پیک مینوفیکچرنگ پروسیس سیریز: بیٹری پیک BMS کے بنیادی افعال، سسٹم آرکیٹیکچر، اور ہارڈویئر ڈھانچہ

پاور بیٹری پیک اور انرجی اسٹوریج بیٹری پیک دونوں میں عام طور پر درجنوں یا سینکڑوں اندرونی سیلز ہوتے ہیں۔ اتنی بڑی تعداد میں سیلز کو منظم کرنے کے لیے، بیٹری مینجمنٹ سسٹم (BMS) ایک ناگزیر کلیدی ٹیکنالوجی بن گیا ہے۔

یہ کہا جا سکتا ہے کہ BMS بیٹری پیک کا "دماغ" ہے۔ اس کے افعال اہلکاروں اور بیٹری کی حفاظت کو یقینی بنانا، پاور یا انرجی اسٹوریج کی ضروریات کو پورا کرنا، اور بیٹری کی زندگی کو بڑھانا ہیں۔

01 BMS کے بنیادی افعال

BMS کا بنیادی کام بیٹری کے وولٹیج، درجہ حرارت اور کرنٹ کی حقیقی وقت میں نگرانی کرنا، اسٹیٹ آف چارج (SOC) کے تخمینے اور بیلنسنگ کنٹرول کے ذریعے بیٹری کی کارکردگی کو بہتر بنانا ہے، جبکہ اوور وولٹیج، اوور کرنٹ، اور اوور ٹمپریچر پروٹیکشن جیسے فالٹ پروٹیکشن فنکشنز بھی رکھتا ہے۔

سیل کی حالت کا تخمینہ لگانا BMS کا بنیادی کام ہے۔ اس فنکشن کو حاصل کرنے کے لیے اینالاگ فرنٹ-اینڈ (AFE) چپ (وولٹیج حاصل کرنے کے لیے)، ہال سینسرز (کرنٹ حاصل کرنے کے لیے)، NTC سینسرز (درجہ حرارت حاصل کرنے کے لیے)، اور دیگر سینسرز (گیس کے دباؤ، دھوئیں وغیرہ حاصل کرنے کے لیے) کی ضرورت ہوتی ہے۔

سگنلز حاصل کرنے کے بعد، انہیں الیکٹرو کیمیکل ماڈلز اور ایڈوانسڈ ایسٹیمیشن الگورتھم (جیسے ایکسٹینڈڈ کالمن فلٹر، سلائیڈنگ موڈ آبزرور، وغیرہ) کے ساتھ جوڑا جاتا ہے تاکہ بیٹری کی چارج کی حالت (SOC)، صحت کی حالت (SOH)، پاور کی حالت (SOP)، توانائی کی حالت (SOE)، اور حفاظت کی حالت (SOS) کا حقیقی وقت میں تخمینہ لگایا جا سکے۔

ان ریاستی پیرامیٹرز کی بنیاد پر،

a) بیٹری پیک کے لیے خود:

BMS بیٹری کی چارج اور ڈسچارج پاور کی بہتری کو کنٹرول اور منظم کرتا ہے، چارج/ڈسچارج کی مدت کو محدود کرتا ہے، اور بیٹری کی اندرونی حالت کے مؤثر انتظام کو حاصل کرنے کے لیے کنٹرول کمانڈز، مواصلات، اور تشخیصی افعال کے ذریعے تعامل کرتا ہے۔

b) بیرونی نظاموں کے لیے:

کمیونیکیشن اور ڈائیگناسٹک فنکشنز کے ذریعے، BMS گاڑی اور چارجر کو اہم اسٹیٹس کی معلومات اور کنٹرول کمانڈز فراہم کرتا ہے، جو بیٹری اور بیرونی سسٹمز کے درمیان مربوط آپریشن کو یقینی بناتا ہے۔

02 BMS کا سسٹم آرکیٹیکچر

(1) مرکزی اور تقسیم شدہ آرکیٹیکچرز

مرکزی بی ایم ایس تین فنکشنل ماڈیولز - سیل مانیٹرنگ یونٹ (سی ایم سی)، ہائی وولٹیج مانیٹرنگ یونٹ (ایچ وی ایم یو)، اور بیٹری مینجمنٹ یونٹ (بی ایم یو) - کو ایک ہی سرکٹ بورڈ یا مربوط کنٹرولر پر ضم کرتا ہے، جس سے "سنگل پوائنٹ کنٹرول" فن تعمیر تشکیل پاتا ہے۔

مرکزی بی ایم ایس کے نتیجے میں ایک کمپیکٹ سسٹم ڈھانچہ، کم کیبلنگ، چھوٹا فٹ پرنٹ، اور نسبتاً کم مجموعی لاگت آتی ہے۔ تاہم، چونکہ ہائی وولٹیج اور لو وولٹیج ماڈیولز ایک ہی سرکٹ بورڈ پر ہوتے ہیں، اس لیے الیکٹریکل آئیسولیشن اور سیفٹی کلیئرنس پر خصوصی توجہ دینی چاہیے۔

