سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2210 : سیستم مدیریت باتری؛ محافظ باتری
Battery management system; Battery protector
آیا تاکنون این سؤال برای شما پیش آمده که چگونه موبایل شما میزان شارژ باتری را به شما نشان می‌دهد؟ یا اینکه چرا بعد از استفاده زیاد از موبایل سریع شارژ خالی میشود؟ در این مقاله می‌خواهیم به این سؤال‌ها پاسخ دهیم. در این مقاله با سیستم مدیریت باتری BMS آشنا خواهید شد. با ساینا باتری همراه باشید.
هوش باتری در سلول آن نیست، بلکه در سیستم مدیریت باتری است. این موضوع یادآور کامپیوترهای دهه 1970 است که دارای سخت افزار بزرگ اما نرم افزار کمی بودند.
BMS چیست؟
BMS مخفف Battery Management System به معنای سیستم مدیریت باتری است. هدف اصلی این سیستم، حفاظت از باتری و نشان دادن وضعیت شارژ باتری است.
اهداف اساسی سیستم مدیریت باتری
-
- ایمنی و طول عمر باتری را فراهم می‌کند.
- وضعیت حالت شارژ و وضعیت سلامت (ظرفیت) باتری را نشان می‌دهد.
- پیش‌بینی سریع وضعیت باتری و ارائه خدمات جهت بهبود آن.
- نشان دادن پایان عمر باتری، زمانی که ظرفیت زیر آستانه هدف تعیین شده توسط کاربر قرار گیرد.
اما در نهایت همانطور که گفته شد، هدف اصلی این سیستم حفاظت از باتری و نشان دادن وضعیت شارژ باتری است.
شاخص اصلی اندازه‌گیری وضعیت باتری
دانستن وضعیت شارژ باتری مفید است. اما انجام این کار، بدون ردیابی دلیل کم شدن ظرفیت باتری، فایده‌ای ندارد. کاربر ممکن است به باتری‌ای عادت کرده باشد که ظرفیت کامل را ارائه می‌دهد. اما این شرایط موقتی است و نمی‌توان آن را حفظ کرد.
ظرفیت، شاخص اصلی وضعیت سلامت باتری (SoH) است و باید بخشی از سیستم مدیریت باتری (BMS) باشد. دانستن وضعیت شارژSoC ، وضعیت سلامت SoH و وضعیت عملکرد(SoF)، اطمینان نهایی از وضعیت باتری را فراهم می‌کند.
در حال حاضر، فناوری ارائه این اطلاعات در حال بهبود است و ساختن سیستم مدیریت باتری بهتر یک چالش است. زیرا هنوز فاقد روش قابل اتکا برای خواندن وضعیت شارژ (مهم‌ترین معیار اندازه‌گیری باتری) هستیم.
خواندن انرژی باقیمانده در باتری، پیچیده‌‍‌تر از توزیع سوخت مایع است. در حالی که مخزن سوخت دارای ابعادی ثابت است و سوختی را تحویل می‌دهد که با دقت زیادی قابل اندازه‌گیری است. سیستم ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی اندازه آن را کاهش می‌دهد و کولن‌های ورودی و خروجی را نمی‌توان با افزایش عمر باتری با دقت زیادی ارزیابی کرد.
استانداردهای ساخت BMS
BMS هنگام شارژ و تخلیه از باتری محافظت می‌کند. در صورت عبور از محدودیت‌های تعیین شده یا خرابی، باتری را قطع می‌کند. استانداردهای ایجاد شده BMS عبارتند از: SMBus (سیستم مدیریت باس) که برای دستگاه‌های کاربردی قابل حمل استفاده میشود، CAN Bus (شبکه کنترلر) و LIN (شبکه محلی اتصال) که برای استفاده در خودرو است.
پیشنهاد : یک باتری هوشمند چگونه کار می‌کند را مطالعه کنید.
باتری‌های ثابت
باتری‌های ثابت اولین باتری‌هایی هستند که دارای سیستم نظارتی می‌باشند. وظیفه اصلی سیستم نظارتی، نظارت بر ولتاژ سلول‌ها به طور جداگانه است. علاوه براین، برخی از سیستم‌ها قادرند دمای سلول و جریان آن را نیز اندازه‌گیری کنند. تفاوت جزئی در دمای سلول، به وجود یک مشکل اشاره دارد و اندازه گیری افت ولتاژ هر سلول در یک بار مشخص، مقاومت سلول را نشان می‌دهد. بنابراین عوامل تخریب باتری قابل شناسایی است.
