سیستم مدیریت باتری چیست؟

تعریف

سیستم مدیریت باتری (BMS) یک فناوری است که به نظارت بر بسته باتری اختصاص داده شده است، که مجموعه ای از سلول های باتری است که به صورت الکتریکی در یک ردیف x ستون ماتریس پیکربندی شده است تا امکان تحویل محدوده هدفمند ولتاژ و جریان را برای مدت زمان طولانی در برابر آن فراهم کند. سناریوهای بار مورد انتظارنظارتی که BMS انجام می دهد معمولاً شامل موارد زیر است:

• نظارت بر باتری
• ارائه حفاظت از باتری
• تخمین وضعیت عملکرد باتری
• بهینه سازی مداوم عملکرد باتری
• گزارش وضعیت عملیاتی به دستگاه های خارجی

در اینجا، اصطلاح "باتری" به کل بسته دلالت دارد.با این حال، عملکردهای نظارت و کنترل به طور خاص برای سلول‌های جداگانه یا گروه‌هایی از سلول‌ها به نام ماژول‌ها در مجموعه کلی بسته باتری اعمال می‌شوند.سلول‌های قابل شارژ لیتیوم یون بالاترین چگالی انرژی را دارند و انتخاب استاندارد برای بسته‌های باتری برای بسیاری از محصولات مصرفی، از لپ‌تاپ گرفته تا خودروهای الکتریکی هستند.در حالی که عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند، اگر خارج از یک منطقه عملیاتی ایمن عمومی (SOA) کار کنند، با نتایجی از به خطر انداختن عملکرد باتری تا عواقب خطرناک آشکار، می‌توانند نسبتاً نابخشوده باشند.BMS مطمئناً شرح وظایف چالش برانگیزی دارد و پیچیدگی و نظارت کلی آن ممکن است رشته های بسیاری مانند برق، دیجیتال، کنترل، حرارتی و هیدرولیک را در بر گیرد.

سیستم های مدیریت باتری چگونه کار می کنند؟

سیستم های مدیریت باتری مجموعه ای از معیارهای ثابت یا منحصر به فرد ندارند که باید اتخاذ شوند.دامنه طراحی فناوری و ویژگی های اجرا شده به طور کلی با موارد زیر مرتبط است:

• هزینه ها، پیچیدگی و اندازه بسته باتری
• استفاده از باتری و هرگونه نگرانی ایمنی، طول عمر و گارانتی
• الزامات صدور گواهینامه از مقررات مختلف دولتی که در آن در صورت وجود اقدامات ایمنی عملکردی ناکافی، هزینه ها و جریمه ها در درجه اول اهمیت قرار دارند.

بسیاری از ویژگی های طراحی BMS وجود دارد که مدیریت حفاظت از بسته باتری و مدیریت ظرفیت دو ویژگی ضروری هستند.ما در اینجا به نحوه عملکرد این دو ویژگی خواهیم پرداخت.مدیریت حفاظت بسته باتری دارای دو عرصه کلیدی است: حفاظت الکتریکی، که به معنای عدم آسیب رساندن به باتری از طریق استفاده خارج از SOA است، و حفاظت حرارتی، که شامل کنترل دمای غیرفعال و/یا فعال برای حفظ یا وارد کردن بسته به SOA است.

حفاظت مدیریت برق: فعلی

نظارت بر جریان بسته باتری و ولتاژ سلول یا ماژول راه حفاظت الکتریکی است.SOA الکتریکی هر سلول باتری توسط جریان و ولتاژ محدود می شود.شکل 1 یک SOA سلول لیتیوم یون معمولی را نشان می دهد و یک BMS با طراحی خوب از بسته با جلوگیری از عملکرد خارج از رتبه بندی سلول های سازنده محافظت می کند.در بسیاری از موارد، کاهش بیشتر ممکن است برای اقامت در منطقه امن SOA به منظور ارتقای طول عمر بیشتر باتری اعمال شود.

