نظام إدارة البطارية (bms) للسيارات الكهربائية

في 7 ^تشرين يناير 2013، كانت متوقفة رحلة بوينغ 787 للصيانة، وخلال ذلك لاحظت النيران الميكانيكية والدخان ينبعث من وحدة الطاقة الاضافية (بطارية ليثيوم حزمة) من الرحلة، والذي يستخدم لقوة أنظمة الطيران الإلكترونية. تم بذل جهود لوضع النار باتجاه آخر، ولكن بعد مرور 10 يوما قبل هذه القضية يمكن حلها، في 16 ^تشرين يناير حدث فشل بطارية أخرى في رحلة 787 التي تشغلها خطوط كل اليابان الجوية التي تسببت بهبوط اضطراري في مطار الياباني. أدى هذان الفشلان الكارثيان المتكرران للبطارية إلى تأجيل رحلة بوينج 787 دريملاينرز إلى أجل غير مسمى مما شوه سمعة الشركة المصنعة مما تسبب في خسائر مالية هائلة

بعد سلسلة من التحقيقات المشتركة من قبل الولايات المتحدة واليابان ، خضعت بطارية الليثيوم من طراز B-787 لفحص بالأشعة المقطعية وكشفت أن إحدى خلايا Li-ion الثمانية قد تضررت مما تسبب في حدوث ماس كهربائي مما أدى إلى هروب حراري بالنار. كان من الممكن تجنب هذا الحادث بسهولة إذا كان نظام إدارة البطارية لحزمة بطارية Li-ion مصممًا لاكتشاف / منع الدوائر القصيرة. بعد بعض التغييرات في التصميم ولوائح السلامة ، بدأت الطائرة B-787 في الطيران مرة أخرى ، ولكن لا يزال الحادث دليلًا لإثبات مدى خطورة بطاريات الليثيوم إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح.

تقدم سريعًا لمدة 15 عامًا ، اليوم لدينا سيارات كهربائية تستخدم بطاريات Li-ion نفسها والتي يتم تجميعها معًا بمئات إن لم يكن الآلاف. هذه البطاريات الضخمة التي يبلغ معدل الجهد الكهربائي فيها حوالي 300 فولت تستقر في السيارة وتزود بتيار يصل إلى 300 أمبير (أرقام تقريبية) أثناء التشغيل. أي حادث مؤسف هنا سينتهي بكارثة كبيرة ، وهذا هو السبب في أن نظام إدارة البطارية يتم التشديد عليه دائمًا في المركبات الكهربائية. لذلك في هذه المقالة سوف نتعلم المزيد عن نظام إدارة البطارية (BMS) وننهار لفهم تصميمه ووظائفه لفهمه بشكل أفضل. نظرًا لارتباط البطاريات و BMS ارتباطًا وثيقًا ، يُنصح بشدة بمراجعة مقالاتنا السابقة حول المركبات الكهربائية وبطاريات المركبات الكهربائية.

لماذا نحتاج إلى نظام إدارة البطارية (BMS)؟

أثبتت بطاريات الليثيوم أيون أنها بطارية مهمة لشركات تصنيع السيارات الكهربائية بسبب كثافتها العالية ووزنها المنخفض. على الرغم من أن هذه البطاريات تحتوي على الكثير من الثبات بالنسبة لحجمها ، إلا أنها غير مستقرة للغاية بطبيعتها. من المهم جدًا عدم زيادة شحن هذه البطاريات أو تفريغها في أي ظرف مما يستدعي الحاجة إلى مراقبة الجهد والتيار. تصبح هذه العملية أصعب قليلاً نظرًا لوجود الكثير من الخلايا معًا لتشكيل حزمة بطارية في EV ويجب مراقبة كل خلية على حدة لضمان سلامتها وتشغيلها الفعال الذي يتطلب نظامًا مخصصًا خاصًا يسمى نظام إدارة البطارية. أيضًا للحصول على أقصى قدر من الكفاءة من حزمة البطارية ، يجب علينا شحن جميع الخلايا وتفريغها بالكامل في نفس الوقت بنفس الجهد الذي يستدعي BMS مرة أخرى. بصرف النظر عن هذا ، فإن BMS مسؤولة عن العديد من الوظائف الأخرى التي سيتم مناقشتها أدناه.

اعتبارات تصميم نظام إدارة البطارية (BMS)

هناك الكثير من العوامل التي يجب مراعاتها أثناء تصميم BMS. تعتمد الاعتبارات الكاملة على التطبيق النهائي الدقيق الذي سيتم فيه استخدام BMS. بصرف النظر عن BMS ، يتم استخدام BMS أيضًا في أي مكان يتم فيه استخدام حزمة بطارية الليثيوم مثل مجموعة الألواح الشمسية وطواحين الهواء وجدران الطاقة وما إلى ذلك.