ظرفیت و سیستم مدریت باتری
اگرچه سیستم مدیریت باتری در تشخیص ناهنجاری‌های باتری مؤثر است، اما تخمین کم شدن ظرفیت که مهم‌ترین شاخص سلامت باتری است، کمی دشوار است. زیرا ولتاژ و مقاومت داخلی معمولاً تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. توانایی خواندن ظرفیت از 100 به 70 بسیار ارزشمند است. اما BMS نمی‌تواند این کار را به طور مؤثر انجام دهد. حتی اگر ظرفیت به 50 درصد کاهش یابد، ممکن است یک باتری معیوب، سالم تشخیص داده شود. سیستم مدیریت باتری فقط به ناهنجاری‌هایی که خارج از ظرفیت تخمین زده می‌شوند، مانند اختلاف ولتاژ بین سلول‌ها ناشی از عدم تعادل سلول و تغییر مقاومت داخلی پاسخ می‌دهند.
تاریخ انقضا
برخی از تولیدکنندگان دستگاه‌های صنعتی و پزشکی، از مهر تاریخ برای تعیین پایان عمر باتری استفاده می‌کنند. برخی دیگر شمارش چرخه را لحاظ می‌کنند. گرچه ممکن است شمارش چرخه ساده باشد، اما هیچ استانداردی وجود ندارد که چرخه‌ای را تعریف کند و برخی از سیستم‌ها، شارژ شدن باتری را یک چرخه می دانند.
پیشنهاد : مبانی مربوط به تخلیه را مطالعه کنید.
مشخص کردن تاریخ دارای نقایص مشابهی است که باعث تعویض زودرس باتری‌هایی می شود که به ندرت استفاده می‌شوند. در حالی که ضربات سنگین ممکن است مدت زیادی در سرویس باقی بمانند.
برای کاهش خطر خرابی، همیشه دستور تعویض زودرس را می‌دهند. دو سال عمر مفید معمول است. ذخیره‌سازی طولانی مدت باعث عمر کوتاه باتری میشود.
مهندسان پزشکی می‌دانند که بیشتر باتری‌ها خیلی زود تعویض می‌شوند. دارندگان آیفون شکایت دارند که تلفن‌های هوشمند آن‌ها وقتی باتری فقط 90 درصد شارژ میشود، 100 درصد شارژ نشان می‌دهند. حتی رهبران نظامی می‌گویند که زرادخانه باتری آن‌ها برای جنگ آنقدر ضعیف است که بسیاری از سربازان، به جای باتری سنگ حمل می‌کنند. مدیریت موثر باتری یا وجود ندارد یا ناکافی است. انتظارات بیش از حد از BMS معمول است و کاربر وقتی بدون شارژ باتری گرفتار میشود مبهوت میشود.
نحوه عملکرد سیستم مدیریت باتری
بیایید به نحوه عملکرد BMS نگاهی بیندازیم. ضعف‌ها را یادداشت کنیم و فناوری‌های آینده را بررسی کنیم که می‌تواند نحوه نظارت بر باتری‌ها را تغییر دهد.
سیستم مدیریت باتری در هنگام شارژ و تخلیه، اثر “باتری شیمیایی” را می‌گیرد و آن را “باتری دیجیتال” قلمداد کرده و با کاربر ارتباط برقرار می‌کند.
ظرفیت نامی به ظرفیت مشخص شده سازنده در Ah (آمپر ساعت) اشاره دارد که فقط در هنگام شارژ باتری معتبر است. ظرفیت موجود، ظرفیت واقعی ذخیره انرژی را که با کسر قسمت غیرفعال حاصل میشود، تعیین می کند. وضعیت شارژ به انرژی ذخیره شده اشاره دارد که شامل قسمت غیرفعال نیز میشود.
شکل ۱ – سه قسمت باتری
یک باتری متشکل از انرژی ذخیره شده، قسمت خالی قابل شارژ مجدد و بخشی غیرفعال است که به دلیل استفاده از باتری برای همیشه از بین می‌رود.
