سری فرآیند تولید پک: عملکردهای اصلی، معماری سیستم و ساختار سخت‌افزاری BMS پک باتری

هر دو بسته باتری قدرت و بسته‌های باتری ذخیره انرژی معمولاً حاوی ده‌ها یا حتی صدها سلول داخلی هستند. برای مدیریت این تعداد زیاد سلول، سیستم مدیریت باتری (BMS) به یک فناوری کلیدی ضروری تبدیل شده است.

می‌توان گفت که BMS "مغز" بسته باتری است. وظایف آن تضمین ایمنی پرسنل و باتری، برآورده کردن الزامات قدرت یا ذخیره انرژی و افزایش طول عمر باتری است.

01 عملکردهای اصلی BMS

عملکرد اصلی BMS نظارت بر ولتاژ، دما و جریان باتری در زمان واقعی، بهینه‌سازی عملکرد باتری از طریق تخمین وضعیت شارژ (SOC) و کنترل تعادل است، در حالی که همچنین دارای عملکردهای حفاظت از خطا مانند حفاظت در برابر ولتاژ بیش از حد، جریان بیش از حد و دمای بیش از حد است.

تخمین وضعیت سلول‌ها، عملکرد اصلی BMS است. دستیابی به این عملکرد نیازمند تراشه Front-End آنالوگ (AFE) (برای اخذ ولتاژ)، سنسورهای هال (برای اخذ جریان)، سنسورهای NTC (برای اخذ دما) و سایر سنسورها (برای اخذ فشار گاز، دود و غیره) است.

پس از اخذ سیگنال‌ها، آن‌ها با مدل‌های الکتروشیمیایی و الگوریتم‌های تخمین پیشرفته (مانند فیلتر کالمن توسعه‌یافته، ناظر حالت لغزشی و غیره) ترکیب می‌شوند تا وضعیت شارژ (SOC)، وضعیت سلامت (SOH)، وضعیت توان (SOP)، وضعیت انرژی (SOE) و وضعیت ایمنی (SOS) باتری را به صورت بلادرنگ تخمین بزنند.

بر اساس این پارامترهای وضعیت،

الف) برای خود بسته باتری:

BMS بهینه‌سازی توان شارژ و دشارژ باتری را کنترل و مدیریت می‌کند، مدت زمان شارژ/دشارژ را محدود می‌کند و از طریق دستورات کنترلی، ارتباطات و عملکردهای تشخیصی تعامل می‌کند تا به مدیریت مؤثر وضعیت داخلی باتری دست یابد.

ب) برای سیستم‌های خارجی:

از طریق توابع ارتباطی و تشخیصی، BMS اطلاعات کلیدی وضعیت و دستورات کنترلی را به خودرو و شارژر منتشر می‌کند و از عملکرد هماهنگ بین باتری و سیستم‌های خارجی اطمینان حاصل می‌کند.

02 معماری سیستم BMS

(1) معماری‌های متمرکز و توزیع‌شده

سیستم مدیریت باتری (BMS) متمرکز، سه ماژول عملکردی - واحد نظارت سلول (CMC)، واحد نظارت ولتاژ بالا (HVMU) و واحد مدیریت باتری (BMU) - را بر روی یک برد مدار واحد یا یک کنترلر یکپارچه ادغام می‌کند و معماری "کنترل تک نقطه‌ای" را تشکیل می‌دهد.

سیستم مدیریت باتری (BMS) متمرکز منجر به ساختار سیستمی فشرده، کاهش کابل‌کشی، فضای اشغالی کمتر و هزینه کلی نسبتاً پایین‌تر می‌شود. با این حال، از آنجایی که ماژول‌های ولتاژ بالا و ولتاژ پایین بر روی یک برد مدار قرار دارند، باید به ایزولاسیون الکتریکی و فواصل ایمنی توجه ویژه‌ای شود.

