วิธีการออกแบบระบบการจัดการ (BMS)

ขอบเขตการใช้งานของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่กำลังขยายตัวมากขึ้นเรื่อยๆ แต่สภาพตลาดที่ระบบกำลังเผชิญอยู่ก็เข้มงวดมากขึ้นเช่นกัน ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคจาก Brill Power ผู้พัฒนาระบบจัดการแบตเตอรี่ ได้วิเคราะห์และอภิปรายถึงวิธีการออกแบบและสร้างระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่ช่วยให้ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ใช้งานได้หลากหลายขึ้น และพร้อมใช้งาน

การทำงานและการบำรุงรักษาระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่จำเป็นต้องใช้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เป็นการผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ และเป็นสมองของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่ใช้ในระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ หน้าที่พื้นฐานที่สุดของระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) คือการตรวจสอบให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่มีความสมดุลและปลอดภัย และเพื่อสื่อสารข้อมูลสำคัญ เช่น ความจุที่ใช้งานได้ ไปยังผู้ใช้หรือระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่ออยู่

Brill Power กำลังพัฒนาและออกแบบฮาร์ดแวร์ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

การปรับสมดุลเป็นสิ่งจำเป็น เนื่องจากระบบกักเก็บแบตเตอรี่โดยทั่วไปประกอบด้วยเซลล์หลายร้อยหรือหลายพันเซลล์ ซึ่งแต่ละเซลล์มีความจุและความต้านทานแตกต่างกันเล็กน้อย เมื่อเวลาผ่านไป ความแตกต่างเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นตามการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่แต่ละก้อนในอัตราที่แตกต่างกัน หากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ไม่สมดุล แบตเตอรี่จะถึงจุดที่ไม่สามารถใช้งานแบตเตอรี่ได้ในไม่ช้า

ความปลอดภัยได้รับการรับประกันโดยการรักษาระดับแรงดัน กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน หากชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไป หรือชาร์จที่อุณหภูมิต่ำมาก หรือชาร์จด้วยกระแสหรืออุณหภูมิสูงเกินไป อาจมีความเสี่ยงที่แบตเตอรี่จะทำงานผิดปกติจนอาจเกิดเพลิงไหม้หรือระเบิดได้

พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความจุและกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง ไม่สามารถวัดได้โดยตรง หมายความว่าระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะต้องคำนวณโดยอ้างอิงจากการวัดแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิ การคำนวณนี้เรียกว่าการประมาณค่าสถานะ (State Estimation) และผลลัพธ์จะถูกส่งต่อไปยังระบบระดับสูงขึ้น เช่น ส่วนติดต่อผู้ใช้

ก่อนที่จะพิจารณาข้อควรพิจารณาในการออกแบบระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อย่างละเอียดมากขึ้น จำเป็นต้องทำความเข้าใจประเภทของระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และข้อกำหนดของอุตสาหกรรมที่กำหนดวิธีการออกแบบ มักใช้วิธีการสร้างสมดุลในการจำแนกประเภทของระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) แม้ว่าแง่มุมการออกแบบอื่นๆ ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน เช่น วิธีการที่แตกต่างกันในการประมาณค่าสถานะและการไหลของข้อมูล

สถานะแบตเตอรี่

แบตเตอรี่มีหลายขนาด ซึ่งขึ้นอยู่กับความจุโดยตรง ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักเป็นแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่สุด แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจต่ำถึง 2.5 โวลต์ (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต) และแรงดันไฟฟ้าสูงสุดอาจสูงถึง 4.3 โวลต์ (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมเทอร์นารี NMC)

แบตเตอรี่สามารถต่อแบบขนานเพื่อเพิ่มกระแสสูงสุดของชุดแบตเตอรี่ได้ แบตเตอรี่ที่ต่อแบบขนานหรือแบบอนุกรมมักเรียกว่าซูเปอร์แบตเตอรี่

โดยทั่วไปแล้ว แรงดันไฟฟ้าของซูเปอร์เซลล์ที่ต่อแบบขนานสามารถปรับสมดุลได้เองโดยไม่ต้องมีการจัดการเพิ่มเติม ข้อยกเว้นอาจรวมถึงแบตเตอรี่รุ่นใหม่ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ และแบตเตอรี่ที่มีกราฟแสดงค่าประจุเทียบกับแรงดันไฟฟ้าคงที่ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียม-เหล็ก-ฟอสเฟต ที่ทำงานด้วยอัตราการคายประจุและประจุไฟฟ้าที่สูง