BMS با یک ظرفیت نامی برنامه‌ریزی شده و کولن‌های ورودی و خروجی را که مربوط به ظرفیت موجود هستند اندازه گیری می‌کند. با کاهش ظرفیت، تعداد کولن کاهش می‌یابد و این اختلاف تخمین ظرفیت را امکان پذیر می‌کند. دقیق ترین نمایش هنگام شمارش کولن‌ها از یک باتری کاملاً تخلیه شده، در هنگام شارژ کامل یا تخلیه باتری کاملاً شارژ شده تا نقطه قطع امکان پذیر است. چنین شروع های تمیز به ندرت امکان پذیر است و با گذشت زمان برآورد ظرفیت واقعی ایجاد می شود.
BMS هنگام دریافت تخلیه و شارژ کامل، پرچم‌ها را تنظیم می‌کند. در طول یک دوره استراحت، یک BMS پیشرفته ممکن است SoC ولتاژ مدار باز ثابت را محاسبه کرده و شمارش کولن‌ها را هنگام شارژ و تخلیه از آن نقطه برتری شروع کند. برخی ازBMS ها، پس از برداشتن بار برای تخمین SoC و / یا SoH ، به بررسی ولتاژ می پردازند.
حسگر باتری براساس ولتاژ-جریان-دما
فولکس واگن بیتل حداقل مشکلات باتری را داشت. سیستم مدیریت باتری آن شارژ را به باتری وارد می‌کرد و هنگام عبور از طریق یک رگولاتور رله، انرژی بیش از حد را روی یک مقاومت می‌سوزاند.
از آن زمان، وسایل نقلیه مدرن برای افزایش ایمنی، راحتی و آسودگی مملو از وسایل الکترونیکی داخلی هستند. خصوصیاتی که هیچ کس نمی‌دانست برای عملکرد قابل اعتماد لوازم جانبی، وضعیت شارژ باتری باید همیشه مشخص باشد. این امر به ویژه در مورد فن‌آوری استارت-استاپ که در سراسر جهان در حال تصویب است بسیار مهم است.
هنگامی که موتور یک اتومبیل در پشت چراغ قرمز خاموش است، باتری 50-25 آمپر می‌کشد تا چراغ‌ها، ونتیلاتورها، برف پاک‌کن‌های جلو و سایر لوازم جانبی را تغذیه کند. باتری باید شارژ کافی برای میل لنگ موتور داشته باشد که برای یک لحظه کوتاه، بهA 350 اضافی نیاز دارد. هنگامی که موتور دوباره کار می‌کند و ماشین تا حد مجاز شتاب می‌گیرد، باتری پس از 10 ثانیه تأخیر شروع به شارژ می‌کند. این تاخیر باعث می شود تمام انرژی به شتاب خودرو منتقل شود. هنگام بازگشت به حالت شارژ، شارژ باتری سرب اسیدی به طرز مشهودی کند است.
برای ارائه اطلاعات حیاتی در مورد باتری، اتومبیل‌های لوکس دارای سنسور باتری هستند که ولتاژ، جریان و دما را اندازه گیری می‌کند.
شکل ۲ – سنسور باتری برای باتری استارتر
مانیتور الکترونیکی باتری (EBM) را نشان می‌دهد که در یک محفظه کوچک که بخشی از گیره مثبت باتری است، بسته بندی شده است.
EBM هنگامی که باتری جدید است به خوبی کار می‌کند؛ اما بیشتر سنسورها به درستی بعد از گذشت زمان تنظیم نمی‌شوند. دقت SoC باتری جدید در حدود 10± درصد است. با افزایش سن، حساسیت EBM کم شده و دقت آن ممکن است به 20 درصد و حتی بیشتر کاهش یابد. این تا حدی به کاهش ظرفیت باتری بستگی دارد. مقداری که اکثر BMS نمی‌توانند به طور موثر تخمین بزنند.
یک وسیله نقلیه استارت-استاپ، حدود 2000 میکرو چرخه در سال را طی می‌کند. چنین فشارهایی ظرفیت باتری استارتر استاندارد را به حدود 60 درصد کاهش می‌دهد و البته خودروسازان از باتری‌های مختلف از جمله AGM و Advanced Lead–carbon استفاده می کنند.
