पैक निर्माण प्रक्रिया श्रृंखला: बैटरी पैक बीएमएस के मुख्य कार्य, सिस्टम आर्किटेक्चर और हार्डवेयर संरचना

पावर बैटरी पैक और एनर्जी स्टोरेज बैटरी पैक दोनों में आमतौर पर दर्जनों या सैकड़ों आंतरिक सेल होते हैं। इतनी बड़ी संख्या में सेल को प्रबंधित करने के लिए, बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) एक अनिवार्य प्रमुख तकनीक बन गई है।

यह कहा जा सकता है कि बीएमएस बैटरी पैक का "मस्तिष्क" है। इसके कार्य कर्मियों और बैटरी की सुरक्षा सुनिश्चित करना, पावर या एनर्जी स्टोरेज की आवश्यकताओं को पूरा करना और बैटरी जीवन का विस्तार करना है।

01 बीएमएस के मुख्य कार्य

बीएमएस का मुख्य कार्य बैटरी वोल्टेज, तापमान और करंट की वास्तविक समय में निगरानी करना, चार्ज की स्थिति (एसओसी) अनुमान और संतुलन नियंत्रण के माध्यम से बैटरी प्रदर्शन को अनुकूलित करना है, साथ ही ओवरवॉल्टेज, ओवरकरंट और ओवरटेम्परेचर प्रोटेक्शन जैसे फॉल्ट प्रोटेक्शन फंक्शन भी हैं।

सेलों की स्थिति का अनुमान लगाना BMS का मुख्य कार्य है। इस कार्य को प्राप्त करने के लिए एक एनालॉग फ्रंट-एंड (AFE) चिप (वोल्टेज अधिग्रहण के लिए), हॉल सेंसर (करंट अधिग्रहण के लिए), NTC सेंसर (तापमान अधिग्रहण के लिए), और अन्य सेंसर (गैस दबाव, धुआं आदि प्राप्त करने के लिए) की आवश्यकता होती है।

सिग्नल प्राप्त करने के बाद, उन्हें इलेक्ट्रोकेमिकल मॉडल और उन्नत अनुमान एल्गोरिदम (जैसे एक्सटेंडेड कलमन फ़िल्टर, स्लाइडिंग मोड ऑब्जर्वर, आदि) के साथ जोड़ा जाता है ताकि बैटरी के स्टेट ऑफ चार्ज (SOC), स्टेट ऑफ हेल्थ (SOH), स्टेट ऑफ पावर (SOP), स्टेट ऑफ एनर्जी (SOE), और स्टेट ऑफ सेफ्टी (SOS) का वास्तविक समय में अनुमान लगाया जा सके।

इन स्थिति मापदंडों के आधार पर,

क) बैटरी पैक के लिए स्वयं:

BMS बैटरी की चार्ज और डिस्चार्ज पावर के अनुकूलन को नियंत्रित और प्रबंधित करता है, चार्ज/डिस्चार्ज अवधि को सीमित करता है, और बैटरी की आंतरिक स्थिति के प्रभावी प्रबंधन को प्राप्त करने के लिए नियंत्रण कमांड, संचार और नैदानिक ​​कार्यों के माध्यम से इंटरैक्ट करता है।

ख) बाहरी प्रणालियों के लिए:

संचार और डायग्नोस्टिक कार्यों के माध्यम से, बीएमएस वाहन और चार्जर को महत्वपूर्ण स्थिति जानकारी और नियंत्रण कमांड प्रसारित करता है, जिससे बैटरी और बाहरी प्रणालियों के बीच समन्वित संचालन सुनिश्चित होता है।

02 बीएमएस की सिस्टम आर्किटेक्चर

(1) केंद्रीकृत और वितरित आर्किटेक्चर

केंद्रीकृत बीएमएस (BMS) तीन कार्यात्मक मॉड्यूल - सेल मॉनिटरिंग यूनिट (CMC), हाई वोल्टेज मॉनिटरिंग यूनिट (HVMU), और बैटरी मैनेजमेंट यूनिट (BMU) - को एक ही सर्किट बोर्ड या एकीकृत नियंत्रक पर एकीकृत करता है, जिससे "एकल-बिंदु नियंत्रण" वास्तुकला बनती है।

केंद्रीकृत बीएमएस (BMS) के परिणामस्वरूप एक कॉम्पैक्ट सिस्टम संरचना, कम केबलिंग, छोटा फुटप्रिंट और अपेक्षाकृत कम समग्र लागत होती है। हालांकि, चूंकि हाई-वोल्टेज और लो-वोल्टेज मॉड्यूल एक ही सर्किट बोर्ड पर होते हैं, इसलिए विद्युत अलगाव (electrical isolation) और सुरक्षा क्लीयरेंस (safety clearances) पर विशेष ध्यान देना चाहिए।