سلول‌های لیتیوم یون محدودیت‌های جریان متفاوتی برای شارژ نسبت به تخلیه دارند و هر دو حالت می‌توانند جریان‌های پیک بالاتری را، البته برای دوره‌های زمانی کوتاه، تحمل کنند.سازندگان سلول های باتری معمولا حداکثر محدودیت جریان شارژ و دشارژ مداوم را به همراه محدودیت های حداکثر جریان شارژ و دشارژ مشخص می کنند.یک BMS که حفاظت جریان را ارائه می دهد، مطمئناً حداکثر جریان پیوسته را اعمال می کند.با این حال، ممکن است قبل از این به دلیل تغییر ناگهانی شرایط بار باشد.به عنوان مثال، شتاب ناگهانی یک وسیله نقلیه الکتریکی.یک BMS ممکن است با ادغام جریان و بعد از زمان مثلث، نظارت بر جریان اوج را در خود جای دهد، و تصمیم بگیرد که جریان موجود را کاهش دهد یا جریان بسته را به طور کلی قطع کند.این به BMS اجازه می‌دهد تا حساسیت آنی به پیک‌های شدید جریان، مانند شرایط اتصال کوتاه که توجه فیوزهای ساکن را جلب نکرده است، داشته باشد، اما همچنین تا زمانی که بیش از حد بیش از حد نباشد، نسبت به پیک‌های بالا ببخشد. طولانی

حفاظت مدیریت برق: ولتاژ

شکل 2 نشان می دهد که یک سلول لیتیوم یونی باید در محدوده ولتاژ خاصی کار کند.این مرزهای SOA در نهایت توسط شیمی ذاتی سلول لیتیوم یون انتخاب شده و دمای سلول ها در هر زمان مشخص تعیین می شود.علاوه بر این، از آنجایی که هر بسته باتری مقدار قابل توجهی از چرخه جریان را تجربه می کند، به دلیل نیاز به بار و شارژ از منابع مختلف انرژی تخلیه می شود، این محدودیت های ولتاژ SOA معمولاً برای بهینه سازی طول عمر باتری محدودتر می شوند.BMS باید بداند که این محدودیت ها چیست و بر اساس نزدیکی به این آستانه ها تصمیم گیری خواهد کرد.به عنوان مثال، هنگام نزدیک شدن به حد مجاز ولتاژ بالا، یک BMS ممکن است درخواست کاهش تدریجی جریان شارژ کند، یا ممکن است درخواست کند در صورت رسیدن به حد مجاز، جریان شارژ را به طور کلی خاتمه دهد.با این حال، این محدودیت معمولاً با ملاحظات پسماند ولتاژ ذاتی اضافی همراه است تا از صحبت های کنترلی در مورد آستانه خاموشی جلوگیری شود.از سوی دیگر، هنگام نزدیک شدن به حد ولتاژ پایین، یک BMS درخواست می کند که بارهای متخلف کلیدی تقاضای فعلی خود را کاهش دهند.در مورد یک وسیله نقلیه الکتریکی، این ممکن است با کاهش گشتاور مجاز در دسترس برای موتور کششی انجام شود.البته، BMS باید ملاحظات ایمنی را برای راننده در بالاترین اولویت قرار دهد و از بسته باتری جلوگیری کند تا از آسیب دائمی جلوگیری کند.

حفاظت مدیریت حرارتی: دما

در ارزش اسمی، ممکن است به نظر برسد که سلول‌های لیتیوم یون دارای محدوده عملیاتی دمایی گسترده‌ای هستند، اما ظرفیت کلی باتری در دماهای پایین کاهش می‌یابد زیرا سرعت واکنش‌های شیمیایی به طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.با توجه به قابلیت در دماهای پایین، آنها بسیار بهتر از باتری های سرب اسید یا NiMh عمل می کنند.با این حال، مدیریت دما با احتیاط ضروری است زیرا شارژ کردن زیر 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) از نظر فیزیکی مشکل دارد.پدیده آبکاری لیتیوم فلزی می تواند بر روی آند در هنگام شارژ زیر انجماد رخ دهد.این آسیب دائمی است و نه تنها منجر به کاهش ظرفیت می شود، بلکه سلول ها در صورت قرار گرفتن در معرض لرزش یا سایر شرایط استرس زا در برابر شکست آسیب پذیرتر هستند.یک BMS می تواند دمای بسته باتری را از طریق گرمایش و سرمایش کنترل کند.

