บทความเพื่อทำความเข้าใจระบบการจัดการแบตเตอรี่ BMS

ระบบจัดการแบตเตอรี่ หรือภาษาอังกฤษว่า BMS (Battery Management System) เป็นส่วนสำคัญของระบบแบตเตอรี่ไฟฟ้าของรถยนต์ไฟฟ้า สามารถตรวจจับ รวบรวม และคำนวณพารามิเตอร์สถานะแบบเรียลไทม์ของแบตเตอรี่เบื้องต้น พร้อมควบคุมการเปิด-ปิดวงจรจ่ายไฟโดยการเปรียบเทียบค่าที่ตรวจพบกับค่าที่ยอมรับได้ นอกจากนี้ยังส่งข้อมูลสำคัญที่รวบรวมได้กลับไปยังตัวควบคุมรถยนต์ และรับคำสั่งจากตัวควบคุมให้ทำงานร่วมกับระบบอื่นๆ ในรถยนต์ โดยทั่วไปแล้ว เซลล์แต่ละชนิดมีข้อกำหนดสำหรับระบบการจัดการที่แตกต่างกัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้ามีความจุสูง มีเซลล์แบบอนุกรมและขนานจำนวนมาก ระบบมีความซับซ้อน มีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสูง เช่น ความปลอดภัย ความทนทาน และกำลังไฟฟ้า และใช้งานยาก จึงกลายเป็นปัญหาคอขวดที่ส่งผลกระทบต่อความนิยมของรถยนต์ไฟฟ้า พื้นที่ทำงานที่ปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้า เมื่อใช้งานเกินช่วงที่กำหนด ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างรวดเร็ว และอาจก่อให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัยได้
วัตถุประสงค์หลักของระบบการจัดการแบตเตอรี่คือการรับประกันประสิทธิภาพการออกแบบของระบบแบตเตอรี่ และให้ฟังก์ชันการทำงานในสามด้าน ได้แก่ ความปลอดภัย ความทนทาน และพลังงาน ด้านความปลอดภัย ระบบจัดการ BMS สามารถปกป้องเซลล์แบตเตอรี่หรือชุดแบตเตอรี่จากความเสียหายและป้องกันอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย ในด้านความทนทาน แม้ว่าแบตเตอรี่จะทำงานในพื้นที่ปลอดภัยที่เชื่อถือได้ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ก็จะยาวนานขึ้น ในด้านพลังงาน จำเป็นต้องรักษาสถานะการทำงานของแบตเตอรี่ให้เป็นไปตามข้อกำหนดของรถยนต์

ระบบการจัดการ BMS ประกอบด้วยเซ็นเซอร์ ตัวกระตุ้น ตัวควบคุม และสายสัญญาณต่างๆ เป็นหลัก เพื่อให้รถยนต์พลังงานใหม่สามารถขับขี่บนท้องถนนได้อย่างปลอดภัยและเป็นไปตามมาตรฐานและข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง ระบบการจัดการ BMS ควรมีหน้าที่ดังต่อไปนี้:

การตรวจจับพารามิเตอร์แบตเตอรี่: รวมถึงแรงดันไฟฟ้ารวม กระแสไฟฟ้ารวม การตรวจจับแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่เดี่ยว (เพื่อป้องกันการชาร์จเกิน การปล่อยประจุเกิน และแม้แต่การกลับขั้ว) การตรวจจับอุณหภูมิ (ควรมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิสำหรับแบตเตอรี่แต่ละชุด ขั้วต่อสายไฟ ฯลฯ) การตรวจจับควัน (การตรวจสอบการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ ฯลฯ) การตรวจจับฉนวน (การตรวจสอบการรั่วไหล) การตรวจจับการชน ฯลฯ

การประมาณสถานะแบตเตอรี่: รวมถึงสถานะการชาร์จ (SOC) หรือความลึกของการคายประจุ (DOD) สถานะสุขภาพ (SOH) สถานะการทำงาน (SOF) สถานะพลังงาน (SOE) สถานะความล้มเหลวและความปลอดภัย (SOS) ฯลฯ

