว IC ถูกสร้างขึ้นสำหรับเคมีของแบตเตอรี่เฉพาะที่มีคุณสมบัติเฉพาะ

หากคุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่หรือข้อมูลจำเพาะเปลี่ยนไป IC ก็จำเป็นต้องเปลี่ยนเช่นกันและต้องปรับการออกแบบด้วยสาเหตุของความแม่นยำที่จำกัดและด้อยลงคือ (i) การประมาณสถานะบนไอซีนั้นขึ้นอยู่กับการแสดงทั่วไปของเคมีแบตเตอรี่ และไม่ได้จับคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์และไดนามิกที่เหมาะสมยิ่งของเซลล์ ซึ่งอาจแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต รูปแบบ และแบทช์ แม้แต่ สำหรับเคมีที่เหมือนกัน (ii) พลังการประมวลผลที่จำกัดบนไอซีจำกัดความซับซ้อนและความเที่ยงตรงของอัลกอริทึมการประมาณสถานะและโมเดลแบตเตอรี่พื้นฐาน และ (iii) ลักษณะเซลล์เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งอัลกอริทึม IC แบบเดินสายไม่สามารถจับได้ ซึ่งนำไปสู่ความไม่ถูกต้องที่เพิ่มมากขึ้น เวลา.

ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถตั้งโปรแกรมด้วยโมเดลแบตเตอรี่ที่มีความเที่ยงตรงสูงกว่าและอัลกอริทึมการประมาณค่าสถานะที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถปรับละเอียดเพื่อพิจารณาลักษณะเฉพาะและข้อกำหนดเฉพาะของเซลล์ได้คุณลักษณะของเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงสามารถรองรับได้โดยการอัปเดตพารามิเตอร์ของอัลกอริทึมการประมาณค่าสถานะและรุ่นของแบตเตอรี่ ซึ่งทำให้เอาต์พุตมีความแม่นยำมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปสามารถใช้ฮาร์ดแวร์เดียวกันนี้กับสารเคมีของแบตเตอรี่หรือผู้ผลิตประเภทใดก็ได้ ช่วยให้การออกแบบมีความยืดหยุ่นสูงสุดข้อเสียอาจเป็นต้นทุนส่วนประกอบที่สูงขึ้น ขึ้นอยู่กับฟังก์ชันการทำงานที่ต้องการและพลังการคำนวณ

การไหลของข้อมูล

การไหลของข้อมูลทิศทางเดียวเป็นเรื่องปกติในระบบแบตเตอรี่ส่วนใหญ่: การไหลของข้อมูลจาก BMS ไปยังระบบระดับสูงและอินเทอร์เฟซผู้ใช้หาก BMS จัดทำโดยผู้ผลิตเซลล์ ข้อมูลระดับต่ำน้อยกว่ามีแนวโน้มที่จะพร้อมใช้งาน เนื่องจากข้อมูลนี้อาจถือว่าละเอียดอ่อนข้อมูลที่สำคัญที่สุดคือความปลอดภัยและประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับเมตริกต่างๆ เช่น SoC และ SoH

การไหลของข้อมูลแบบสองทิศทางเป็นไปได้หาก BMS สามารถประมวลผลอินพุต เช่น การเปลี่ยนแปลงการตั้งค่าการทำงาน (เช่น แรงดันไฟฟ้าเซลล์หรือ SoC สูงสุดและต่ำสุดที่อนุญาต) หรือแม้กระทั่งการอัปเดตรุ่นแบตเตอรี่หรืออัลกอริทึมการประเมินสถานะเพื่อรักษาความถูกต้อง หากไมโครคอนโทรลเลอร์ ถูกนำมาใช้