वितरित बीएमएस (BMS) व्यक्तिगत बैटरी मॉड्यूल तक अधिग्रहण कार्य सौंपता है। कई स्लेव कंट्रोल यूनिट (CMCs) वितरित नमूनाकरण और प्रारंभिक डेटा प्रसंस्करण प्राप्त करते हैं, जबकि मास्टर कंट्रोल यूनिट (BMU/BCU) सिस्टम-स्तरीय प्रबंधन और शेड्यूलिंग के लिए जिम्मेदार होती है, जो "बहु-बिंदु अधिग्रहण, केंद्रीकृत प्रसंस्करण" वास्तुकला का निर्माण करती है। यह बड़े क्षमता वाले बैटरी सिस्टम की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है, जैसे कि कई अधिग्रहण चैनल और बिखरे हुए मॉड्यूल प्लेसमेंट।

जैसा कि ऊपर दिए गए चित्र से देखा जा सकता है, तथाकथित वितरित वास्तुकला अनिवार्य रूप से बीच में प्रबंधन उप-प्रणालियों की एक परत जोड़ती है। ये छोटी प्रणालियाँ मुख्य रूप से कोशिकाओं के एक हिस्से से जानकारी एकत्र करने के लिए जिम्मेदार होती हैं, फिर बस के माध्यम से बीएमएस नियंत्रण बोर्ड को रिपोर्ट करती हैं। बीएमएस नियंत्रण बोर्ड तब रिपोर्ट की गई जानकारी के आधार पर व्यापक सुरक्षा उपाय, चार्ज की स्थिति की गणना और अन्य प्रबंधन कार्य लागू करता है।

सीधे शब्दों में कहें तो यह एक कंपनी की संगठनात्मक संरचना के समान है। जब लोगों की संख्या बढ़ती है, तो बड़े पैमाने पर बैटरी प्रबंधन प्रणालियों में फ्लैट प्रबंधन अविश्वसनीय हो जाता है। इसलिए, मुख्य प्रबंधन बोर्ड के भार को साझा करने के लिए, कुछ उप-कार्य विशेषाधिकार प्राप्त प्रबंधन के लिए CSC मॉड्यूल (सेल सुपरविजन सर्किट) को सौंपे जाते हैं।

वितरित बीएमएस को आगे उप-विभाजित किया जा सकता है: स्टार-प्रकार वितरित, बस-प्रकार वितरित, और डेज़ी-चेन वितरित।

स्टार-प्रकार वितरित: बीएमयू (BMU) केंद्रीय रूप से स्थित होता है, जिसमें प्रत्येक सीएमसी (CMC) एक स्वतंत्र संचार लिंक के माध्यम से सीधे बीएमयू से जुड़ा होता है। यह संरचना मजबूत हस्तक्षेप-रोधी क्षमता के साथ स्वतंत्र संचार लिंक प्रदान करती है। हालांकि, इसके लिए एक बस एकाग्रता मॉड्यूल की आवश्यकता होती है, जिससे वायरिंग और इंटरफ़ेस प्रबंधन अपेक्षाकृत जटिल हो जाता है।

बस-प्रकार वितरित: एकाधिक सीएमसी बीएमयू के साथ एक सीएएन बस (वर्तमान में सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली बीएमएस संचार विधि) के माध्यम से संवाद करते हैं। चूंकि सभी सीएमसी बस साझा करते हैं, नोड्स के बीच बिजली की खपत अपेक्षाकृत संतुलित होती है। हालांकि, सिस्टम बस के स्वास्थ्य पर बहुत अधिक निर्भर करता है; यदि बस विफल हो जाती है, तो समग्र संचार बाधित हो सकता है।

डेज़ी-चेन वितरित: एकाधिक सीएमसी को एक श्रृंखला में क्रमिक रूप से जोड़ा जाता है, जिसमें डेटा बीएमयू तक लिंक के साथ हॉप-दर-हॉप प्रेषित होता है। यह संरचना एक सरल संचार लिंक प्रदान करती है, जिससे वायरिंग संसाधनों की बचत होती है। यह कई मॉड्यूल और स्पष्ट रूप से स्तरित बैटरी संरचना वाले सिस्टम के लिए उपयुक्त है।

(2) कार्यात्मक स्तरण

मॉड्यूलरिटी, स्केलेबिलिटी और उच्च विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए, बीएमएस को आम तौर पर तीन परतों में विभाजित किया जा सकता है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।

क) फिजिकल लेयर: बैटरी ऑपरेशन के दौरान सीधे मापने योग्य बाहरी अवस्थाओं, जैसे वोल्टेज, करंट, सतह का तापमान आदि को प्राप्त करने के लिए जिम्मेदार है, जो ऊपरी परतों के लिए डेटा सहायता प्रदान करता है।

