سلسلة عمليات تصنيع الحزم: الوظائف الأساسية، وهيكلية النظام، والبنية المادية لنظام إدارة البطارية (BMS) لحزمة البطارية

تحتوي كل من حزم بطاريات الطاقة وحزم بطاريات تخزين الطاقة عادةً على عشرات أو حتى مئات الخلايا الداخلية. لإدارة هذا العدد الكبير من الخلايا، أصبح نظام إدارة البطارية (BMS) تقنية رئيسية لا غنى عنها.

يمكن القول أن نظام إدارة البطارية (BMS) هو "عقل" حزمة البطارية. تتمثل وظائفه في ضمان سلامة الأفراد والبطارية، وتلبية متطلبات الطاقة أو تخزين الطاقة، وإطالة عمر البطارية.

01 الوظائف الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS)

تتمثل الوظيفة الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS) في مراقبة جهد البطارية ودرجة حرارتها وتيارها في الوقت الفعلي، وتحسين أداء البطارية من خلال تقدير حالة الشحن (SOC) والتحكم في التوازن، مع امتلاك وظائف حماية من الأعطال مثل الحماية من الجهد الزائد والتيار الزائد ودرجة الحرارة الزائدة.

تقدير حالة الخلايا هو الوظيفة الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS). يتطلب تحقيق هذه الوظيفة شريحة الواجهة الأمامية التناظرية (AFE) (للحصول على الجهد)، ومستشعرات هول (للحصول على التيار)، ومستشعرات NTC (للحصول على درجة الحرارة)، ومستشعرات أخرى (للحصول على ضغط الغاز، والدخان، وما إلى ذلك).

بعد الحصول على الإشارات، يتم دمجها مع نماذج كهروكيميائية وخوارزميات تقدير متقدمة (مثل مرشح كالمان الموسع، ومراقب الوضع المنزلق، وما إلى ذلك) لتقدير حالة شحن البطارية (SOC)، وحالة صحة البطارية (SOH)، وحالة طاقة البطارية (SOP)، وحالة طاقة البطارية (SOE)، وحالة أمان البطارية (SOS) في الوقت الفعلي.

بناءً على معلمات الحالة هذه،

أ) لحزمة البطارية نفسها:

يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بالتحكم في تحسين طاقة شحن وتفريغ البطارية وإدارتها، ويحد من مدة الشحن/التفريغ، ويتفاعل عبر أوامر التحكم والاتصالات ووظائف التشخيص لتحقيق إدارة فعالة للحالة الداخلية للبطارية.

ب) للأنظمة الخارجية:

من خلال وظائف الاتصال والتشخيص، ينشر نظام إدارة البطارية (BMS) معلومات الحالة الرئيسية وأوامر التحكم إلى السيارة والشاحن، مما يضمن التشغيل المنسق بين البطارية والأنظمة الخارجية.

02 بنية نظام إدارة البطارية (BMS)

(1) البنى المركزية والموزعة

يدمج نظام إدارة البطارية المركزي (BMS) الوحدات الوظيفية الثلاث - وحدة مراقبة الخلية (CMC)، ووحدة مراقبة الجهد العالي (HVMU)، ووحدة إدارة البطارية (BMU) - على لوحة دوائر واحدة أو وحدة تحكم متكاملة، لتشكيل بنية "تحكم نقطة واحدة".

ينتج عن نظام إدارة البطارية المركزي بنية نظام مدمجة، وتقليل الكابلات، وبصمة أصغر، وتكلفة إجمالية أقل نسبيًا. ومع ذلك، نظرًا لأن وحدات الجهد العالي والجهد المنخفض موجودة على نفس لوحة الدوائر، يجب إيلاء اهتمام خاص للعزل الكهربائي وفواصل الأمان.

