প্যাক ম্যানুফ্যাকচারিং প্রসেস সিরিজ: ব্যাটারি প্যাক BMS-এর মূল ফাংশন, সিস্টেম আর্কিটেকচার এবং হার্ডওয়্যার স্ট্রাকচার

পাওয়ার ব্যাটারি প্যাক এবং এনার্জি স্টোরেজ ব্যাটারি প্যাক উভয়টিতেই সাধারণত কয়েক ডজন বা এমনকি শত শত অভ্যন্তরীণ সেল থাকে। এত বিপুল সংখ্যক সেল পরিচালনা করার জন্য, ব্যাটারি ম্যানেজমেন্ট সিস্টেম (BMS) একটি অপরিহার্য মূল প্রযুক্তি হয়ে উঠেছে।

বলা যেতে পারে, BMS হল ব্যাটারি প্যাকের "মস্তিষ্ক"। এর কাজ হল কর্মী এবং ব্যাটারির নিরাপত্তা নিশ্চিত করা, পাওয়ার বা এনার্জি স্টোরেজ প্রয়োজনীয়তা পূরণ করা এবং ব্যাটারির আয়ু বাড়ানো।

০1 বিএমএস-এর মূল কার্যাবলী

বিএমএস-এর মূল কাজ হল রিয়েল-টাইমে ব্যাটারির ভোল্টেজ, তাপমাত্রা এবং কারেন্ট পর্যবেক্ষণ করা, স্টেট অফ চার্জ (SOC) অনুমান এবং ব্যালেন্সিং নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে ব্যাটারির কর্মক্ষমতা অপ্টিমাইজ করা, পাশাপাশি ওভারভোল্টেজ, ওভারকারেন্ট এবং ওভারটেম্পারেচার সুরক্ষার মতো ফল্ট সুরক্ষা ফাংশনগুলিও থাকা।

BMS-এর মূল কাজ হলো সেলগুলির অবস্থা অনুমান করা। এই কাজটি সম্পন্ন করার জন্য একটি অ্যানালগ ফ্রন্ট-এন্ড (AFE) চিপ (ভোল্টেজ সংগ্রহের জন্য), হল সেন্সর (কারেন্ট সংগ্রহের জন্য), NTC সেন্সর (তাপমাত্রা সংগ্রহের জন্য) এবং অন্যান্য সেন্সর (গ্যাস চাপ, ধোঁয়া ইত্যাদি সংগ্রহের জন্য) প্রয়োজন।

সংকেতগুলি সংগ্রহ করার পর, সেগুলিকে ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল মডেল এবং উন্নত অনুমান অ্যালগরিদম (যেমন এক্সটেন্ডেড কালম্যান ফিল্টার, স্লাইডিং মোড অবজারভার ইত্যাদি) এর সাথে একত্রিত করে রিয়েল-টাইমে ব্যাটারির স্টেট অফ চার্জ (SOC), স্টেট অফ হেলথ (SOH), স্টেট অফ পাওয়ার (SOP), স্টেট অফ এনার্জি (SOE) এবং স্টেট অফ সেফটি (SOS) অনুমান করা হয়।

এই স্টেট প্যারামিটারগুলির উপর ভিত্তি করে,

ক) ব্যাটারি প্যাকের জন্য:

BMS ব্যাটারির চার্জ এবং ডিসচার্জ পাওয়ারের অপ্টিমাইজেশন নিয়ন্ত্রণ ও পরিচালনা করে, চার্জ/ডিসচার্জের সময়সীমা সীমিত করে এবং ব্যাটারির অভ্যন্তরীণ অবস্থার কার্যকর ব্যবস্থাপনা অর্জনের জন্য কন্ট্রোল কমান্ড, যোগাযোগ এবং ডায়াগনস্টিক ফাংশনের মাধ্যমে ইন্টারঅ্যাক্ট করে।

খ) বাহ্যিক সিস্টেমের জন্য:

যোগাযোগ এবং ডায়াগনস্টিক ফাংশনের মাধ্যমে, বিএমএস গাড়ির এবং চার্জারের কাছে মূল স্ট্যাটাস তথ্য এবং নিয়ন্ত্রণ কমান্ড সরবরাহ করে, যা ব্যাটারি এবং বাহ্যিক সিস্টেমগুলির মধ্যে সমন্বিত অপারেশন নিশ্চিত করে।

