سیستم مدیریت باتری؛ محافظ باتری

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.

مدیر عامل مرسدس بنز، دیتر زتسچه

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 لیتیوم یون را فراهم می‌کند.
• وضعیت حالت شارژ و وضعیت سلامت (ظرفیت) باتری را نشان می‌دهد.
• پیش بینی 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 بدون ردیابی کم شدن ظرفیت باتری فایده‌ای ندارد. کاربر ممکن است به باتری 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 شارژ SoC و وضعیت سلامت SoH 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.

پیشنهادی: نحوه اندازه گیری وضعیت شارژ را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)

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 ذخیره سازی 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 همچنین هنگام شارژ و تخلیه از باتری محافظت می‌کند. در صورت عبور از محدودیت‌های تعیین شده یا خرابی، باتری را جدا می‌کند. استانداردهای ایجاد شده BMS عبارتند از SMBus (سیستم مدیریت اتوبوس) که برای دستگاه‌های کاربردی قابل حمل استفاده می‌شود. همچنین CAN Bus (شبکه کنترلر) و ساده تر LIN (شبکه محلی اتصال) برای استفاده در خودرو است.

پیشنهادی: یک باتری هوشمند چگونه کار می‌کند را مطالعه کنید.

باتری‌های ثابت

باتری‌های ثابت از اولین باتری‌هایی هستند که شامل سیستم‌های نظارتی هستند. وظیفه اصلی آن نظارت بر ولتاژ سلول‌های جداگانه است. برخی از سیستم‌ها همچنین شامل دمای سلول و اندازه گیری جریان هستند. ثبت 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. تخمین کم شدن ظرفیت که مهم‌ترین شاخص سلامت باتری است، تخمین آن 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 نشان یک باتری سالم به باتری داده شود. بیشتر 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 مشاهده می‌کنند. گرچه ممکن است شمارش چرخه ساده باشد، اما هیچ استانداردی وجود ندارد که چرخه‌ای را تعریف کند و برخی از سیستم‌ها هنگام شارژ شدن باتری، آن را یک چرخه می نامند.

پیشنهادی: 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.

یشنهادی: بازیابی باتری را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)

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 می گیرد و “باتری دیجیتال” را برقرار می‌کند 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.

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 برنامه ریزی 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، پرچم ها را تنظیم می کند. در طول یک دوره استراحت، یک BMS پیشرفته همچنین 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 از BMS همچنین 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 می‌کند و هنگام عبور از طریق یک رگولاتور رله، انرژی بیش از حد را روی یک مقاومت می‌سوزاند. ماشین هنگام پارک هیچ بار پارازیتی نداشت.

از آن زمان، وسایل نقلیه مدرن برای افزایش ایمنی، راحتی ، راحتی و آسودگی مملو از وسایل الکترونیکی داخلی هستند. خصوصیاتی که هیچ کس نمی دانست برای عملکرد قابل اعتماد لوازم جانبی، وضعیت شارژ باتری باید همیشه مشخص باشد. این امر به ویژه در مورد فن آوری 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 25-50 آمپر را می‌کشد. تا چراغ ها، 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 به 350A اضافی نیاز دارد. هنگامی که موتور دوباره کار می کند و ماشین تا حد مجاز ارسال شده شتاب می گیرد ، باتری فقط 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 سربی 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.

مانیتور الکترونیکی باتری (EBM) را نشان می دهد 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 عمر تنظیم نمی‌شوند. دقت SoC باتری جدید در حدود +/– 10 درصد است. با افزایش سن، EBM شروع به رانش می‌کند و دقت آن ممکن است به 20 درصد و بیشتر کاهش یابد. این تا حدی به محو شدن ظرفیت متصل است. مقداری که اکثر BMS نمی‌توانند به طور موثر تخمین بزنند. این نظارت مهندسین نیست. آنها پیچیدگی ها و کاستی های موجود را کاملاً درک می کنند.

یک وسیله نقلیه استارت-استاپ در حدود 2000 میکرو چرخه در سال را طی می‌کند. چنین فشارهایی ظرفیت باتری استارتر استاندارد را به حدود 60 درصد کاهش می‌دهد و خودروسازان از سیستم های مختلف باتری از جمله AGM و Advanced Lead-carbon استفاده می کنند.