يقوم نظام إدارة البطارية الموزع (BMS) بتفويض وظيفة الاستحواذ إلى وحدات البطارية الفردية. تحقق وحدات التحكم الرئيسية المتعددة (CMCs) أخذ العينات الموزعة والمعالجة الأولية للبيانات، بينما تكون وحدة التحكم الرئيسية (BMU/BCU) مسؤولة عن الإدارة والجدولة على مستوى النظام، مما يشكل بنية "استحواذ متعدد النقاط، معالجة مركزية". يمكن لهذا أن يلبي متطلبات أنظمة البطاريات ذات السعة الكبيرة، مثل قنوات الاستحواذ العديدة ووضع الوحدات المتباعدة.

كما يتضح من الشكل أعلاه، فإن ما يسمى بالبنية الموزعة يضيف في الأساس طبقة من الأنظمة الفرعية للإدارة في المنتصف. تكون هذه الأنظمة الصغيرة مسؤولة بشكل أساسي عن جمع المعلومات من جزء من الخلايا، ثم الإبلاغ عنها عبر ناقل إلى لوحة تحكم نظام إدارة البطارية (BMS). تقوم لوحة تحكم نظام إدارة البطارية (BMS) بعد ذلك بتنفيذ تدابير حماية شاملة، وحسابات حالة الشحن، ووظائف إدارة أخرى بناءً على المعلومات المبلغ عنها.

ببساطة، يشبه الهيكل التنظيمي للشركة. عندما يزداد عدد الأشخاص، تصبح الإدارة المسطحة غير موثوقة في أنظمة إدارة البطاريات واسعة النطاق. لذلك، لمشاركة عبء العمل على لوحة الإدارة الأساسية، يتم تعيين بعض المهام الفرعية لوحدات CSC (دوائر الإشراف على الخلايا) للإدارة المميزة.

يمكن تقسيم نظام إدارة البطاريات الموزع (BMS) بشكل أكبر إلى: موزع من النوع النجمي، وموزع من النوع الناقل، وموزع من النوع المتسلسل.

موزع من النوع النجمي: تقع وحدة التحكم في البطارية (BMU) مركزيًا، مع توصيل كل وحدة تحكم في الخلية (CMC) مباشرة بوحدة التحكم في البطارية (BMU) عبر رابط اتصال مستقل. يوفر هذا الهيكل روابط اتصال مستقلة مع قدرة قوية على مقاومة التداخل. ومع ذلك، فإنه يتطلب وحدة تركيز ناقل، مما يجعل إدارة الأسلاك والواجهات معقدة نسبيًا.

موزع من نوع الناقل (Bus-type Distributed): تتواصل وحدات CMC المتعددة مع وحدة BMU عبر ناقل CAN (وهي حاليًا طريقة الاتصال الأكثر استخدامًا لنظام إدارة البطارية BMS). نظرًا لأن جميع وحدات CMC تشترك في الناقل، فإن استهلاك الطاقة بين العقد يكون متوازنًا نسبيًا. ومع ذلك، يعتمد النظام بشكل كبير على سلامة الناقل؛ فإذا فشل الناقل، فقد ينقطع الاتصال العام.

موزع بسلسلة متصلة (Daisy-chain Distributed): يتم توصيل وحدات CMC المتعددة بالتوالي في سلسلة، ويتم نقل البيانات خطوة بخطوة على طول الرابط إلى وحدة BMU. يوفر هذا الهيكل رابط اتصال بسيطًا، مما يوفر موارد الأسلاك. وهو مناسب للأنظمة التي تحتوي على العديد من الوحدات وهيكل بطارية ذي طبقات واضحة.

(2) تقسيم وظيفي

لضمان قابلية التوسع، وقابلية التعديل، والموثوقية العالية، يمكن تقسيم نظام إدارة البطارية BMS بشكل عام إلى ثلاث طبقات، كما هو موضح في الشكل أدناه.

أ) الطبقة الفيزيائية: مسؤولة عن الحصول على الحالات الخارجية القابلة للقياس مباشرة أثناء تشغيل البطارية، مثل الجهد والتيار ودرجة حرارة السطح وما إلى ذلك، مما يوفر دعمًا للبيانات للطبقات العليا.