০২ বিএমএস সিস্টেম আর্কিটেকচার

(১) কেন্দ্রীভূত এবং বিতরণকৃত আর্কিটেকচার

কেন্দ্রীয় বিএমএস (BMS) তিনটি কার্যকরী মডিউল - সেল মনিটরিং ইউনিট (CMC), হাই ভোল্টেজ মনিটরিং ইউনিট (HVMU), এবং ব্যাটারি ম্যানেজমেন্ট ইউনিট (BMU) - কে একটি একক সার্কিট বোর্ডে বা একটি সমন্বিত কন্ট্রোলারে একত্রিত করে, যা একটি "একক-বিন্দু নিয়ন্ত্রণ" আর্কিটেকচার তৈরি করে।

কেন্দ্রীয় বিএমএস (BMS) একটি কম্প্যাক্ট সিস্টেম কাঠামো, হ্রাসকৃত ক্যাবলিং, ছোট আকার এবং তুলনামূলকভাবে কম সামগ্রিক খরচ তৈরি করে। তবে, যেহেতু হাই-ভোল্টেজ এবং লো-ভোল্টেজ মডিউলগুলি একই সার্কিট বোর্ডে থাকে, তাই বৈদ্যুতিক বিচ্ছিন্নতা এবং সুরক্ষা দূরত্বের প্রতি বিশেষ মনোযোগ দিতে হবে।

ডিস্ট্রিবিউটেড বিএমএস (BMS) পৃথক ব্যাটারি মডিউলগুলিতে অধিগ্রহণ (acquisition) ফাংশন অর্পণ করে। একাধিক স্লেভ কন্ট্রোল ইউনিট (CMCs) ডিস্ট্রিবিউটেড স্যাম্পলিং এবং প্রাথমিক ডেটা প্রক্রিয়াকরণ অর্জন করে, যখন মাস্টার কন্ট্রোল ইউনিট (BMU/BCU) সিস্টেম-স্তরের ব্যবস্থাপনা এবং সময়সূচী (scheduling) জন্য দায়ী থাকে, যা একটি "মাল্টি-পয়েন্ট অধিগ্রহণ, কেন্দ্রীভূত প্রক্রিয়াকরণ" আর্কিটেকচার গঠন করে। এটি বৃহৎ-ক্ষমতার ব্যাটারি সিস্টেমের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে পারে, যেমন অসংখ্য অধিগ্রহণ চ্যানেল এবং বিক্ষিপ্ত মডিউল স্থাপন।

উপরের চিত্র থেকে দেখা যায়, তথাকথিত ডিস্ট্রিবিউটেড আর্কিটেকচার মূলত মাঝখানে একটি ম্যানেজমেন্ট সাব-সিস্টেমের স্তর যুক্ত করে। এই ছোট সিস্টেমগুলি প্রাথমিকভাবে কোষের একটি অংশ থেকে তথ্য সংগ্রহের জন্য দায়ী থাকে, তারপর একটি বাসের মাধ্যমে বিএমএস কন্ট্রোল বোর্ডে রিপোর্ট করে। বিএমএস কন্ট্রোল বোর্ড তখন রিপোর্ট করা তথ্যের ভিত্তিতে ব্যাপক সুরক্ষা ব্যবস্থা, চার্জের অবস্থা (state-of-charge) গণনা এবং অন্যান্য ব্যবস্থাপনা ফাংশন বাস্তবায়ন করে।

সহজ কথায়, এটি একটি কোম্পানির সাংগঠনিক কাঠামোর মতোই। যখন মানুষের সংখ্যা বৃদ্ধি পায়, তখন বড় আকারের ব্যাটারি ম্যানেজমেন্ট সিস্টেমে ফ্ল্যাট ম্যানেজমেন্ট (flat management) নির্ভরযোগ্য থাকে না। তাই, কোর ম্যানেজমেন্ট বোর্ডের লোড ভাগ করে নেওয়ার জন্য, কিছু সাব-টাস্ক (sub-tasks) প্রিভিলেজড ম্যানেজমেন্টের (privileged management) জন্য সিএসসি মডিউলগুলিতে (CSC modules - Cell Supervision Circuits) বরাদ্দ করা হয়।

ডিস্ট্রিবিউটেড বিএমএস (Distributed BMS) কে আরও উপ-বিভক্ত করা যেতে পারে: স্টার-টাইপ ডিস্ট্রিবিউটেড (Star-type Distributed), বাস-টাইপ ডিস্ট্রিবিউটেড (Bus-type Distributed), এবং ডেইজি-চেইন ডিস্ট্রিবিউটেড (Daisy-chain Distributed)।