مدیریت حرارتی تحقق یافته کاملاً به اندازه و هزینه بسته باتری و اهداف عملکرد، معیارهای طراحی BMS و واحد محصول بستگی دارد که ممکن است شامل در نظر گرفتن منطقه جغرافیایی مورد نظر (به عنوان مثال آلاسکا در مقابل هاوایی) باشد.صرف نظر از نوع بخاری، به طور کلی مصرف انرژی از یک منبع برق AC خارجی، یا یک باتری ساکن جایگزین برای کارکرد بخاری در صورت نیاز، موثرتر است.با این حال، اگر بخاری برقی دارای جریان متوسطی باشد، انرژی از بسته باتری اولیه می‌تواند برای گرم کردن خود سیفون شود.اگر یک سیستم هیدرولیک حرارتی اجرا شود، از یک بخاری الکتریکی برای گرم کردن مایع خنک کننده استفاده می شود که پمپ شده و در سرتاسر مجموعه پک توزیع می شود.

مهندسان طراح BMS بدون شک ترفندهایی در تجارت طراحی خود دارند تا انرژی گرمایی را به بسته منتقل کنند.به عنوان مثال، می توان انواع الکترونیک قدرت داخل BMS را که به مدیریت ظرفیت اختصاص داده شده است، روشن کرد.اگرچه به اندازه گرمایش مستقیم کارآمد نیست، اما بدون توجه به آن می توان از آن استفاده کرد.خنک کننده به ویژه برای به حداقل رساندن از دست دادن عملکرد یک بسته باتری لیتیوم یون حیاتی است.برای مثال، شاید یک باتری معین در دمای 20 درجه سانتیگراد به طور بهینه کار کند.اگر دمای بسته به 30 درجه سانتیگراد افزایش یابد، راندمان عملکرد آن می تواند تا 20٪ کاهش یابد.اگر بسته به طور مداوم در دمای 45 درجه سانتیگراد (113 درجه فارنهایت) شارژ و شارژ شود، افت عملکرد می تواند تا 50 درصد افزایش یابد.در صورت قرار گرفتن مداوم در معرض گرمای بیش از حد، به ویژه در طول چرخه های شارژ و دشارژ سریع، عمر باتری نیز می تواند از پیری و تخریب زودرس رنج ببرد.خنک سازی معمولاً با دو روش غیرفعال یا فعال انجام می شود و ممکن است از هر دو روش استفاده شود.خنک کننده غیرفعال به حرکت جریان هوا برای خنک کردن باتری متکی است.در مورد یک وسیله نقلیه الکتریکی، این بدان معناست که به سادگی در جاده حرکت می کند.با این حال، ممکن است پیچیده‌تر از آن چیزی باشد که به نظر می‌رسد، زیرا سنسورهای سرعت هوا می‌توانند با تنظیم استراتژیک خودکار سدهای هوای منحرف برای به حداکثر رساندن جریان هوا، ادغام شوند.اجرای یک فن فعال با کنترل دما می تواند در سرعت های پایین یا زمانی که خودرو متوقف شده است کمک کند، اما تنها کاری که می تواند انجام دهد این است که بسته را با دمای محیط اطراف یکسان کند.در صورت یک روز گرم سوزان، این می تواند دمای اولیه بسته را افزایش دهد.خنک کننده فعال هیدرولیک حرارتی را می توان به عنوان یک سیستم مکمل طراحی کرد و معمولاً از خنک کننده اتیلن گلیکول با نسبت مخلوط مشخصی استفاده می کند که از طریق یک پمپ موتور الکتریکی از طریق لوله ها / شیلنگ ها، منیفولدهای توزیع، یک مبدل حرارتی جریان متقابل (رادیاتور) به گردش در می آید. و صفحه خنک کننده در مقابل مجموعه بسته باتری قرار دارد.یک BMS دماها را در سراسر بسته نظارت می کند و دریچه های مختلف را باز و بسته می کند تا دمای باتری کلی را در محدوده دمایی باریکی حفظ کند تا از عملکرد بهینه باتری اطمینان حاصل شود.