سیستم مدیریت باتری توزیع‌شده (BMS) وظیفه جمع‌آوری داده را به ماژول‌های باتری منفرد واگذار می‌کند. واحدهای کنترل متعدد زیرمجموعه (CMC) نمونه‌برداری توزیع‌شده و پردازش اولیه داده‌ها را انجام می‌دهند، در حالی که واحد کنترل اصلی (BMU/BCU) مسئول مدیریت و زمان‌بندی در سطح سیستم است و معماری «جمع‌آوری چند نقطه‌ای، پردازش متمرکز» را تشکیل می‌دهد. این می‌تواند الزامات سیستم‌های باتری با ظرفیت بالا را برآورده کند، مانند کانال‌های جمع‌آوری متعدد و جانمایی پراکنده ماژول‌ها.

همانطور که از شکل بالا مشاهده می‌شود، معماری به اصطلاح توزیع‌شده اساساً یک لایه از زیرسیستم‌های مدیریتی را در وسط اضافه می‌کند. این سیستم‌های کوچک عمدتاً مسئول جمع‌آوری اطلاعات از بخشی از سلول‌ها هستند، سپس آن را از طریق یک گذرگاه به برد کنترل BMS گزارش می‌دهند. سپس برد کنترل BMS اقدامات حفاظتی جامع، محاسبات وضعیت شارژ و سایر عملکردهای مدیریتی را بر اساس اطلاعات گزارش‌شده پیاده‌سازی می‌کند.

به زبان ساده، شبیه به ساختار سازمانی یک شرکت است. هنگامی که تعداد افراد افزایش می یابد، مدیریت مسطح در سیستم های مدیریت باتری در مقیاس بزرگ غیرقابل اعتماد می شود. بنابراین، برای تقسیم بار هیئت مدیره مدیریت اصلی، برخی از وظایف فرعی به ماژول های CSC (مدارهای نظارت سلولی) برای مدیریت ممتاز اختصاص داده می شود.

BMS توزیع شده را می توان بیشتر به موارد زیر تقسیم کرد: توزیع شده ستاره ای، توزیع شده اتوبوسی و توزیع شده زنجیره ای.

توزیع شده ستاره ای: BMU به صورت مرکزی قرار دارد و هر CMC از طریق یک لینک ارتباطی مستقل مستقیماً به BMU متصل می شود. این ساختار لینک های ارتباطی مستقلی با قابلیت ضد تداخل قوی ارائه می دهد. با این حال، به یک ماژول تمرکز اتوبوس نیاز دارد و مدیریت سیم کشی و رابط را نسبتاً پیچیده می کند.

توزیع‌شده از نوع باس: چندین CMC از طریق یک باس CAN (در حال حاضر رایج‌ترین روش ارتباطی BMS) با BMU ارتباط برقرار می‌کنند. از آنجایی که همه CMCها باس را به اشتراک می‌گذارند، مصرف برق بین گره‌ها نسبتاً متعادل است. با این حال، سیستم به شدت به سلامت باس متکی است؛ اگر باس از کار بیفتد، ممکن است ارتباط کلی مختل شود.

توزیع‌شده از نوع زنجیره‌ای (Daisy-chain): چندین CMC به صورت سری در یک زنجیره به هم متصل می‌شوند و داده‌ها به صورت گام به گام در طول لینک به BMU منتقل می‌شوند. این ساختار یک لینک ارتباطی ساده را ارائه می‌دهد و منابع سیم‌کشی را صرفه‌جویی می‌کند. این روش برای سیستم‌هایی با ماژول‌های زیاد و ساختار باتری با لایه‌های مشخص مناسب است.

(۲) لایه‌بندی عملکردی

برای اطمینان از ماژولار بودن، مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان بالا، BMS به طور کلی می‌تواند به سه لایه تقسیم شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

الف) لایه فیزیکی: مسئول کسب وضعیت‌های خارجی قابل اندازه‌گیری مستقیماً در حین عملکرد باتری، مانند ولتاژ، جریان، دمای سطح و غیره، و ارائه پشتیبانی داده برای لایه‌های بالایی.