การเชื่อมต่อเซลล์ซุปเปอร์แบบอนุกรมจะช่วยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในแอพพลิเคชั่นกำลังไฟสูง

ความจุในการกักเก็บพลังงานจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเพิ่มเซลล์เข้าไปในชุดแบตเตอรี่ ดังนั้น การเพิ่มชุดแบตเตอรี่แบบขนานเข้ากับซูเปอร์แบตเตอรี่จะเพิ่มความจุในการกักเก็บพลังงานของชุดแบตเตอรี่ เช่นเดียวกับการต่อซูเปอร์เซลล์เพิ่มเติมแบบอนุกรม

ฮาร์ดแวร์ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

แนวทางที่สมดุล

หลังจากกระบวนการชาร์จเสร็จสิ้น การปรับสมดุลแบบพาสซีฟจะกระจายพลังงาน (ในรูปของความร้อน) ผ่านตัวต้านทาน ส่งผลให้แรงดันแบตเตอรี่คงที่ ซึ่งปกติแล้วแรงดันจะถูกส่งไปยังแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็ม ข้อดีของการใช้วิธีนี้คือต้นทุนชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่ำ ข้อเสียคือกระแสไหลผ่านเซลล์ทั้งหมดเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าเซลล์ที่มีประสิทธิภาพต่ำในชุดแบตเตอรี่ที่ต่อแบบอนุกรมอาจส่งผลกระทบต่อพลังงาน กำลังไฟฟ้า อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด เนื่องจากแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพต่ำมีการดึงกระแสสูงกว่า อัตราการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่จะเร็วขึ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะจุด นำไปสู่ความจุของชุดแบตเตอรี่ที่ลดลง และอาจเกิดปัญหาด้านความปลอดภัย นอกจากนี้ พลังงานจะสูญเปล่าในระหว่างการชาร์จ ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบพาสซีฟ (BMS) สามารถตรวจสอบกระแสของชุดแบตเตอรี่ได้เท่านั้น และสามารถตัดกระแสของชุดแบตเตอรี่ผ่านสวิตช์ตัดการเชื่อมต่อในกรณีที่เกิดความล้มเหลว

หากมีการนำระบบไหลเวียนข้อมูลแบบสองทิศทางมาใช้ พารามิเตอร์ระดับระบบ เช่น การตั้งค่าการทำงาน อาจมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อจัดลำดับความสำคัญของอายุการใช้งานหรือประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ แม้ว่าการปรับปรุงอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะต้องลดขั้นตอนการชาร์จและคายประจุลง ซึ่งทำให้ความจุหรือพลังงานที่มีอยู่ลดลง แต่การปรับปรุงประสิทธิภาพจำเป็นต้องเพิ่มขั้นตอนการชาร์จและคายประจุ ซึ่งทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลดลง

โดยทั่วไปแล้ว การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะทำได้โดยใช้บายพาสกระแสต่ำ ซึ่งเป็นวงจรที่จ่ายกระแสชาร์จที่ต่ำกว่าไปยังแบตเตอรี่ที่ยังชาร์จไม่เต็ม แทนที่จะกระจายพลังงานนี้ออกไปเป็นความร้อน ประโยชน์หลักของวิธีนี้คือประสิทธิภาพการชาร์จที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญหากต้องการใช้พลังงานในการชาร์จที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟไม่คุ้มค่ากับต้นทุนส่วนประกอบที่เพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ การดึงกระแสที่สูงขึ้นจากเซลล์ที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าจะเร่งการเสื่อมสภาพของเซลล์และอาจทำให้เกิดจุดร้อนได้

Brill Power ได้รับสิทธิบัตรสำหรับการพัฒนาวิธีการใหม่ในการควบคุมและจัดการแบตเตอรี่

Brill Power เป็นบริษัทที่แยกตัวออกมาจากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด งานวิจัยของพวกเขาพบว่ากระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ซูเปอร์จำเป็นต้องได้รับการปรับอย่างต่อเนื่องตามสภาพของแบตเตอรี่ วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่จะถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่โดยไม่ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง และช่วยชะลอการเสื่อมสภาพของเซลล์ที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า

