PAKET Üretim Süreci Serisi: Batarya Paketi BMS'nin Temel Fonksiyonları, Sistem Mimarisi ve Donanım Yapısı

Hem güç batarya paketleri hem de enerji depolama batarya paketleri tipik olarak onlarca, hatta yüzlerce dahili hücre içerir. Bu kadar çok sayıda hücreyi yönetmek için Batarya Yönetim Sistemi (BMS) vazgeçilmez bir anahtar teknoloji haline gelmiştir.

BMS'nin batarya paketinin "beyni" olduğu söylenebilir. Görevleri, personel ve batarya güvenliğini sağlamak, güç veya enerji depolama gereksinimlerini karşılamak ve batarya ömrünü uzatmaktır.

01 BMS'nin Temel Fonksiyonları

BMS'nin temel işlevi, batarya voltajını, sıcaklığını ve akımını gerçek zamanlı olarak izlemek, Şarj Durumu (SOC) tahmini ve dengeleme kontrolü yoluyla batarya performansını optimize etmek ve aynı zamanda aşırı voltaj, aşırı akım ve aşırı sıcaklık koruması gibi arıza koruma fonksiyonlarına sahip olmaktır.

Hücrelerin durumunu tahmin etmek, BMS'nin temel işlevidir. Bu işlevi gerçekleştirmek için Analog Ön Uç (AFE) çipi (voltaj toplama için), Hall sensörleri (akım toplama için), NTC sensörleri (sıcaklık toplama için) ve diğer sensörler (gaz basıncı, duman vb. toplama için) gereklidir.

Sinyaller toplandıktan sonra, bunlar elektrokimyasal modeller ve gelişmiş tahmin algoritmaları (Genişletilmiş Kalman Filtresi, Kayar Mod Gözlemcisi vb. gibi) ile birleştirilerek pilin Şarj Durumu (SOC), Sağlık Durumu (SOH), Güç Durumu (SOP), Enerji Durumu (SOE) ve Güvenlik Durumu (SOS) gerçek zamanlı olarak tahmin edilir.

Bu durum parametrelerine dayanarak,

a) Pil paketi için:

BMS, pilin şarj ve deşarj gücünün optimizasyonunu kontrol eder ve yönetir, şarj/deşarj süresini sınırlar ve pilin iç durumunun etkili bir şekilde yönetilmesini sağlamak için kontrol komutları, iletişim ve teşhis fonksiyonları aracılığıyla etkileşim kurar.

b) Harici sistemler için:

BMS, iletişim ve teşhis fonksiyonları aracılığıyla, batarya ile harici sistemler arasındaki koordineli çalışmayı sağlayarak aracın ve şarj cihazının ana durum bilgilerini ve kontrol komutlarını yayar.

02 BMS Sistem Mimarisi

(1) Merkezi ve Dağıtık Mimariler

Merkezi BMS, Hücre İzleme Birimi (CMC), Yüksek Voltaj İzleme Birimi (HVMU) ve Batarya Yönetim Birimi (BMU) olmak üzere üç fonksiyonel modülü tek bir devre kartına veya entegre bir kontrolcüye entegre ederek "tek noktadan kontrol" mimarisi oluşturur.

Merkezi BMS, kompakt bir sistem yapısı, azaltılmış kablolama, daha küçük ayak izi ve nispeten daha düşük toplam maliyet ile sonuçlanır. Ancak, yüksek voltaj ve düşük voltaj modülleri aynı devre kartında olduğundan, elektriksel izolasyon ve güvenlik boşluklarına özel dikkat gösterilmelidir.

Dağıtılmış BMS, toplama işlevini bireysel pil modüllerine devreder. Birden fazla Köle Kontrol Birimi (CMC), dağıtılmış örnekleme ve ön veri işleme sağlarken, Ana Kontrol Birimi (BMU/BCU) sistem düzeyinde yönetim ve zamanlamadan sorumludur ve "çok noktalı toplama, merkezi işleme" mimarisi oluşturur. Bu, çok sayıda toplama kanalı ve dağınık modül yerleşimi gibi büyük kapasiteli pil sistemlerinin gereksinimlerini karşılayabilir.

Yukarıdaki şekilden de görülebileceği gibi, sözde dağıtılmış mimari esasen ortada bir yönetim alt sistemleri katmanı ekler. Bu küçük sistemler öncelikle hücrelerin bir kısmından bilgi toplamakla sorumludur, ardından bir veriyolu üzerinden BMS kontrol kartına bildirir. BMS kontrol kartı daha sonra bildirilen bilgilere dayanarak kapsamlı koruma önlemleri, şarj durumu hesaplamaları ve diğer yönetim işlevlerini uygular.

Basitçe söylemek gerekirse, bir şirketin organizasyon yapısına benzer. İnsan sayısı arttıkça, düz yönetim, büyük ölçekli pil yönetim sistemlerinde güvenilmez hale gelir. Bu nedenle, çekirdek yönetim kurulunun yükünü paylaşmak için bazı alt görevler, ayrıcalıklı yönetim için CSC modüllerine (Hücre Gözetim Devreleri) atanır.

Dağıtılmış BMS daha da alt bölümlere ayrılabilir: Yıldız Tipi Dağıtılmış, Veriyolu Tipi Dağıtılmış ve Zincir Tipi Dağıtılmış.