مدیریت ظرفیت

به حداکثر رساندن ظرفیت بسته باتری مسلما یکی از حیاتی ترین ویژگی های عملکرد باتری است که BMS ارائه می دهد.اگر این تعمیر و نگهداری انجام نشود، بسته باتری ممکن است در نهایت خود را بی فایده کند.ریشه مشکل این است که یک بسته باتری "پشته" (مجموعه مجموعه ای از سلول ها) کاملاً برابر نیست و ذاتاً دارای نرخ نشتی یا خود تخلیه کمی متفاوت است.نشتی یک نقص سازنده نیست، بلکه یک ویژگی شیمیایی باتری است، اگرچه ممکن است از نظر آماری از تغییرات جزئی فرآیند تولید تأثیر بگذارد.در ابتدا ممکن است یک بسته باتری دارای سلول‌های کاملاً منطبق باشد، اما با گذشت زمان، شباهت سلول به سلول بیشتر کاهش می‌یابد، نه فقط به دلیل تخلیه خود، بلکه تحت تأثیر چرخه شارژ/دشارژ، دمای بالا و پیری تقویم عمومی.با درک این موضوع، بحث قبلی را به یاد بیاورید که سلول‌های لیتیوم یونی عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند، اما اگر خارج از یک SOA محکم کار کنند، می‌توانند نسبتاً غیرقابل بخشش باشند.ما قبلاً در مورد حفاظت الکتریکی مورد نیاز یاد گرفتیم زیرا سلول های لیتیوم یونی به خوبی با شارژ بیش از حد مقابله نمی کنند.پس از شارژ کامل، آنها نمی توانند جریان بیشتری را بپذیرند و هر انرژی اضافی وارد شده به آن در گرما تغییر شکل می دهد و ولتاژ به طور بالقوه به سرعت افزایش می یابد و احتمالاً به سطوح خطرناکی می رسد.وضعیت سالمی برای سلول نیست و در صورت ادامه می تواند باعث آسیب دائمی و شرایط عملیاتی ناایمن شود.

آرایه سلولی سری بسته باتری چیزی است که ولتاژ کلی بسته را تعیین می‌کند و عدم تطابق بین سلول‌های مجاور هنگام تلاش برای شارژ کردن هر پشته مشکل ایجاد می‌کند.شکل 3 نشان می دهد که چرا این چنین است.اگر یک مجموعه سلولی کاملاً متعادل داشته باشد، همه چیز خوب است زیرا هر کدام به یک اندازه شارژ می شوند و با رسیدن به آستانه قطع ولتاژ بالای 4.0 می توان جریان شارژ را قطع کرد.با این حال، در سناریوی نامتعادل، سلول بالایی زودتر به حد شارژ خود می‌رسد و قبل از اینکه سایر سلول‌های زیرین به ظرفیت کامل شارژ شوند، باید جریان شارژ برای پا قطع شود.

