ชุดกระบวนการผลิตแพ็ค: ฟังก์ชันหลัก สถาปัตยกรรมระบบ และโครงสร้างฮาร์ดแวร์ของ BMS แบตเตอรี่แพ็ค

ทั้งแบตเตอรี่แพ็คสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและแบตเตอรี่แพ็คสำหรับระบบกักเก็บพลังงาน โดยทั่วไปแล้วจะมีเซลล์ภายในหลายสิบหรือหลายร้อยเซลล์ เพื่อจัดการกับเซลล์จำนวนมากเช่นนี้ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จึงกลายเป็นเทคโนโลยีหลักที่ขาดไม่ได้

อาจกล่าวได้ว่า BMS คือ "สมอง" ของแบตเตอรี่แพ็ค หน้าที่ของมันคือการรับรองความปลอดภัยของบุคลากรและแบตเตอรี่ ตอบสนองความต้องการด้านกำลังไฟฟ้าหรือการกักเก็บพลังงาน และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

01 ฟังก์ชันหลักของ BMS

ฟังก์ชันหลักของ BMS คือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ ปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ผ่านการประมาณค่าสถานะการชาร์จ (SOC) และการควบคุมการสมดุล ขณะเดียวกันก็มีฟังก์ชันป้องกันความผิดพลาด เช่น การป้องกันแรงดันเกิน กระแสเกิน และอุณหภูมิเกิน

การประมาณค่าสถานะของเซลล์เป็นฟังก์ชันหลักของ BMS การบรรลุฟังก์ชันนี้ต้องใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ชิป Analog Front-End (AFE) (สำหรับการวัดแรงดันไฟฟ้า) เซ็นเซอร์ Hall (สำหรับการวัดกระแสไฟฟ้า) เซ็นเซอร์ NTC (สำหรับการวัดอุณหภูมิ) และเซ็นเซอร์อื่นๆ (สำหรับการวัดความดันแก๊ส ควัน ฯลฯ)

หลังจากได้สัญญาณแล้ว จะนำมารวมกับแบบจำลองทางเคมีไฟฟ้าและอัลกอริทึมการประมาณค่าขั้นสูง (เช่น Extended Kalman Filter, Sliding Mode Observer ฯลฯ) เพื่อประมาณค่า State of Charge (SOC), State of Health (SOH), State of Power (SOP), State of Energy (SOE) และ State of Safety (SOS) ของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์

จากพารามิเตอร์สถานะเหล่านี้

ก) สำหรับชุดแบตเตอรี่เอง:

BMS ควบคุมและจัดการการเพิ่มประสิทธิภาพกำลังไฟในการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ จำกัดระยะเวลาในการชาร์จ/คายประจุ และโต้ตอบผ่านคำสั่งควบคุม การสื่อสาร และฟังก์ชันการวินิจฉัย เพื่อให้สามารถจัดการสถานะภายในของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข) สำหรับระบบภายนอก:

ผ่านฟังก์ชันการสื่อสารและการวินิจฉัย BMS จะเผยแพร่ข้อมูลสถานะสำคัญและคำสั่งควบคุมไปยังรถยนต์และเครื่องชาร์จ เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานระหว่างแบตเตอรี่และระบบภายนอกประสานกัน

02 สถาปัตยกรรมระบบของ BMS

(1) สถาปัตยกรรมแบบรวมศูนย์และแบบกระจาย

BMS แบบรวมศูนย์ (Centralized BMS) ผสานรวมโมดูลการทำงานทั้งสาม ได้แก่ หน่วยตรวจสอบเซลล์ (Cell Monitoring Unit - CMC), หน่วยตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าสูง (High Voltage Monitoring Unit - HVMU) และหน่วยจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management Unit - BMU) เข้าไว้บนแผงวงจรเดียวหรือคอนโทรลเลอร์แบบรวม ทำให้เกิดสถาปัตยกรรมแบบ "การควบคุมจุดเดียว" (single-point control)

BMS แบบรวมศูนย์ส่งผลให้โครงสร้างระบบมีความกะทัดรัด ลดการใช้สายเคเบิล ใช้พื้นที่น้อยลง และมีต้นทุนโดยรวมที่ค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโมดูลแรงดันไฟฟ้าสูงและแรงดันไฟฟ้าต่ำอยู่บนแผงวงจรเดียวกัน จึงต้องให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับการแยกทางไฟฟ้าและระยะห่างเพื่อความปลอดภัย