ب) الطبقة الأساسية: مسؤولة عن تقدير الحالات الداخلية غير القابلة للقياس للبطارية من خلال النماذج والخوارزميات، مثل شحن وتفريغ البطارية (SOC) ودرجة حرارة الخلية الداخلية. هذا هو الجزء الحاسم من النظام.

ج) طبقة الإدارة: تستخدم معلومات الحالة الداخلية التي توفرها الطبقة الأساسية لتحقيق إدارة معقولة لشحن/تفريغ البطارية والتنبؤ بظروف التشغيل المستقبلية، مما يضمن تشغيل البطارية بأمان وكفاءة.

03 الهيكل المادي لنظام إدارة البطارية (BMS)

تعد البنية المادية لنظام إدارة البطارية (BMS) الحامل المادي لوظائف نظامه. يؤثر تصميم الأجهزة بشكل مباشر على دقة النظام وموثوقيته وتكلفته. يتبنى تصميم الأجهزة النموذجي لنظام إدارة البطارية بنية موزعة، تشمل بشكل أساسي وحدة التحكم الرئيسية (BMU)، ووحدات التحكم التابعة (CSCs)، وشبكات المستشعرات، ودوائر التشغيل/الحماية.

(1) وحدة التحكم الرئيسية

وحدة التحكم الرئيسية (MCU): معالج عالي الأداء يدعم مستوى السلامة الوظيفية ASIL-D.

الذاكرة: ذاكرة الفلاش تخزن تكوينات المعلمات وسجلات الأخطاء؛ تستخدم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتخزين البيانات في الوقت الفعلي مؤقتًا.

مصدر طاقة معزول: يوفر الطاقة لوحدة التحكم الرئيسية (BMU) عبر وحدة عزل DC/DC (جهد الدخل غالبًا 12 فولت/24 فولت، والخرج 3.3 فولت/5 فولت).

واجهات الاتصال: مرسلات ومستقبلات CAN، شرائح Ethernet PHY.

(2) وحدات التحكم التابعة

شرائح AFE: شرائح الواجهة الأمامية التناظرية المخصصة لمراقبة الخلايا المتصلة على التوالي.

دائرة أخذ عينات الجهد: مفتاح مضاعف إرسال + محول رقمي تناظري دقيق، باستخدام أخذ عينات تفاضلي لتقليل الضوضاء.

دائرة اكتساب درجة الحرارة: مقاوم حراري NTC + شبكة مقسم جهد، أو مستشعرات درجة حرارة رقمية.

دائرة الموازنة: موازنة سلبية: MOSFET + مقاوم طاقة؛ موازنة نشطة: DC/DC ثنائي الاتجاه أو مصفوفات مكثفات.

(3) المستشعرات

مستشعرات هول: قياس بدون تلامس، دقة ±0.5% (تستخدم للكشف عن التيار الكلي).

مقاومات التحويل: حل منخفض التكلفة للكشف عن التيار، يحقق دقة ±0.5% عند اقترانه بمضخم تفاضلي.

مستشعرات درجة الحرارة: مستشعرات NTC/PTC موضوعة في مواقع رئيسية مثل أسطح الخلايا، وقضبان التوصيل، والمشتتات الحرارية.

(4) دوائر التشغيل والحماية

المرحلات ودائرة الشحن المسبق:

المرحلات الرئيسية: مرحلات تيار مستمر عالي الجهد تتحكم في دائرة شحن/تفريغ حزمة البطارية.

دائرة الشحن المسبق: تستخدم مقاوم شحن مسبق + موصل لبدء التشغيل الناعم، مما يمنع تيار الاندفاع أثناء التشغيل.

الصمامات وقواطع الدائرة:

الصمام الرئيسي: نوع سريع العمل للحماية من أعطال الدائرة القصيرة.

الحماية الثانوية: صمامات قابلة لإعادة الضبط (PPTC) لمنع التيار الزائد الموضعي.