স্টার-টাইপ ডিস্ট্রিবিউটেড (Star-type Distributed): বিএমইউ (BMU) কেন্দ্রীয়ভাবে অবস্থিত থাকে, যেখানে প্রতিটি সিএমসি (CMC) একটি স্বাধীন যোগাযোগ লিঙ্কের মাধ্যমে সরাসরি বিএমইউ-এর সাথে সংযুক্ত থাকে। এই কাঠামোটি শক্তিশালী অ্যান্টি-ইন্টারফারেন্স ক্ষমতা (anti-interference capability) সহ স্বাধীন যোগাযোগ লিঙ্ক সরবরাহ করে। তবে, এর জন্য একটি বাস কনসেন্ট্রেশন মডিউল (bus concentration module) প্রয়োজন হয়, যা ওয়্যারিং (wiring) এবং ইন্টারফেস ম্যানেজমেন্টকে (interface management) তুলনামূলকভাবে জটিল করে তোলে।

বাস-টাইপ ডিস্ট্রিবিউটেড: একাধিক সিএমসি (CMC) একটি ক্যান বাস (CAN bus) এর মাধ্যমে বিএমইউ (BMU) এর সাথে যোগাযোগ করে (বর্তমানে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত বিএমএস (BMS) যোগাযোগ পদ্ধতি)। যেহেতু সমস্ত সিএমসি বাস ভাগ করে নেয়, তাই নোডগুলির মধ্যে পাওয়ার খরচ তুলনামূলকভাবে ভারসাম্যপূর্ণ থাকে। তবে, সিস্টেমটি বাসের স্বাস্থ্যের উপর ব্যাপকভাবে নির্ভরশীল; যদি বাস ব্যর্থ হয়, তবে সামগ্রিক যোগাযোগ ব্যাহত হতে পারে।

ডেইজি-চেইন ডিস্ট্রিবিউটেড: একাধিক সিএমসি (CMC) একটি চেইনে সিরিজে সংযুক্ত থাকে, যেখানে ডেটা লিঙ্ক বরাবর হপ-বাই-হপ বিএমইউ (BMU) তে স্থানান্তরিত হয়। এই কাঠামো একটি সহজ যোগাযোগ লিঙ্ক সরবরাহ করে, তারের সংস্থান বাঁচায়। এটি অনেক মডিউল এবং একটি স্পষ্ট স্তরযুক্ত ব্যাটারি কাঠামোর সিস্টেমের জন্য উপযুক্ত।

(২) কার্যকরী স্তরবিন্যাস

মডুলারিটি, স্কেলেবিলিটি এবং উচ্চ নির্ভরযোগ্যতা নিশ্চিত করার জন্য, বিএমএস (BMS) সাধারণত তিনটি স্তরে বিভক্ত করা যেতে পারে, যেমনটি নিচের চিত্রে দেখানো হয়েছে।

ক) ফিজিক্যাল লেয়ার: ব্যাটারি অপারেশনের সময় সরাসরি পরিমাপযোগ্য বাহ্যিক অবস্থা, যেমন ভোল্টেজ, কারেন্ট, সারফেস টেম্পারেচার ইত্যাদি অর্জনের জন্য দায়ী, যা উপরের লেয়ারগুলির জন্য ডেটা সহায়তা প্রদান করে।

খ) কোর লেয়ার: মডেল এবং অ্যালগরিদম ব্যবহার করে ব্যাটারির অভ্যন্তরীণভাবে অপরিমাপযোগ্য অবস্থা, যেমন SOC এবং অভ্যন্তরীণ সেল টেম্পারেচার অনুমান করার জন্য দায়ী। এটি সিস্টেমের একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ।

গ) ম্যানেজমেন্ট লেয়ার: কোর লেয়ার দ্বারা সরবরাহকৃত অভ্যন্তরীণ অবস্থা তথ্য ব্যবহার করে ব্যাটারির চার্জিং/ডিসচার্জিং এর যুক্তিসঙ্গত ব্যবস্থাপনা এবং ভবিষ্যতের অপারেটিং অবস্থার পূর্বাভাস অর্জন করে, যা নিরাপদ এবং দক্ষ ব্যাটারি অপারেশন নিশ্চিত করে।

০৩ বিএমএস এর হার্ডওয়্যার কাঠামো

বিএমএস হার্ডওয়্যার আর্কিটেকচার হল এর সিস্টেম ফাংশনগুলির ভৌত বাহক। হার্ডওয়্যার ডিজাইন সরাসরি সিস্টেমের নির্ভুলতা, নির্ভরযোগ্যতা এবং ব্যয়ের উপর প্রভাব ফেলে। একটি সাধারণ বিএমএস হার্ডওয়্যার ডিজাইন একটি ডিস্ট্রিবিউটেড আর্কিটেকচার গ্রহণ করে, যার মধ্যে প্রধানত মাস্টার কন্ট্রোল ইউনিট (বিএমইউ), স্লেভ কন্ট্রোল ইউনিট (সিএসসি), সেন্সর নেটওয়ার্ক এবং অ্যাকচুয়েশন/প্রোটেকশন সার্কিট অন্তর্ভুক্ত থাকে।