ख) कोर लेयर: मॉडल और एल्गोरिदम के माध्यम से बैटरी की आंतरिक रूप से न मापने योग्य अवस्थाओं, जैसे SOC और आंतरिक सेल तापमान का अनुमान लगाने के लिए जिम्मेदार है। यह सिस्टम का महत्वपूर्ण हिस्सा है।

ग) मैनेजमेंट लेयर: बैटरी चार्जिंग/डिस्चार्जिंग के उचित प्रबंधन और भविष्य की ऑपरेटिंग स्थितियों की भविष्यवाणी को प्राप्त करने के लिए कोर लेयर द्वारा प्रदान की गई आंतरिक स्थिति की जानकारी का उपयोग करता है, जिससे सुरक्षित और कुशल बैटरी ऑपरेशन सुनिश्चित होता है।

03 बीएमएस की हार्डवेयर संरचना

बीएमएस हार्डवेयर आर्किटेक्चर इसके सिस्टम कार्यों का भौतिक वाहक है। हार्डवेयर डिज़ाइन सीधे सिस्टम की सटीकता, विश्वसनीयता और लागत को प्रभावित करता है। एक विशिष्ट बीएमएस हार्डवेयर डिज़ाइन एक वितरित आर्किटेक्चर अपनाता है, जिसमें मुख्य रूप से मास्टर कंट्रोल यूनिट (बीएमयू), स्लेव कंट्रोल यूनिट (सीएसयू), सेंसर नेटवर्क और एक्चुएशन/प्रोटेक्शन सर्किट शामिल हैं।

(1) मास्टर कंट्रोल यूनिट

मुख्य नियंत्रण एमसीयू: एएसआईएल-डी कार्यात्मक सुरक्षा स्तर का समर्थन करने वाला एक उच्च-प्रदर्शन प्रोसेसर।

मेमोरी: फ्लैश मेमोरी पैरामीटर कॉन्फ़िगरेशन और फॉल्ट लॉग संग्रहीत करती है; रैम का उपयोग रीयल-टाइम डेटा बफरिंग के लिए किया जाता है।

पृथक बिजली आपूर्ति: डीसी/डीसी आइसोलेशन मॉड्यूल के माध्यम से बीएमयू को बिजली की आपूर्ति करता है (इनपुट वोल्टेज अक्सर 12V/24V होता है, आउटपुट 3.3V/5V होता है)।

संचार इंटरफेस: कैन ट्रांसीवर, ईथरनेट पीईई चिप्स।

(2) स्लेव कंट्रोल यूनिट

एएफई चिप्स: श्रृंखला-जुड़े सेलों की निगरानी के लिए समर्पित एनालॉग फ्रंट-एंड चिप्स।

वोल्टेज सैंपलिंग सर्किट: मल्टीप्लेक्सर स्विच + प्रिसिजन ADC, नॉइज़ कम करने के लिए डिफरेंशियल सैंपलिंग का उपयोग करता है।

तापमान अधिग्रहण सर्किट: NTC थर्मिस्टर + वोल्टेज डिवाइडर नेटवर्क, या डिजिटल तापमान सेंसर।

संतुलन सर्किट: पैसिव बैलेंसिंग: MOSFET + पावर रेसिस्टर; एक्टिव बैलेंसिंग: बाईडायरेक्शनल DC/DC या कैपेसिटर एरे।

(3) सेंसर

हॉल सेंसर: नॉन-कॉन्टैक्ट माप, सटीकता ±0.5% (कुल करंट डिटेक्शन के लिए प्रयुक्त)।

शंट रेसिस्टर: कम लागत वाला करंट डिटेक्शन समाधान, डिफरेंशियल एम्पलीफायर के साथ ±0.5% सटीकता प्राप्त करता है।

तापमान सेंसर: सेल सतहों, बसबारों और हीट सिंक जैसे प्रमुख स्थानों पर NTC/PTC सेंसर लगाए जाते हैं।

(4) एक्चुएशन और प्रोटेक्शन सर्किट

रिले और प्री-चार्ज सर्किट:

मुख्य रिले: हाई-वोल्टेज डीसी रिले जो बैटरी पैक के चार्ज/डिस्चार्ज सर्किट को नियंत्रित करते हैं।

प्री-चार्ज सर्किट: पावर-ऑन के दौरान इनरश करंट को रोकने के लिए सॉफ्ट-स्टार्ट के लिए प्री-चार्ज रेसिस्टर + कॉन्टैक्टर का उपयोग करता है।

फ्यूज और सर्किट ब्रेकर:

मुख्य फ्यूज: शॉर्ट-सर्किट फॉल्ट प्रोटेक्शन के लिए फास्ट-एक्टिंग टाइप।

द्वितीयक सुरक्षा: स्थानीयकृत ओवरकरंट को रोकने के लिए रीसेट करने योग्य फ्यूज (PPTC)।