ڈسٹری بیوٹڈ بی ایم ایس انفرادی بیٹری ماڈیولز تک حصول کا کام سونپتا ہے۔ متعدد سلیو کنٹرول یونٹس (سی ایم سیز) ڈسٹری بیوٹڈ نمونہ لینے اور ابتدائی ڈیٹا پروسیسنگ حاصل کرتے ہیں، جبکہ ماسٹر کنٹرول یونٹ (بی ایم یو/بی سی یو) سسٹم لیول مینجمنٹ اور شیڈولنگ کا ذمہ دار ہوتا ہے، جو "ملٹی پوائنٹ ایکوزیشن، سنٹرلائزڈ پروسیسنگ" فن تعمیر تشکیل دیتا ہے۔ یہ بڑے پیمانے پر بیٹری سسٹم کی ضروریات کو پورا کر سکتا ہے، جیسے کہ بے شمار حصول چینلز اور منتشر ماڈیول پلیسمنٹ۔

جیسا کہ اوپر دی گئی تصویر سے دیکھا جا سکتا ہے، نام نہاد ڈسٹری بیوٹڈ فن تعمیر بنیادی طور پر درمیان میں مینجمنٹ سب سسٹم کی ایک پرت شامل کرتا ہے۔ یہ چھوٹے سسٹم بنیادی طور پر سیلز کے ایک حصے سے معلومات جمع کرنے کے ذمہ دار ہوتے ہیں، پھر بس کے ذریعے بی ایم ایس کنٹرول بورڈ کو رپورٹ کرتے ہیں۔ بی ایم ایس کنٹرول بورڈ پھر رپورٹ شدہ معلومات کی بنیاد پر جامع حفاظتی اقدامات، اسٹیٹ آف چارج کیلکولیشنز، اور دیگر مینجمنٹ فنکشنز کو لاگو کرتا ہے۔

آسان الفاظ میں، یہ کسی کمپنی کے تنظیمی ڈھانچے سے مشابہت رکھتا ہے۔ جب لوگوں کی تعداد بڑھتی ہے، تو فلیٹ مینجمنٹ بڑے پیمانے پر بیٹری مینجمنٹ سسٹم میں ناقابل اعتبار ہو جاتی ہے۔ لہذا، کور مینجمنٹ بورڈ کے بوجھ کو بانٹنے کے لیے، کچھ ذیلی کاموں کو خصوصی مینجمنٹ کے لیے CSC ماڈیولز (سیل سپرویژن سرکٹس) کو سونپا جاتا ہے۔

ڈسٹری بیوٹڈ BMS کو مزید ذیلی تقسیم کیا جا سکتا ہے: سٹار-ٹائپ ڈسٹری بیوٹڈ، بس-ٹائپ ڈسٹری بیوٹڈ، اور ڈیزی-چین ڈسٹری بیوٹڈ۔

سٹار-ٹائپ ڈسٹری بیوٹڈ: BMU مرکزی طور پر واقع ہوتا ہے، جس میں ہر CMC ایک آزاد مواصلاتی لنک کے ذریعے براہ راست BMU سے جڑا ہوتا ہے۔ یہ ڈھانچہ مضبوط اینٹی انٹرفیرنس صلاحیت کے ساتھ آزاد مواصلاتی لنکس پیش کرتا ہے۔ تاہم، اس کے لیے بس کنسنٹریشن ماڈیول کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے وائرنگ اور انٹرفیس مینجمنٹ نسبتاً پیچیدہ ہو جاتا ہے۔

بس-قسم کا تقسیم شدہ: متعدد سی ایم سی (CMC) بی ایم یو (BMU) کے ساتھ کین بس (CAN bus) کے ذریعے رابطے میں رہتے ہیں (فی الحال یہ بی ایم ایس (BMS) مواصلات کا سب سے زیادہ استعمال شدہ طریقہ ہے۔) چونکہ تمام سی ایم سی بس کا اشتراک کرتے ہیں، نوڈز کے درمیان بجلی کی کھپت نسبتاً متوازن ہوتی ہے۔ تاہم، نظام بس کی صحت پر بہت زیادہ انحصار کرتا ہے؛ اگر بس ناکام ہو جاتی ہے، تو مجموعی مواصلات میں خلل پڑ سکتا ہے۔

ڈیزی-چین تقسیم شدہ: متعدد سی ایم سی (CMC) ایک سلسلہ میں سیریز میں جڑے ہوتے ہیں، جس میں ڈیٹا لنک کے ذریعے بی ایم یو (BMU) تک ہاپ-بائی-ہاپ منتقل ہوتا ہے۔ یہ ڈھانچہ ایک سادہ مواصلاتی لنک پیش کرتا ہے، وائرنگ کے وسائل بچاتا ہے۔ یہ بہت سے ماڈیولز اور واضح طور پر پرت دار بیٹری ڈھانچے والے نظاموں کے لیے موزوں ہے۔