(১) মাস্টার কন্ট্রোল ইউনিট

প্রধান কন্ট্রোল এমসিইউ: একটি উচ্চ-কার্যকারিতা সম্পন্ন প্রসেসর যা এএসআইএল-ডি (ASIL-D) ফাংশনাল সেফটি লেভেল সমর্থন করে।

মেমরি: ফ্ল্যাশ মেমরি প্যারামিটার কনফিগারেশন এবং ফল্ট লগ সংরক্ষণ করে; র‍্যাম (RAM) রিয়েল-টাইম ডেটা বাফারিংয়ের জন্য ব্যবহৃত হয়।

আইসোলেটেড পাওয়ার সাপ্লাই: একটি ডিসি/ডিসি (DC/DC) আইসোলেশন মডিউলের মাধ্যমে বিএমইউ-তে পাওয়ার সরবরাহ করে (ইনপুট ভোল্টেজ প্রায়শই ১২ভি/২৪ভি, আউটপুট ৩.৩ভি/৫ভি)।

কমিউনিকেশন ইন্টারফেস: ক্যান (CAN) ট্রান্সসিভার, ইথারনেট পিএইচওয়াই (Ethernet PHY) চিপস।

(২) স্লেভ কন্ট্রোল ইউনিট

এএফই (AFE) চিপস: সিরিজ-সংযুক্ত সেলগুলি পর্যবেক্ষণের জন্য ডেডিকেটেড অ্যানালগ ফ্রন্ট-এন্ড (Analog Front-End) চিপস।

ভোল্টেজ স্যাম্পলিং সার্কিট: মাল্টিপ্লেক্সার সুইচ + প্রিসিশন ADC, নয়েজ কমাতে ডিফারেনশিয়াল স্যাম্পলিং ব্যবহার করে।

তাপমাত্রা অধিগ্রহণ সার্কিট: NTC থার্মিস্টর + ভোল্টেজ ডিভাইডার নেটওয়ার্ক, অথবা ডিজিটাল তাপমাত্রা সেন্সর।

ব্যালান্সিং সার্কিট: প্যাসিভ ব্যালান্সিং: MOSFET + পাওয়ার রেজিস্টর; অ্যাক্টিভ ব্যালান্সিং: বাইডিরেকশনাল DC/DC বা ক্যাপাসিটর অ্যারে।

(৩) সেন্সর

হল সেন্সর: নন-কন্টাক্ট পরিমাপ, নির্ভুলতা ±০.৫% (মোট কারেন্ট সনাক্তকরণের জন্য ব্যবহৃত)।

শান্ট রেজিস্টর: কম খরচে কারেন্ট সনাক্তকরণ সমাধান, ডিফারেনশিয়াল এমপ্লিফায়ারের সাথে যুক্ত হলে ±০.৫% নির্ভুলতা অর্জন করে।

তাপমাত্রা সেন্সর: সেল সারফেস, বাসবার এবং হিট সিঙ্কের মতো মূল স্থানগুলিতে NTC/PTC সেন্সর স্থাপন করা হয়।

(৪) অ্যাকচুয়েশন এবং সুরক্ষা সার্কিট

রিলে এবং প্রি-চার্জ সার্কিট:

প্রধান রিলে: উচ্চ-ভোল্টেজ ডিসি রিলে যা ব্যাটারি প্যাকের চার্জ/ডিসচার্জ সার্কিট নিয়ন্ত্রণ করে।

প্রি-চার্জ সার্কিট: পাওয়ার-অন করার সময় ইনরাশ কারেন্ট প্রতিরোধ করার জন্য সফট-স্টার্টের জন্য একটি প্রি-চার্জ রেজিস্টর + কন্টাক্টর ব্যবহার করে।

ফিউজ এবং সার্কিট ব্রেকার:

প্রধান ফিউজ: শর্ট-সার্কিট ত্রুটির সুরক্ষার জন্য ফাস্ট-অ্যাক্টিং টাইপ।

সেকেন্ডারি সুরক্ষা: স্থানীয় ওভারকারেন্ট প্রতিরোধ করার জন্য রিসেটেবল ফিউজ (PPTC)।