BMS แบบกระจายอำนาจจะมอบหมายฟังก์ชันการเก็บข้อมูลลงไปยังโมดูลแบตเตอรี่แต่ละตัว หน่วยควบคุมทาส (CMC) หลายตัวจะทำการสุ่มตัวอย่างแบบกระจายและประมวลผลข้อมูลเบื้องต้น ในขณะที่หน่วยควบคุมหลัก (BMU/BCU) จะรับผิดชอบการจัดการและการจัดตารางระดับระบบ ก่อให้เกิดสถาปัตยกรรมแบบ "การเก็บข้อมูลหลายจุด การประมวลผลแบบรวมศูนย์" ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ เช่น ช่องทางการเก็บข้อมูลจำนวนมากและการวางตำแหน่งโมดูลที่กระจายตัว

ดังที่เห็นได้จากรูปภาพข้างต้น สถาปัตยกรรมแบบกระจายอำนาจที่กล่าวถึงนั้น แท้จริงแล้วเป็นการเพิ่มชั้นของระบบย่อยการจัดการไว้ตรงกลาง ระบบขนาดเล็กเหล่านี้มีหน้าที่หลักในการรวบรวมข้อมูลจากเซลล์บางส่วน จากนั้นจึงรายงานข้อมูลผ่านบัสไปยังบอร์ดควบคุม BMS บอร์ดควบคุม BMS จะดำเนินการมาตรการป้องกันที่ครอบคลุม การคำนวณสถานะการชาร์จ และฟังก์ชันการจัดการอื่นๆ โดยอิงจากข้อมูลที่รายงาน

พูดง่ายๆ ก็คล้ายกับโครงสร้างองค์กรของบริษัท เมื่อจำนวนคนเพิ่มขึ้น การจัดการแบบแบนราบจะไม่น่าเชื่อถือในระบบจัดการแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ดังนั้น เพื่อแบ่งเบาภาระของบอร์ดจัดการหลัก งานย่อยบางอย่างจึงถูกมอบหมายให้กับโมดูล CSC (Cell Supervision Circuits) เพื่อการจัดการที่มีสิทธิ์

BMS แบบกระจายสามารถแบ่งย่อยได้อีกเป็น: แบบกระจายดาว (Star-type Distributed), แบบกระจายบัส (Bus-type Distributed) และแบบกระจายโซ่ (Daisy-chain Distributed)

แบบกระจายดาว (Star-type Distributed): BMU ตั้งอยู่ตรงกลาง โดยแต่ละ CMC เชื่อมต่อโดยตรงกับ BMU ผ่านลิงก์การสื่อสารอิสระ โครงสร้างนี้มีลิงก์การสื่อสารอิสระที่มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนสูง อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีโมดูลรวมบัส ทำให้การจัดการสายไฟและอินเทอร์เฟซค่อนข้างซับซ้อน

แบบกระจายผ่านบัส (Bus-type Distributed): CMC หลายตัวสื่อสารกับ BMU ผ่าน CAN bus (ปัจจุบันเป็นวิธีสื่อสาร BMS ที่ใช้กันแพร่หลายที่สุด) เนื่องจาก CMC ทุกตัวใช้บัสร่วมกัน การใช้พลังงานระหว่างโหนดจึงค่อนข้างสมดุล อย่างไรก็ตาม ระบบจะขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ของบัสเป็นอย่างมาก หากบัสล้มเหลว การสื่อสารโดยรวมอาจหยุดชะงัก

แบบกระจายแบบลูกโซ่ (Daisy-chain Distributed): CMC หลายตัวเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมเป็นลูกโซ่ โดยข้อมูลจะถูกส่งแบบ hop-by-hop ตามลิงก์ไปยัง BMU โครงสร้างนี้มีลิงก์การสื่อสารที่เรียบง่าย ช่วยประหยัดทรัพยากรการเดินสาย เหมาะสำหรับระบบที่มีโมดูลจำนวนมากและโครงสร้างแบตเตอรี่ที่มีชั้นชัดเจน