การวินิจฉัยข้อผิดพลาดออนไลน์: ครอบคลุมการตรวจจับข้อผิดพลาด การวินิจฉัยประเภทข้อผิดพลาด การระบุตำแหน่งข้อผิดพลาด การแสดงผลข้อมูลข้อผิดพลาด ฯลฯ การตรวจจับข้อผิดพลาดหมายถึงการใช้อัลกอริทึมการวินิจฉัยเพื่อวินิจฉัยประเภทข้อผิดพลาดและการแจ้งเตือนล่วงหน้าผ่านสัญญาณเซ็นเซอร์ที่รวบรวมได้ ความล้มเหลวของแบตเตอรี่หมายถึงความล้มเหลวของเซ็นเซอร์ ความล้มเหลวของแอคชูเอเตอร์ (เช่น คอนแทคเตอร์ พัดลม ปั๊ม เครื่องทำความร้อน ฯลฯ) ความล้มเหลวของเครือข่าย และความล้มเหลวของซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ของตัวควบคุมต่างๆ ความล้มเหลวของชุดแบตเตอรี่หมายถึงแรงดันไฟฟ้าเกิน (การชาร์จไฟเกิน) แรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไป (การคายประจุเกิน) กระแสเกิน อุณหภูมิสูงเกินปกติ ความผิดพลาดของวงจรลัดวงจรภายใน ข้อต่อหลวม การรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ และการลดลงของฉนวน

การควบคุมและแจ้งเตือนความปลอดภัยของแบตเตอรี่: ประกอบด้วยระบบควบคุมความร้อนและระบบควบคุมความปลอดภัยแรงดันไฟฟ้าสูง หลังจาก BMS วินิจฉัยปัญหาแล้ว ระบบจะแจ้งเตือนไปยังผู้ควบคุมรถผ่านเครือข่าย และกำหนดให้ผู้ควบคุมรถต้องจัดการอย่างมีประสิทธิภาพ (BMS ยังสามารถตัดวงจรไฟฟ้าหลักเมื่อเกินขีดจำกัดที่กำหนด) เพื่อป้องกันอุณหภูมิสูง อุณหภูมิต่ำ การชาร์จไฟเกิน การคายประจุเกิน และความร้อนสูงเกินไป ความเสียหายต่อแบตเตอรี่และชีวิตส่วนตัว เช่น กระแสไฟฟ้าไหลและการรั่วไหล

การควบคุมการชาร์จ: มีโมดูลการจัดการการชาร์จใน BMS ซึ่งสามารถควบคุมเครื่องชาร์จเพื่อชาร์จแบตเตอรี่อย่างปลอดภัยตามคุณลักษณะของแบตเตอรี่ อุณหภูมิ และระดับพลังงานของเครื่องชาร์จ

การปรับสมดุลแบตเตอรี่: ความไม่สมดุลของแบตเตอรี่จะทำให้ความจุของชุดแบตเตอรี่น้อยกว่าความจุของเซลล์ที่เล็กที่สุดในชุด การปรับสมดุลแบตเตอรี่คือการใช้วิธีการปรับสมดุลแบบแอคทีฟหรือพาสซีฟ แบบกระจายประจุ หรือไม่กระจายประจุ โดยอาศัยข้อมูลของแบตเตอรี่แต่ละก้อน เพื่อทำให้ความจุของชุดแบตเตอรี่ใกล้เคียงกับความจุของเซลล์ที่เล็กที่สุดมากที่สุด

การจัดการความร้อน: ตามข้อมูลการกระจายอุณหภูมิในชุดแบตเตอรี่และข้อกำหนดในการชาร์จและการปล่อยประจุ กำหนดความเข้มข้นของการทำความร้อน/การแผ่รังสี เพื่อให้แบตเตอรี่สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และให้ประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่อย่างเต็มที่