BMS چیزی است که وارد عمل می شود و باعث صرفه جویی در روز می شود، یا در این مورد بسته باتری.برای نشان دادن این که چگونه این کار می کند، باید یک تعریف کلیدی توضیح داده شود.وضعیت شارژ (SOC) یک سلول یا ماژول در یک زمان معین متناسب با شارژ موجود نسبت به کل شارژ در هنگام شارژ کامل است.بنابراین، باتری که در 50٪ SOC قرار دارد، به این معنی است که 50٪ شارژ شده است، که شبیه به یک نشانگر سوخت است.مدیریت ظرفیت BMS همه چیز در مورد متعادل کردن تغییرات SOC در هر پشته در مجموعه بسته است.از آنجایی که SOC یک کمیت مستقیم قابل اندازه گیری نیست، می توان آن را با تکنیک های مختلف تخمین زد و خود طرح متعادل کننده به طور کلی به دو دسته اصلی منفعل و فعال تقسیم می شود.تم ها تنوع زیادی دارند و هر نوع مزایا و معایبی دارد.این به مهندس طراح BMS بستگی دارد که تصمیم بگیرد کدام یک برای بسته باتری معین و کاربرد آن بهینه است.توازن غیرفعال ساده ترین راه برای پیاده سازی و همچنین توضیح مفهوم تعادل عمومی است.روش غیرفعال به هر سلول در پشته اجازه می دهد تا ظرفیت بارگیری مشابه ضعیف ترین سلول را داشته باشد.با استفاده از جریان نسبتاً کم، مقدار کمی انرژی را از سلول‌های SOC بالا در طول چرخه شارژ خارج می‌کند تا همه سلول‌ها تا حداکثر SOC خود شارژ شوند.شکل 4 نحوه انجام این کار توسط BMS را نشان می دهد.هر سلول را نظارت می کند و از یک سوئیچ ترانزیستور و یک مقاومت تخلیه با اندازه مناسب به موازات هر سلول استفاده می کند.هنگامی که BMS حس می کند یک سلول معین در حال نزدیک شدن به حد مجاز شارژ خود است، جریان اضافی را در اطراف آن به سلول بعدی زیر به شکلی از بالا به پایین هدایت می کند.

نقاط پایانی فرآیند تعادل، قبل و بعد، در شکل 5 نشان داده شده است. به طور خلاصه، یک BMS پشته باتری را با اجازه دادن به سلول یا ماژول در پشته برای مشاهده جریان شارژ متفاوت از جریان بسته به یکی از روش های زیر متعادل می کند:

• حذف شارژ از سلول‌هایی که بیشترین شارژ را دارند، که فضای بیشتری را برای جریان شارژ اضافی برای جلوگیری از شارژ بیش از حد ایجاد می‌کند و به سلول‌های دارای شارژ کمتر اجازه می‌دهد جریان شارژ بیشتری دریافت کنند.
• تغییر جهت بخشی یا تقریباً تمام جریان شارژ در اطراف سلول‌های دارای بیشترین شارژ، در نتیجه به سلول‌های دارای شارژ کمتر اجازه می‌دهد تا برای مدت طولانی‌تری جریان شارژ را دریافت کنند.

انواع سیستم های مدیریت باتری

سیستم‌های مدیریت باتری از ساده تا پیچیده را شامل می‌شوند و می‌توانند طیف وسیعی از فناوری‌های مختلف را برای دستیابی به دستور اصلی خود در «مراقبت از باتری» در بر گیرند.با این حال، این سیستم ها را می توان بر اساس توپولوژی آنها طبقه بندی کرد، که به نحوه نصب و عملکرد آنها بر روی سلول ها یا ماژول ها در سراسر بسته باتری مربوط می شود.

معماری متمرکز BMS

دارای یک BMS مرکزی در مجموعه بسته باتری.تمام بسته های باتری به طور مستقیم به BMS مرکزی متصل می شوند.ساختار یک BMS متمرکز در شکل 6 نشان داده شده است. BMS متمرکز مزایایی دارد.جمع و جورتر است و از آنجایی که تنها یک BMS وجود دارد، مقرون به صرفه ترین است.با این حال، یک BMS متمرکز دارای معایبی است.از آنجایی که تمام باتری ها مستقیماً به BMS متصل می شوند، BMS برای اتصال به تمام بسته های باتری به پورت های زیادی نیاز دارد.این به معنای تعداد زیادی سیم، کابل، کانکتور و غیره در بسته های باتری بزرگ است که هم عیب یابی و هم تعمیر و نگهداری را پیچیده می کند.

توپولوژی مدولار BMS

مشابه یک پیاده‌سازی متمرکز، BMS به چندین ماژول تکراری تقسیم می‌شود که هر کدام دارای یک دسته سیم و اتصالات به بخش اختصاصی مجاور یک پشته باتری هستند.شکل 7 را ببینید. در برخی موارد، این زیرماژول‌های BMS ممکن است تحت نظارت ماژول BMS اولیه قرار داشته باشند که وظیفه آن نظارت بر وضعیت زیرماژول‌ها و برقراری ارتباط با تجهیزات جانبی است.به لطف ماژولار بودن تکراری، عیب یابی و تعمیر و نگهداری آسان تر است و گسترش به بسته های باتری بزرگتر ساده است.نکته منفی این است که هزینه های کلی کمی بالاتر است و بسته به برنامه ممکن است عملکردهای تکراری استفاده نشده وجود داشته باشد.