پیشنهاد : تأثیر گرما بر عمر باتری را مطالعه کنید.
خودروسازان می‌خواهند اطمینان حاصل کنند که هیچ راننده‌ای با باتری خالی در ترافیک گیر نمی‌کند. برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، اتومبیل‌های مدرن لوازم جانبی غیرضروری را هنگامی که شارژ باتری کم است و موتور در چراغ جلو روشن می‌ماند خاموش می‌کنند. حتی با استفاده از این اندازه گیری، در صورت رفت و آمد در ترافیک شبکه، حالت شارژ می‌تواند کم باشد. زیرا موتور در حین کار، شارژ زیادی برای باتری ایجاد نمی‌کند. با وجود چراغ، برف پاک کن شیشه جلو و عناصر گرمایش برقی که می‌توانند در آنجا تخلیه شوند.
برای بهینه‌سازی سطح شارژ، نظارت بر باتری در خودروهای هیبریدی نیز مهم است. مدیریت هوشمند شارژ از اضافه بار و از تخلیه عمیق جلوگیری می‌کند. هنگامی که سطح شارژ کم است، موتور احتراق داخلی (ICE) زودتر از حد معمول درگیر میشود و برای شارژ اضافی بیشتر کار می کند. با یك باتری كاملاً شارژ ICE خاموش میشود و ماشین در ترافیك آهسته با انرژی الكتریكی حركت می‌كند.
یک راننده EV انتظار دارد در ذخیره انرژی دقت‌های مشابهی که برای یک وسیله نقلیه مجهز به سوخت امکان پذیر است داشته باشد اما فناوری فعلی این اجازه را نمی‌دهد.
راننده EV محدوده رانندگی را با افزایش سن خودرو پیش بینی می‌کند؛ زیرا با گذشت هر سال، فاصله قابل حرکت کمتر میشود. مسافت طی شده در هنگام رانندگی در دمای سرد، به دلیل کاهش عملکرد باتری و پیر شدن باتری، به طور قابل توجهی کوتاه‌تر خواهد شد.
افزودن برآورد ظرفیت در BMS
EBM محدودیت‌هایی در این زمینه دارد که نمی‌تواند ظرفیت را به طور موثر تخمین بزند. با افزودن برآورد ظرفیت می‌توان بر این مسئله غلبه کرد.
پیشنهاد : نحوه اندازه گیری ظرفیت باتری را مطالعه کنید.
شکل ۳ یک BMS با نقاط حس مشترک را نشان می‌دهد که توانایی اندازه گیری ظرفیت به آن اضافه شده است. Spectro ™ مخفف اسپکتروسکوپ امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) با مدل سازی پیچیده است و سنسور باتری ساده را به سطح عملکرد (SoF) تبدیل می‌کند.
شکل ۳ – Spectro-BMS capacity ظرفیت را به عنوان عنصر اصلی برای تخمین وضعیت سلامتی باتری اضافه می کند.
دانستن SoF اعتبار سنجی باتری را بهبود می‌بخشد، اما برخی از تولیدکنندگان دستگاه از آشکار کردن قرائت ظرفیت برای مصرف کننده که کمتر از 100 درصد است، به خصوص در دوره ضمانت، خودداری می‌کنند. برای پنهان کردن اطلاعات ناخواسته، داده‌ها فقط برای استفاده پرسنل خدماتی قابل دسترسی به کد هستند.
نگرانی‌های مصرف کننده که کنار گذاشته شود، SoF به معنای بهبود چشمگیر BMS از نظر قابلیت اطمینان باتری است؛ زیرا کاهش ظرفیت را ردیابی و زمان واقعی مصرف انرژی را محاسبه می‌کند. ظرفیت مبتنی بر BMS جایگزینی نهایی را پیش بینی می‌کند؛ مسئله‌ای که نمی‌تواند به طور کامل با فناوری های فعلی BMS راضی باشد. Future BMS اطلاعات “باتری دیجیتال” را با “باتری شیمیایی” ترکیب می‌کند تا داده های SoF قابل اطمینان را از طریق الگوریتم‌های یادگیری پیشرفته فراهم کند.
منابع : باتری یونیورسیتی