(2) การแบ่งชั้นตามฟังก์ชัน

เพื่อให้มั่นใจในความเป็นโมดูล ความสามารถในการปรับขนาด และความน่าเชื่อถือสูง โดยทั่วไป BMS สามารถแบ่งออกเป็นสามชั้น ดังแสดงในภาพด้านล่าง

a) Physical Layer: รับผิดชอบในการรับค่าสถานะภายนอกที่วัดได้โดยตรงระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ เช่น แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิพื้นผิว ฯลฯ เพื่อสนับสนุนข้อมูลสำหรับเลเยอร์ที่สูงขึ้น

b) Core Layer: รับผิดชอบในการประมาณค่าสถานะภายในของแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถวัดได้โดยตรงผ่านโมเดลและอัลกอริทึม เช่น SOC และอุณหภูมิเซลล์ภายใน นี่คือส่วนสำคัญของระบบ

c) Management Layer: ใช้ข้อมูลสถานะภายในที่จัดหาให้โดย Core Layer เพื่อให้เกิดการจัดการการชาร์จ/ดิสชาร์จแบตเตอรี่อย่างเหมาะสม และการคาดการณ์สภาวะการทำงานในอนาคต เพื่อให้มั่นใจว่าแบตเตอรี่ทำงานได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ

03 โครงสร้างฮาร์ดแวร์ของ BMS

สถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ของ BMS เป็นตัวรองรับทางกายภาพสำหรับฟังก์ชันของระบบ การออกแบบฮาร์ดแวร์ส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ และต้นทุนของระบบ การออกแบบฮาร์ดแวร์ BMS ทั่วไปใช้สถาปัตยกรรมแบบกระจาย ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยหน่วยควบคุมหลัก (BMU), หน่วยควบคุมรอง (CSC), เครือข่ายเซ็นเซอร์ และวงจรแอคทูเอเตอร์/ป้องกัน

(1) หน่วยควบคุมหลัก

Main Control MCU: โปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่รองรับระดับความปลอดภัยในการทำงาน ASIL-D

Memory: หน่วยความจำ Flash เก็บการกำหนดค่าพารามิเตอร์และบันทึกข้อผิดพลาด; RAM ใช้สำหรับบัฟเฟอร์ข้อมูลแบบเรียลไทม์

Isolated Power Supply: จ่ายไฟให้กับ BMU ผ่านโมดูลแยก DC/DC (แรงดันไฟฟ้าอินพุตมักจะเป็น 12V/24V, เอาต์พุตเป็น 3.3V/5V)

Communication Interfaces: ตัวรับส่งสัญญาณ CAN, ชิป Ethernet PHY

(2) หน่วยควบคุมรอง

AFE Chips: ชิป Analog Front-End เฉพาะสำหรับการตรวจสอบเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

วงจรการสุ่มแรงดันไฟฟ้า: สวิตช์มัลติเพล็กเซอร์ + ADC ความแม่นยำสูง, ใช้การสุ่มแบบดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อลดสัญญาณรบกวน

วงจรการวัดอุณหภูมิ: เทอร์มิสเตอร์ NTC + วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า, หรือเซ็นเซอร์อุณห Digital

วงจรการบาลานซ์: การบาลานซ์แบบพาสซีฟ: MOSFET + ตัวต้านทานกำลัง; การบาลานซ์แบบแอคทีฟ: DC/DC แบบสองทิศทาง หรืออาร์เรย์ตัวเก็บประจุ

(3) เซ็นเซอร์

เซ็นเซอร์ฮอลล์: การวัดแบบไม่สัมผัส, ความแม่นยำ ±0.5% (ใช้สำหรับการตรวจจับกระแสไฟทั้งหมด)

ตัวต้านทานแชนท์: โซลูชันการตรวจจับกระแสไฟต้นทุนต่ำ, ให้ความแม่นยำ ±0.5% เมื่อจับคู่กับแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ: เซ็นเซอร์ NTC/PTC วางไว้ในตำแหน่งสำคัญ เช่น พื้นผิวเซลล์, บัสบาร์, และฮีทซิงค์

(4) วงจรแอคทูเอชั่นและการป้องกัน

รีเลย์และวงจรพรีชาร์จ:

รีเลย์หลัก: รีเลย์ DC แรงดันสูงที่ควบคุมวงจรชาร์จ/ดิสชาร์จของชุดแบตเตอรี่

วงจรพรีชาร์จ: ใช้วงจรตัวต้านทานพรีชาร์จ + คอนแทคเตอร์สำหรับการสตาร์ทแบบนุ่มนวล ป้องกันกระแสไฟกระชากขณะเปิดเครื่อง

ฟิวส์และเซอร์กิตเบรกเกอร์:

ฟิวส์หลัก: ชนิดทำงานเร็วสำหรับการป้องกันความผิดพลาดจากไฟฟ้าลัดวงจร

การป้องกันรอง: ฟิวส์แบบรีเซ็ตได้ (PPTC) เพื่อป้องกันกระแสเกินเฉพาะที่