BMS اولیه/فرعی

از نظر مفهومی مشابه توپولوژی مدولار است، با این حال، در این مورد، بردها بیشتر به انتقال اطلاعات اندازه گیری محدود می شوند و Master به محاسبات و کنترل و همچنین ارتباطات خارجی اختصاص دارد.بنابراین، در حالی که مانند انواع مدولار، هزینه ها ممکن است کمتر باشد زیرا عملکرد بردها ساده تر است، احتمالاً هزینه های اضافی کمتر و ویژگی های استفاده نشده کمتری دارد.

معماری BMS توزیع شده

تفاوت قابل توجهی با توپولوژی های دیگر، که در آن سخت افزار و نرم افزار الکترونیکی در ماژول هایی قرار می گیرند که از طریق بسته های سیم کشی متصل به سلول ها متصل می شوند.یک BMS توزیع شده تمام سخت افزارهای الکترونیکی را بر روی یک برد کنترلی که مستقیماً روی سلول یا ماژول در حال نظارت قرار می گیرد، ترکیب می کند.این بخش عمده کابل کشی را به چند سیم حسگر و سیم های ارتباطی بین ماژول های BMS مجاور کاهش می دهد.در نتیجه، هر BMS مستقل تر است و محاسبات و ارتباطات را در صورت نیاز انجام می دهد.با این حال، با وجود این سادگی ظاهری، این فرم یکپارچه عیب یابی و نگهداری را به طور بالقوه مشکل ساز می کند، زیرا در اعماق مجموعه ماژول محافظ قرار دارد.هزینه ها نیز بیشتر است زیرا BMS های بیشتری در ساختار کلی بسته باتری وجود دارد.

اهمیت سیستم های مدیریت باتری

ایمنی عملکردی در BMS بالاترین اهمیت را دارد.در طول عملیات شارژ و دشارژ، جلوگیری از ولتاژ، جریان و دمای هر سلول یا ماژول تحت کنترل نظارتی از فراتر رفتن از محدودیت های تعریف شده SOA بسیار مهم است.اگر از محدودیت ها برای مدت طولانی تجاوز شود، نه تنها یک بسته باتری بالقوه گران قیمت به خطر می افتد، بلکه ممکن است شرایط فرار حرارتی خطرناکی ایجاد شود.علاوه بر این، محدودیت‌های آستانه ولتاژ پایین‌تر نیز برای محافظت از سلول‌های لیتیوم یون و ایمنی عملکردی به‌شدت نظارت می‌شوند.اگر باتری لیتیوم یونی در این حالت ولتاژ پایین باقی بماند، دندریت‌های مسی می‌توانند در نهایت روی آند رشد کنند، که می‌تواند منجر به افزایش نرخ خود تخلیه و ایجاد نگرانی‌های ایمنی احتمالی شود.چگالی انرژی بالای سیستم‌های لیتیوم یونی با قیمتی همراه است که فضای کمی برای خطای مدیریت باتری باقی می‌گذارد.به لطف BMS ها و بهبودهای لیتیوم یونی، این یکی از موفق ترین و ایمن ترین باتری های موجود امروزی است.