Yıldız Tipi Dağıtılmış: BMU merkezi olarak bulunur ve her CMC, bağımsız bir iletişim bağlantısı aracılığıyla BMU'ya doğrudan bağlanır. Bu yapı, güçlü parazit önleme yeteneğine sahip bağımsız iletişim bağlantıları sunar. Ancak, bir veriyolu yoğunlaştırma modülü gerektirir, bu da kablolama ve arayüz yönetimini nispeten karmaşık hale getirir.

Bus Tipi Dağıtık: Birden çok CMC, CAN veri yolu üzerinden BMU ile iletişim kurar (şu anda en yaygın kullanılan BMS iletişim yöntemidir). Tüm CMC'ler veri yolunu paylaştığı için, düğümler arasındaki güç tüketimi nispeten dengelidir. Ancak sistem, veri yolunun sağlığına büyük ölçüde bağlıdır; veri yolu arızalanırsa, genel iletişim kesilebilir.

Zincirleme Dağıtık: Birden çok CMC bir zincir halinde seri olarak bağlanır ve veriler bağlantı boyunca BMU'ya atlayarak iletilir. Bu yapı, basit bir iletişim bağlantısı sunar ve kablolama kaynaklarından tasarruf sağlar. Çok modüllü ve net katmanlı bir pil yapısına sahip sistemler için uygundur.

(2) Fonksiyonel Katmanlama

Modülerliği, ölçeklenebilirliği ve yüksek güvenilirliği sağlamak için BMS genellikle aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi üç katmana ayrılabilir.

a) Fiziksel Katman: Pilin çalışması sırasında voltaj, akım, yüzey sıcaklığı gibi doğrudan ölçülebilen harici durumların elde edilmesinden, üst katmanlar için veri desteği sağlamaktan sorumludur.

b) Çekirdek Katman: SOC ve dahili hücre sıcaklığı gibi modeller ve algoritmalar aracılığıyla pilin dahili olarak ölçülemeyen durumlarının tahmin edilmesinden sorumludur. Bu, sistemin kritik parçasıdır.

c) Yönetim Katmanı: Çekirdek katman tarafından sağlanan dahili durum bilgisini kullanarak pilin şarj/deşarjının makul bir şekilde yönetilmesini ve gelecekteki çalışma koşullarının tahmin edilmesini sağlar, güvenli ve verimli pil çalışmasını garanti eder.

03 BMS'nin Donanım Yapısı

BMS donanım mimarisi, sistem fonksiyonlarının fiziksel taşıyıcısıdır. Donanım tasarımı, sistem doğruluğunu, güvenilirliğini ve maliyetini doğrudan etkiler. Tipik bir BMS donanım tasarımı, dağıtılmış bir mimari benimser ve temel olarak Ana Kontrol Ünitesi (BMU), Alt Kontrol Üniteleri (CSC'ler), sensör ağları ve aktüasyon/koruma devrelerini içerir.

(1) Ana Kontrol Ünitesi

Ana Kontrol MCU: ASIL-D fonksiyonel güvenlik seviyesini destekleyen yüksek performanslı bir işlemci.

Bellek: Flash bellek parametre yapılandırmalarını ve hata günlüklerini depolar; RAM gerçek zamanlı veri arabelleklemesi için kullanılır.

İzole Güç Kaynağı: DC/DC izolasyon modülü aracılığıyla BMU'ya güç sağlar (giriş voltajı genellikle 12V/24V, çıkış 3.3V/5V'tur).

İletişim Arayüzleri: CAN alıcı-vericileri, Ethernet PHY çipleri.

(2) Alt Kontrol Üniteleri

AFE Çipleri: Seri bağlı hücrelerin izlenmesi için özel Analog Ön Uç (AFE) çipler.

Voltaj Örnekleme Devresi: Gürültüyü azaltmak için diferansiyel örnekleme kullanan multiplexer anahtarı + hassas ADC.

Sıcaklık Toplama Devresi: NTC termistör + voltaj bölücü ağı veya dijital sıcaklık sensörleri.

Dengeleme Devresi: Pasif dengeleme: MOSFET + güç direnci; Aktif dengeleme: Çift yönlü DC/DC veya kapasitör dizileri.

(3) Sensörler

Hall Sensörleri: Temassız ölçüm, doğruluk ±%0.5 (toplam akım tespiti için kullanılır).

Şönt Dirençler: Düşük maliyetli akım tespit çözümü, diferansiyel amplifikatör ile eşleştirildiğinde ±%0.5 doğruluk elde edilir.

Sıcaklık Sensörleri: Hücre yüzeyleri, bara ve soğutucu gibi anahtar konumlara yerleştirilmiş NTC/PTC sensörleri.

(4) Aktüasyon ve Koruma Devreleri

Röleler ve Ön Şarj Devresi:

Ana Röleler: Batarya paketinin şarj/deşarj devresini kontrol eden yüksek voltajlı DC röleleri.

Ön Şarj Devresi: Güç açıldığında ani akımı önlemek için yumuşak başlatma amacıyla bir ön şarj direnci + kontaktör kullanır.

Sigortalar ve Devre Kesiciler:

Ana Sigorta: Kısa devre arızası koruması için hızlı etkili tip.

İkincil Koruma: Yerel aşırı akımı önlemek için sıfırlanabilir sigortalar (PPTC).