سیستم مدیریت باتری لیتیومی BMS و مزایای استفاده از آن

سیستم مدیریت باتری لیتیومی BMS:

برد BMS (سیستم مدیریت باتری) یک جزء حیاتی در بسیاری از دستگاه‌هایی است که با باتری کار می‌کنند، به ویژه در سیستم‌هایی که از باتری‌های لیتیوم یون یا لیتیوم پلیمر استفاده می‌کنند. وظیفه اصلی آن مدیریت و نظارت بر عملکرد، ایمنی و طول عمر باتری است.

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.

نظارتی 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.

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.
 علاوه 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.

سیستم های مدیریت باتری چگونه کار می کنند؟

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

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: ولتاژ

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  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 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 ( 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 زیر 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 قطع شود.

نقاط پایانی فرآیند تعادل، قبل و بعد، در شکل زیر 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.

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:

1.ایمنی عملکردی برای 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.

2.طول عمر و قابلیت اطمینان مدیریت 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.

3.عملکرد و محدوده. 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.

4.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.

5.کاهش هزینه و گارانتی معرفی 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.

انواع ماژول های سیستم مدیریت باتری لیتیومی BMS  را میتوانید از فروشگاه سماموتور خریداری کنید.

نمونه هایی از BMS  های موجود در فروشگاه سما موتور :