عملکرد بسته باتری بالاترین ویژگی مهم بعدی یک BMS است و این شامل مدیریت الکتریکی و حرارتی است.برای بهینه‌سازی الکتریکی ظرفیت کلی باتری، تمام سلول‌های بسته باید متعادل باشند، که به این معنی است که SOC سلول‌های مجاور در سراسر مجموعه تقریباً معادل هستند.این بسیار مهم است زیرا نه تنها می توان ظرفیت باتری بهینه را به دست آورد، بلکه به جلوگیری از تخریب عمومی کمک می کند و نقاط بالقوه را از شارژ بیش از حد سلول های ضعیف کاهش می دهد.باتری های لیتیوم یونی باید از تخلیه کمتر از حد ولتاژ پایین اجتناب کنند، زیرا این می تواند منجر به اثرات حافظه و کاهش قابل توجه ظرفیت شود.فرآیندهای الکتروشیمیایی بسیار حساس به دما هستند و باتری ها نیز از این قاعده مستثنی نیستند.هنگامی که دمای محیط کاهش می یابد، ظرفیت و انرژی باتری موجود به طور قابل توجهی کاهش می یابد.در نتیجه، یک BMS ممکن است یک بخاری داخلی خارجی را درگیر کند که مثلاً روی سیستم خنک‌کننده مایع یک بسته باتری خودروی الکتریکی قرار دارد، یا صفحه‌های بخاری ساکن را روشن کند که در زیر ماژول‌های یک بسته تعبیه شده در یک هلیکوپتر یا موارد دیگر نصب شده است. هواپیماعلاوه بر این، از آنجایی که شارژ سلول های لیتیوم یون منجمد برای عملکرد باتری مضر است، مهم است که ابتدا دمای باتری را به اندازه کافی بالا ببرید.اکثر سلول‌های لیتیوم یونی در دمای کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد نمی‌توانند سریع شارژ شوند و در دمای زیر 0 درجه سانتی‌گراد اصلاً نباید شارژ شوند.برای عملکرد بهینه در طول استفاده معمولی عملیاتی، مدیریت حرارتی BMS اغلب تضمین می‌کند که باتری در یک منطقه باریک Goldilocks کار می‌کند (مثلاً 30 تا 35 درجه سانتی‌گراد).این کار از عملکرد محافظت می کند، عمر طولانی تری را افزایش می دهد و یک بسته باتری سالم و قابل اعتماد را تقویت می کند.

مزایای سیستم های مدیریت باتری

کل سیستم ذخیره انرژی باتری، که اغلب به عنوان BESS نامیده می شود، می تواند از ده ها، صدها یا حتی هزاران سلول لیتیوم یونی تشکیل شده باشد که بسته به کاربرد به صورت استراتژیک در کنار هم قرار گرفته اند.این سیستم ها ممکن است دارای ولتاژ کمتر از 100 ولت باشند، اما می توانند تا 800 ولت، با جریان های منبع تغذیه پک تا 300 آمپر یا بیشتر باشند.هرگونه سوءمدیریت یک پک ولتاژ بالا می‌تواند فاجعه‌ای فاجعه‌بار و تهدیدکننده زندگی را ایجاد کند.در نتیجه، BMS ها برای اطمینان از عملکرد ایمن کاملاً حیاتی هستند.مزایای BMS ها را می توان به صورت زیر خلاصه کرد.