ประโยชน์ด้านความปลอดภัยของการควบคุมกระแสไฟฟ้าเต็มรูปแบบ ได้แก่ การหลีกเลี่ยงการเกิดจุดร้อนโดยการลดการไหลของกระแสไฟฟ้าในแบตเตอรี่ความต้านทานสูง การถอดแบตเตอรี่ออกอย่างทันท่วงที และการป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น วิธีการนี้ยังมีประโยชน์ในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าในระดับระบบ ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมต่อแบตเตอรี่เข้ากับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ได้โดยตรง เช่น โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ เซลล์เชื้อเพลิง และแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ รวมถึงโหลดไฟฟ้ากระแสตรง เช่น เครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า เมื่อพิจารณาแยกส่วน ต้นทุนส่วนประกอบของวิธีการนี้จะสูงกว่าระบบการจัดการแบตเตอรี่แบบสมดุลเชิงพาสซีฟ (BMS) แต่ในระดับระบบ ต้นทุนจะต่ำกว่าระบบการจัดการแบตเตอรี่แบบสมดุลเชิงพาสซีฟ (BMS)

วิธีลดต้นทุนของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่คือการลดขนาดของแบตเตอรี่ให้เหมาะสมกับประสิทธิภาพการทำงาน และหลีกเลี่ยงการใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม (เช่น ตัวแปลง DC/DC หรืออินเวอร์เตอร์) จากการวิเคราะห์ของ Brill Power พบว่าการยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่สามารถลดต้นทุนการเป็นเจ้าของโดยรวมได้ถึง 60%

แนวทางอื่น ๆ ในการใช้เทคโนโลยีระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ได้แก่ การบายพาสเซลล์แบบเรียงซ้อนและการรวมอินเวอร์เตอร์ แต่เนื่องจากมีการนำไปใช้ได้จำกัด จึงไม่ได้กล่าวถึงเพิ่มเติมในที่นี้

คำอธิบายสั้น ๆ ของระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ประเภทต่างๆ

การประมาณค่าของรัฐ

การประมาณค่าสถานะประจุ (SoC) และสถานะความสมบูรณ์ (SoH) อาศัยการผสมผสานระหว่างแบบจำลองแบตเตอรี่และอัลกอริทึมการประมาณค่า ระดับความซับซ้อนและความแม่นยำที่เป็นไปได้สำหรับการประมาณค่าสถานะและแบบจำลองพื้นฐานของแบตเตอรี่นั้นขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์เป็นหลัก ซึ่งถูกนำมาใช้เพื่อแยกความแตกต่างของวิธีการต่างๆ

วงจรรวม (IC) ถูกใช้สำหรับการประมาณค่าสถานะในระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทั่วไปส่วนใหญ่ วงจรรวมนี้เชื่อมต่อแบบ “ฮาร์ดไวร์” กับแบบจำลองแบตเตอรี่และอัลกอริทึมการประมาณค่าสถานะเฉพาะ ข้อดีของวงจรรวมคือต้นทุนต่ำ และข้อเสียคือความยืดหยุ่นและความแม่นยำในการออกแบบระบบมีจำกัด และข้อบกพร่องเหล่านี้มักจะแย่ลงเมื่อเวลาผ่านไป ความยืดหยุ่นในการออกแบบมีจำกัด เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ววงจรรวมจะถูกสร้างขึ้นสำหรับแบตเตอรี่เฉพาะที่มีข้อกำหนดเฉพาะ

หากชนิดหรือข้อกำหนดของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงไป วงจรรวม (IC) จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงและออกแบบให้เหมาะสมด้วย สาเหตุของความแม่นยำในการวัดที่จำกัดและการเสื่อมสภาพอย่างต่อเนื่อง ได้แก่ (1) การประมาณสถานะของวงจรรวมนั้นอาศัยการแสดงภาพแบตเตอรี่แบบทั่วไป ซึ่งไม่ได้บันทึกคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ที่ละเอียดอ่อนของแบตเตอรี่ ซึ่งอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้ผลิตแบตเตอรี่ ข้อกำหนด และรุ่นแบตเตอรี่ (2) พลังการประมวลผลที่จำกัดของวงจรรวมจำกัดความซับซ้อนและความถูกต้องของอัลกอริทึมการประมาณสถานะและรุ่นแบตเตอรี่พื้นฐาน (3) ลักษณะของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ในขณะที่อัลกอริทึม Wire IC แบบฮาร์ดไวร์ไม่สามารถบันทึกคุณสมบัติเหล่านี้ได้ ส่งผลให้ผลลัพธ์มีความแม่นยำเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป

ในทางกลับกัน ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถตั้งโปรแกรมด้วยแบบจำลองแบตเตอรี่ที่ซับซ้อนและมีความเที่ยงตรงสูง รวมถึงอัลกอริทึมการประมาณสถานะที่สามารถปรับแต่งให้ตรงกับคุณลักษณะและข้อกำหนดเฉพาะของแบตเตอรี่ได้ การอัปเดตพารามิเตอร์ของอัลกอริทึมการประมาณสถานะและแบบจำลองแบตเตอรี่ ช่วยให้สามารถปรับให้เข้ากับคุณลักษณะของแบตเตอรี่ที่เปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าส่งออกมีความแม่นยำมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ฮาร์ดแวร์นี้สามารถใช้กับแบตเตอรี่ทุกประเภทเพื่อความยืดหยุ่นในการออกแบบสูงสุด ข้อเสียคือต้นทุนส่วนประกอบที่สูงขึ้น ขึ้นอยู่กับฟังก์ชันการทำงานที่ต้องการและพลังการประมวลผล

การไหลของข้อมูล

การไหลของข้อมูลทางเดียวเป็นเรื่องปกติในระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ส่วนใหญ่: ข้อมูลพารามิเตอร์จะไหลจากระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ไปยังระบบระดับสูงขึ้นและส่วนติดต่อผู้ใช้ หากผู้ผลิตแบตเตอรี่จัดหาระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ข้อมูลระดับต่ำที่มีอยู่อาจถือว่ามีความละเอียดอ่อนน้อยกว่า แต่ข้อมูลที่สำคัญที่สุดคือข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยและประสิทธิภาพ ซึ่งรวมถึงตัวชี้วัดต่างๆ เช่น สถานะการชาร์จ (SoC) และสถานะสุขภาพ (SoH)

หากใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะสามารถประมวลผลพารามิเตอร์อินพุต เช่น การเปลี่ยนแปลงการตั้งค่าการทำงาน เช่น แรงดันแบตเตอรี่สูงสุดและต่ำสุดที่อนุญาต หรือ SoC หรือแม้แต่การอัปเดตโมเดลแบตเตอรี่หรืออัลกอริทึมการประมาณสถานะเพื่อรักษาความแม่นยำ จึงสามารถบรรลุการไหลของข้อมูลแบบสองทิศทางได้

การออกแบบและพัฒนาระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

เมื่อได้ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่เหมาะสมแล้ว ก็สามารถเริ่มการออกแบบและพัฒนาได้ ปัจจัยสำคัญที่สุดในการออกแบบระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) คือทีมงานและความเชี่ยวชาญ

การออกแบบระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ถือเป็นงานของวิศวกรไฟฟ้ามาโดยตลอด ซึ่งแท้จริงแล้วเป็นผู้เชี่ยวชาญในการออกแบบวงจรไฟฟ้า แต่มักไม่ค่อยมีความรู้เกี่ยวกับการทำงานภายในของแบตเตอรี่มากนัก การออกแบบระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่สมบูรณ์แบบต้องอาศัยความรู้และทักษะด้านเคมีไฟฟ้า ฟิสิกส์ วิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ การพัฒนาเฟิร์มแวร์ และวิทยาศาสตร์ข้อมูล

เมื่อมีทีมงานที่เหมาะสมแล้ว สิ่งแรกที่ต้องพิจารณาคือการปฏิบัติตามกฎระเบียบและมาตรฐานอุตสาหกรรม เนื่องจากสิ่งนี้ส่งผลต่อทั้งการออกแบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ กฎระเบียบและมาตรฐานบางอย่างมักมีข้อกำหนดเฉพาะในแต่ละประเทศ

แม้ว่ากฎระเบียบและมาตรฐานส่วนใหญ่จะใช้กับระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ แต่ก็มีกฎระเบียบบางประการที่บังคับใช้กับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด รวมถึงกฎระเบียบเกี่ยวกับสารอันตราย เช่น RoHS และ REACH ในยุโรป มาตรฐานอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการใช้งานและข้อกำหนดของระบบ ความแตกต่างโดยทั่วไปคือระบบกักเก็บพลังงานสำหรับที่อยู่อาศัยและอุตสาหกรรม และความแตกต่างระหว่างระบบกักเก็บพลังงานแรงดันต่ำหรือแรงดันสูง

มาตรฐานระบบกักเก็บพลังงานอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ IEC62619, UL1973, UL9549 และ VDE-AR-E2510-50 ความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์และการใช้งานถือเป็นประเด็นสำคัญที่สุดของมาตรฐานเหล่านี้ แม้ว่าระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะไม่จำเป็นต้องได้รับการรับรองเป็นส่วนประกอบแบบสแตนด์อโลน แต่ก็ไม่ได้เป็นอุปสรรคต่อการรับรองระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ ดังนั้นจึงขอแนะนำให้มีการทดสอบและประเมินการปฏิบัติตามมาตรฐานในอนาคตโดยหน่วยงานทดสอบและรับรองอิสระ เช่น DNV