پیشنهادی: تأثیر گرما بر عمر باتری را مطالعه کنید.

خودروسازان می خواهند اطمینان حاصل کنند که هیچ راننده‌ای با باتری خالی در ترافیک گیر نمی‌کند. برای صرفه جویی 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 دور 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 بهینه سازی سطح شارژ ، نظارت بر باتری در خودروهای هیبریدی نیز مهم است. مدیریت هوشمند شارژ از اضافه بار جلوگیری می کند و از تخلیه عمیق جلوگیری می کند. هنگامی که سطح شارژ کم است ، موتور احتراق داخلی (ICE) زودتر از حد معمول درگیر می شود و برای شارژ اضافی بیشتر کار می کند. با یك باتری كاملاً شارژ ICE خاموش می شود و ماشین در ترافیك آهسته با انرژی الكتریكی حركت می كند.

یک راننده EV انتظار دارد در ذخیره انرژی دقت های مشابهی که برای یک وسیله نقلیه مجهز به سوخت امکان پذیر است داشته باشد اما فناوری فعلی این اجازه را نمی دهد. برای جبران کردن ، باتری EV بیش از حد ارزیابی می شود و اندازه گیری سوخت برای حفظ انرژی اضافی در هنگام کم شدن شارژ برای پوشاندن عدم دقت ، تنظیم می شود. به راننده EV توصیه می شود اجازه ندهد شارژ خیلی کم شود اما بیشتر شارژ شود. محدوده شارژر متوسط برای باتری بهترین است.

راننده EV نیز همان محدوده رانندگی را با افزایش سن خودرو پیش بینی می کند. این امکان وجود ندارد و با گذشت هر سال فاصله قابل حرکت کمتر می شود ، اما BMS کمک هزینه می کند. باتری جدید ممکن است فقط تا حدود 80 درصد شارژ شود و تا 30 درصد تخلیه شود. با کمرنگ شدن ظرفیت ، پهنای باند به تدریج افزایش می یابد و دامنه رانندگی مشابه باتری جدید را فراهم می کند. مسافت طی شده در هنگام رانندگی در دمای سرد به دلیل کاهش عملکرد باتری و پیر شدن باتری بیش از باند جبران انرژی BMS ، به طور قابل توجهی کوتاه تر خواهد شد.

پیشنهادی: وسیله نقلیه الکتریکی را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)

افزودن برآورد ظرفیت در BMS

EBM محدودیت هایی در این زمینه دارد که نمی تواند ظرفیت را به طور موثر تخمین بزند. با افزودن برآورد ظرفیت می توان بر این مسئله غلبه کرد.

پیشنهادی: نحوه اندازه گیری ظرفیت باتری را مطالعه کنید.

شکل 3 یک BMS با نقاط حس مشترک را نشان می دهد که توانایی اندازه گیری ظرفیت به آن اضافه شده است. Spectro ™ مخفف اسپکتروسکوپ امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) با مدل سازی پیچیده است. این یک سنسور باتری ساده را به سطح عملکرد (SoF) تبدیل می کند.

دانستن SoF اعتبار سنجی باتری را بهبود می بخشد ، 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 می کنند. برای پنهان کردن اطلاعات ناخواسته ، داده ها فقط برای استفاده پرسنل خدماتی قابل دسترسی به کد هستند. (همچنین به BU-602 مراجعه کنید: اندازه گیری باتری باتری چگونه کار می کند؟)

نگرانی های مصرف کننده که کنار گذاشته شود ، SoF به معنای بهبود چشمگیر BMS از نظر قابلیت اطمینان باتری است زیرا محو ظرفیت را ردیابی می کند و زمان واقعی مصرف انرژی را محاسبه می کند. ظرفیت مبتنی بر BMS همچنین جایگزینی نهایی را پیش بینی می کند ، مسئله ای که نمی تواند به طور کامل با فناوری های فعلی BMS راضی باشد. Future BMS اطلاعات “باتری دیجیتال” را با “باتری شیمیایی” ترکیب می کند تا داده های SoF قابل اطمینان را از طریق الگوریتم های یادگیری پیشرفته فراهم کند.

منابع

باتری یونیورسیتی