• ایمنی عملکردیبرای بسته های باتری لیتیوم یونی با فرمت بزرگ، این امر بسیار محتاطانه و ضروری است.اما حتی فرمت‌های کوچک‌تری که مثلاً در لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شوند، آتش می‌گیرند و خسارت زیادی به بار می‌آورند.ایمنی شخصی کاربران محصولاتی که دارای سیستم های لیتیوم یونی هستند، فضای کمی برای خطای مدیریت باتری باقی می گذارد.
• طول عمر و قابلیت اطمینانمدیریت حفاظت بسته باتری، الکتریکی و حرارتی، تضمین می‌کند که همه سلول‌ها مطابق با الزامات SOA اعلام شده استفاده می‌شوند.این نظارت ظریف تضمین می کند که سلول ها در برابر استفاده تهاجمی و شارژ و تخلیه سریع چرخه مراقبت می شوند و به ناچار منجر به یک سیستم پایدار می شود که به طور بالقوه چندین سال خدمات قابل اعتماد ارائه می دهد.
• عملکرد و برد.مدیریت ظرفیت بسته باتری BMS، که در آن تعادل سلول به سلول برای یکسان کردن SOC سلول‌های مجاور در مجموعه بسته استفاده می‌شود، امکان تحقق ظرفیت بهینه باتری را فراهم می‌کند.بدون این ویژگی BMS برای در نظر گرفتن تغییرات در خود تخلیه، چرخه شارژ/دشارژ، اثرات دما و پیری کلی، یک بسته باتری در نهایت می تواند خود را بی فایده کند.
• تشخیص، جمع آوری داده ها و ارتباطات خارجی.وظایف نظارتی شامل نظارت مداوم بر تمام سلول‌های باتری است، جایی که ثبت داده‌ها می‌تواند به تنهایی برای تشخیص مورد استفاده قرار گیرد، اما اغلب به منظور محاسبه برای تخمین SOC تمام سلول‌ها در مجموعه است.این اطلاعات برای متعادل کردن الگوریتم‌ها استفاده می‌شود، اما در مجموع می‌توان به دستگاه‌ها و نمایشگرهای خارجی برای نشان دادن انرژی ساکن در دسترس، تخمین محدوده مورد انتظار یا برد/طول عمر بر اساس مصرف فعلی و ارائه وضعیت سلامت بسته باتری رله کرد.
• کاهش هزینه و گارانتیمعرفی BMS به BESS هزینه‌ها را افزایش می‌دهد و بسته‌های باتری گران و بالقوه خطرناک هستند.هرچه سیستم پیچیده تر باشد، الزامات ایمنی بالاتر می رود و در نتیجه نیاز به حضور نظارت بیشتری بر BMS وجود دارد.اما حفاظت و نگهداری پیشگیرانه یک BMS در رابطه با ایمنی عملکردی، طول عمر و قابلیت اطمینان، عملکرد و برد، تشخیص و غیره تضمین می کند که هزینه های کلی، از جمله هزینه های مربوط به گارانتی را کاهش می دهد.

سیستم های مدیریت باتری و سینوپسیس

شبیه سازی یک متحد ارزشمند برای طراحی BMS است، به ویژه زمانی که برای کاوش و پرداختن به چالش های طراحی در توسعه سخت افزار، نمونه سازی اولیه و آزمایش استفاده شود.با یک مدل سلول لیتیوم یون دقیق در بازی، مدل شبیه سازی معماری BMS، مشخصات اجرایی است که به عنوان نمونه اولیه مجازی شناخته می شود.علاوه بر این، شبیه‌سازی امکان بررسی بدون درد انواع عملکردهای نظارت BMS را در برابر سناریوهای مختلف باتری و عملکرد محیطی فراهم می‌کند.مسائل پیاده‌سازی را می‌توان خیلی زود کشف و بررسی کرد، که اجازه می‌دهد تا بهبود عملکرد و ایمنی عملکردی قبل از اجرا بر روی نمونه اولیه سخت‌افزار واقعی تأیید شود.این امر زمان توسعه را کاهش می دهد و کمک می کند تا مطمئن شویم که اولین نمونه سخت افزاری قوی خواهد بود.علاوه بر این، بسیاری از تست‌های احراز هویت، از جمله بدترین سناریوها، می‌توانند در مورد BMS و بسته باتری زمانی که در برنامه‌های کاربردی سیستم تعبیه‌شده از لحاظ فیزیکی واقع‌بینانه اعمال می‌شوند، انجام شوند.

Synopsys SaberRDکتابخانه های مدل هیدرولیک الکتریکی، دیجیتال، کنترلی و حرارتی گسترده ای را برای توانمندسازی مهندسان علاقه مند به طراحی و توسعه BMS و بسته باتری ارائه می دهد.ابزارهایی برای تولید سریع مدل‌ها از مشخصات برگه داده‌های اولیه و منحنی‌های اندازه‌گیری برای بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی و انواع مختلف شیمیایی باتری در دسترس هستند.تجزیه و تحلیل های آماری، تنش، و خطا اجازه تأیید در سراسر طیف های منطقه عملیاتی، از جمله مناطق مرزی را برای اطمینان از قابلیت اطمینان کلی BMS می دهد.علاوه بر این، بسیاری از نمونه‌های طراحی ارائه می‌شوند تا کاربران بتوانند یک پروژه را شروع کنند و به سرعت به پاسخ‌های مورد نیاز شبیه‌سازی برسند.