ب) لایه هسته: مسئول تخمین وضعیت‌های داخلی باتری که قابل اندازه‌گیری نیستند از طریق مدل‌ها و الگوریتم‌ها، مانند SOC و دمای داخلی سلول. این بخش حیاتی سیستم است.

ج) لایه مدیریت: از اطلاعات وضعیت داخلی ارائه شده توسط لایه هسته برای دستیابی به مدیریت معقول شارژ/دشارژ باتری و پیش‌بینی شرایط عملیاتی آینده استفاده می‌کند و از عملکرد ایمن و کارآمد باتری اطمینان حاصل می‌کند.

03 ساختار سخت‌افزاری BMS

معماری سخت‌افزار BMS حامل فیزیکی عملکردهای سیستم آن است. طراحی سخت‌افزار مستقیماً بر دقت، قابلیت اطمینان و هزینه سیستم تأثیر می‌گذارد. یک طراحی سخت‌افزار معمولی BMS معماری توزیع‌شده‌ای را اتخاذ می‌کند که عمدتاً شامل واحد کنترل اصلی (BMU)، واحدهای کنترل زیرمجموعه (CSC)، شبکه‌های حسگر و مدارهای محرک/حفاظتی است.

(۱) واحد کنترل اصلی

MCU کنترل اصلی: یک پردازنده با کارایی بالا که از سطح ایمنی عملکردی ASIL-D پشتیبانی می‌کند.

حافظه: حافظه فلش پیکربندی پارامترها و گزارش‌های خطا را ذخیره می‌کند؛ RAM برای بافر کردن داده‌های بلادرنگ استفاده می‌شود.

منبع تغذیه ایزوله: از طریق یک ماژول ایزولاسیون DC/DC (ولتاژ ورودی اغلب ۱۲ ولت/۲۴ ولت، خروجی ۳.۳ ولت/۵ ولت) به BMU برق می‌رساند.

رابط‌های ارتباطی: فرستنده-گیرنده‌های CAN، تراشه‌های Ethernet PHY.

(۲) واحدهای کنترل زیرمجموعه

تراشه‌های AFE: تراشه‌های اختصاصی Front-End آنالوگ برای نظارت بر سلول‌های متصل به صورت سری.

مدار نمونه‌برداری ولتاژ: سوئیچ مالتی‌پلکسر + ADC دقیق، با استفاده از نمونه‌برداری دیفرانسیلی برای کاهش نویز.

مدار جمع‌آوری دما: ترمیستور NTC + شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ، یا سنسورهای دمای دیجیتال.

مدار بالانسینگ: بالانسینگ پسیو: MOSFET + مقاومت توان؛ بالانسینگ اکتیو: مبدل‌های DC/DC دوطرفه یا آرایه‌های خازنی.

(3) سنسورها

سنسورهای اثر هال: اندازه‌گیری بدون تماس، دقت ±0.5% (برای تشخیص جریان کل استفاده می‌شود).

مقاومت‌های شنت: راه‌حل کم‌هزینه تشخیص جریان، با دستیابی به دقت ±0.5% هنگام جفت شدن با تقویت‌کننده دیفرانسیلی.

سنسورهای دما: سنسورهای NTC/PTC در مکان‌های کلیدی مانند سطح سلول‌ها، باس‌بارها و هیت‌سینک‌ها قرار می‌گیرند.

(4) مدارهای عملگر و حفاظتی

رله‌ها و مدار پیش‌شارژ:

رله‌های اصلی: رله‌های DC ولتاژ بالا که مدار شارژ/دشارژ بسته باتری را کنترل می‌کنند.

مدار پیش‌شارژ: از یک مقاومت پیش‌شارژ + کنتاکتور برای شروع نرم استفاده می‌کند و از جریان هجومی هنگام روشن شدن جلوگیری می‌کند.

فیوزها و قطع‌کننده‌های مدار:

فیوز اصلی: نوع سریع‌عمل برای حفاظت در برابر خطای اتصال کوتاه.

حفاظت ثانویه: فیوزهای قابل تنظیم مجدد (PPTC) برای جلوگیری از جریان بیش از حد موضعی.