(2) فعال پرت بندی

ماڈیولرٹی، اسکیلبلٹی، اور اعلیٰ وشوسنییتا کو یقینی بنانے کے لیے، بی ایم ایس (BMS) کو عام طور پر تین پرتوں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے، جیسا کہ نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔

a) فزیکل لیئر: بیٹری کے آپریشن کے دوران براہ راست قابل پیمائش بیرونی حالتوں، جیسے وولٹیج، کرنٹ، سطح کا درجہ حرارت وغیرہ حاصل کرنے کا ذمہ دار ہے، جو اوپری لیئرز کے لیے ڈیٹا سپورٹ فراہم کرتا ہے۔

b) کور لیئر: ماڈلز اور الگورتھم کے ذریعے بیٹری کی اندرونی طور پر ناقابل پیمائش حالتوں، جیسے SOC اور اندرونی سیل کے درجہ حرارت کا تخمینہ لگانے کا ذمہ دار ہے۔ یہ سسٹم کا اہم حصہ ہے۔

c) مینجمنٹ لیئر: بیٹری کی چارجنگ/ڈسچارجنگ کے معقول انتظام اور مستقبل کے آپریٹنگ حالات کی پیشین گوئی حاصل کرنے کے لیے کور لیئر کے ذریعے فراہم کردہ اندرونی حالت کی معلومات کا استعمال کرتا ہے، جو بیٹری کے محفوظ اور موثر آپریشن کو یقینی بناتا ہے۔

03 BMS کی ہارڈ ویئر ساخت

BMS ہارڈ ویئر فن تعمیر اس کے نظام کے افعال کا جسمانی حامل ہے۔ ہارڈ ویئر ڈیزائن براہ راست نظام کی درستگی، اعتبار، اور لاگت کو متاثر کرتا ہے۔ ایک عام BMS ہارڈ ویئر ڈیزائن ایک تقسیم شدہ فن تعمیر کو اپناتا ہے، جس میں بنیادی طور پر ماسٹر کنٹرول یونٹ (BMU)، سلیو کنٹرول یونٹ (CSCs)، سینسر نیٹ ورکس، اور ایکچویشن/تحفظ سرکٹس شامل ہیں۔

(1) ماسٹر کنٹرول یونٹ

مین کنٹرول MCU: ایک اعلیٰ کارکردگی والا پروسیسر جو ASIL-D فنکشنل سیفٹی لیول کو سپورٹ کرتا ہے۔

میموری: فلیش میموری پیرامیٹر کنفیگریشنز اور فالٹ لاگز کو اسٹور کرتی ہے؛ RAM کو ریئل ٹائم ڈیٹا بفرنگ کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔

آئسولیٹڈ پاور سپلائی: DC/DC آئسولیشن ماڈیول کے ذریعے BMU کو پاور فراہم کرتا ہے (ان پٹ وولٹیج اکثر 12V/24V ہوتا ہے، آؤٹ پٹ 3.3V/5V ہوتا ہے۔)

کمیونیکیشن انٹرفیسز: CAN ٹرانسیورز، ایتھرنیٹ PHY چپس۔

(2) سلیو کنٹرول یونٹس

AFE چپس: سیریز میں جڑی ہوئی سیلز کی نگرانی کے لیے وقف اینالاگ فرنٹ-اینڈ چپس۔

وولٹیج سیمپلنگ سرکٹ: ملٹی پلیکسر سوئچ + پریسجن ADC، شور کو کم کرنے کے لیے تفریق سیمپلنگ کا استعمال۔

درجہ حرارت حاصل کرنے والا سرکٹ: NTC تھرمسٹر + وولٹیج ڈیوائیڈر نیٹ ورک، یا ڈیجیٹل درجہ حرارت سینسر۔

بیلنسنگ سرکٹ: غیر فعال بیلنسنگ: MOSFET + پاور ریزسٹر؛ فعال بیلنسنگ: دو طرفہ DC/DC یا کیپیسیٹر ارریز۔

(3) سینسرز

ہال سینسرز: غیر رابطہ پیمائش، درستگی ±0.5% (کل کرنٹ کے پتہ لگانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے)۔

شنٹ ریزسٹرز: کم لاگت والا کرنٹ ڈیٹیکشن حل، تفریق ایمپلیفائر کے ساتھ جوڑنے پر ±0.5% درستگی حاصل کرتا ہے۔

درجہ حرارت سینسرز: NTC/PTC سینسرز اہم مقامات پر رکھے جاتے ہیں جیسے سیل کی سطح، بس بارز، اور ہیٹ سنکس۔

(4) ایکچویشن اور پروٹیکشن سرکٹس

ریلے اور پری-چارج سرکٹ:

مین ریلیز: ہائی-وولٹیج ڈی سی ریلے جو بیٹری پیک کے چارج/ڈسچارج سرکٹ کو کنٹرول کرتے ہیں۔

پری-چارج سرکٹ: پاور آن کے دوران ان رش کرنٹ کو روکنے کے لیے، سافٹ اسٹارٹ کے لیے پری-چارج ریزسٹر + کنٹیکٹر استعمال کرتا ہے۔

فیوز اور سرکٹ بریکرز:

مین فیوز: شارٹ سرکٹ فالٹ پروٹیکشن کے لیے فاسٹ ایکٹنگ قسم۔

سیکنڈری پروٹیکشن: مقامی اوور کرنٹ کو روکنے کے لیے ری سیٹ ایبل فیوز (PPTC)۔