การสื่อสารเครือข่าย: BMS จำเป็นต้องสื่อสารกับโหนดเครือข่าย เช่น ตัวควบคุมยานพาหนะ ในเวลาเดียวกัน การถอดประกอบ BMS บนยานพาหนะก็ไม่สะดวก และจำเป็นต้องทำการสอบเทียบออนไลน์ การตรวจสอบ การสร้างรหัสอัตโนมัติ และการดาวน์โหลดโปรแกรมออนไลน์ (การอัปเดตโปรแกรมและห้ามถอดประกอบผลิตภัณฑ์) เป็นต้น เครือข่ายยานพาหนะทั่วไปใช้เทคโนโลยี CAN bus

การจัดเก็บข้อมูล: ใช้เพื่อจัดเก็บข้อมูลสำคัญ เช่น SOC, SOH, SOF, SOE, ค่า Ah สะสมของประจุและคายประจุ, รหัสข้อผิดพลาดและความสม่ำเสมอ ฯลฯ BMS จริงในรถยนต์อาจมีฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์บางส่วนที่กล่าวถึงข้างต้น เซลล์แบตเตอรี่แต่ละเซลล์ควรมีเซ็นเซอร์แรงดันแบตเตอรี่อย่างน้อยหนึ่งตัวและเซ็นเซอร์อุณหภูมิอย่างน้อยหนึ่งตัว สำหรับระบบแบตเตอรี่ที่มีเซลล์หลายสิบเซลล์ อาจมีตัวควบคุม BMS เพียงตัวเดียว หรือแม้แต่ฟังก์ชัน BMS ที่รวมอยู่ในตัวควบคุมหลักของรถยนต์ สำหรับระบบแบตเตอรี่ที่มีเซลล์หลายร้อยเซลล์ อาจมีตัวควบคุมหลักหนึ่งตัวและตัวควบคุมรองหลายตัวที่จัดการโมดูลแบตเตอรี่เพียงตัวเดียว สำหรับโมดูลแบตเตอรี่แต่ละโมดูลที่มีเซลล์แบตเตอรี่หลายสิบเซลล์ อาจมีคอนแทคเตอร์วงจรโมดูลและโมดูลปรับสมดุล และตัวควบคุมรองจะจัดการโมดูลแบตเตอรี่ เช่น การวัดแรงดันและกระแสไฟฟ้า ควบคุมคอนแทคเตอร์ ปรับสมดุลเซลล์แบตเตอรี่ และสื่อสารกับตัวควบคุมหลัก จากข้อมูลที่รายงาน ตัวควบคุมหลักจะดำเนินการประเมินสถานะแบตเตอรี่ วินิจฉัยข้อผิดพลาด จัดการความร้อน ฯลฯ

ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของยานพาหนะไฟฟ้า BMS จึงจำเป็นต้องมีความสามารถในการป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดี และในขณะเดียวกัน BMS ยังต้องมีการแผ่รังสีภายนอกต่ำอีกด้วย

ในฐานะศูนย์กลางการตรวจสอบและจัดการชุดแบตเตอรี่พลังงานใหม่สำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ ระบบการจัดการ BMS จำเป็นต้องตรวจสอบอุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้า กระแสชาร์จและคายประจุ รวมถึงพารามิเตอร์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องของชุดแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ และสามารถริเริ่มมาตรการฉุกเฉินเพื่อปกป้องแบตเตอรี่แต่ละก้อนเมื่อจำเป็น หลีกเลี่ยงปัญหาด้านความปลอดภัย เช่น การชาร์จไฟเกิน การคายประจุเกิน ความร้อนสูงเกินไป และการลัดวงจรของชุดแบตเตอรี่ นอกจากนี้ ระบบการจัดการ BMS ยังต้องประเมินค่า SOC ของแบตเตอรี่อย่างแม่นยำตลอดอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ และส่งข้อมูลสำคัญต่างๆ เช่น พลังงานที่เหลืออยู่ ระยะทาง และความผิดปกติต่างๆ กลับไปยังผู้ขับขี่อย่างทันท่วงทีและเหมาะสม เป็นวิธีที่เหมาะสมในการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระบบและ ECU ของรถยนต์หรือคอมพิวเตอร์แม่ข่ายให้เสร็จสมบูรณ์