التحكم في التفريغ: تتمثل الوظيفة الأساسية لـ BMS في الحفاظ على خلايا الليثيوم داخل منطقة التشغيل الآمنة. على سبيل المثال ، سيكون لخلية الليثيوم 18650 النموذجية معدل جهد أقل يبلغ حوالي 3 فولت. تقع على عاتق BMS مسؤولية التأكد من عدم تفريغ أي خلية في العبوة أقل من 3 فولت.

التحكم في الشحن: بصرف النظر عن التفريغ ، يجب أيضًا مراقبة عملية الشحن بواسطة BMS. تميل معظم البطاريات إلى التلف أو تقليل عمرها عند شحنها بشكل غير مناسب. لشاحن بطارية الليثيوم ، يتم استخدام شاحن على مرحلتين. و تسمى المرحلة الأولى للتيار مستمر (CC) خلالها شاحن إخراج ثابت الحالية لشحن البطارية. عندما تمتلئ البطارية تقريبًا ، تسمى المرحلة الثانية الجهد المستمر (CV)يتم استخدام المرحلة التي يتم خلالها توفير جهد ثابت للبطارية بتيار منخفض للغاية. يجب أن يتأكد نظام إدارة المباني (BMS) من أن كلاً من الجهد والتيار أثناء الشحن لا يتجاوزان حدود النفاذية حتى لا يزيد شحن البطاريات أو يشحنها بسرعة. يمكن العثور على الحد الأقصى المسموح به لجهد الشحن وتيار الشحن في ورقة بيانات البطارية.

تحديد حالة الشحن (SOC): يمكنك التفكير في SOC على أنه مؤشر الوقود للمركبة الكهربائية. إنه يخبرنا في الواقع عن سعة بطارية العبوة بالنسبة المئوية. تمامًا مثل الموجود في هاتفنا المحمول. لكنها ليست سهلة كما يبدو. يجب دائمًا مراقبة الفولتية وتيار الشحن / التفريغ للحزمة للتنبؤ بسعة البطارية. بمجرد قياس الجهد والتيار ، هناك الكثير من الخوارزميات التي يمكن استخدامها لحساب SOC لحزمة البطارية. الطريقة الأكثر شيوعًا هي طريقة عد كولوم. سنناقش المزيد حول هذا لاحقًا في المقالة. قياس القيم وحساب SOC هو أيضًا مسؤولية BMS.

تحديد حالة الصحة (SOC): لا تعتمد سعة البطارية على جهدها وملفها الحالي فحسب ، بل تعتمد أيضًا على عمرها ودرجة حرارة التشغيل. يخبرنا قياس SOH عن العمر ودورة الحياة المتوقعة للبطارية بناءً على سجل استخدامها. وبهذه الطريقة يمكننا معرفة مقدار الأميال (المسافة المقطوعة بعد الشحن الكامل) للمركبة الكهربائية التي تنخفض مع تقدم عمر البطارية ويمكننا أيضًا معرفة متى يجب استبدال حزمة البطارية. يجب أيضًا حساب SOH والاحتفاظ به في المسار الصحيح بواسطة BMS.

موازنة الخلايا: وظيفة حيوية أخرى لـ BMS هي الحفاظ على توازن الخلايا. على سبيل المثال ، في حزمة من 4 خلايا متصلة في سلسلة ، يجب أن يكون جهد الخلايا الأربع متساويًا دائمًا. إذا كانت إحدى الخلايا أقل أو عالية الجهد من الأخرى ، فسيؤثر ذلك على الحزمة بأكملها ، على سبيل المثال إذا كانت إحدى الخلايا عند 3.5 فولت بينما تكون الخلايا الثلاثة الأخرى عند 4 فولت. أثناء الشحن ، ستصل هذه الخلايا الثلاث إلى 4.2 فولت بينما قد تصل الخلية الأخرى للتو إلى 3.7 فولت ، وبالمثل ، ستكون هذه الخلية أول من يتم تفريغها إلى 3 فولت قبل الخلايا الثلاثة الأخرى. بهذه الطريقة ، بسبب هذه الخلية المفردة ، لا يمكن استخدام جميع الخلايا الأخرى في الحزمة بأقصى إمكاناتها وبالتالي المساس بالكفاءة.

للتعامل مع هذه المشكلة ، يجب على نظام إدارة المباني تنفيذ شيء يسمى موازنة الخلايا. هناك العديد من أنواع تقنيات موازنة الخلايا ، ولكن الأنواع الشائعة الاستخدام هي موازنة الخلايا من النوع النشط والسلبي. في التوازن السلبي ، الفكرة هي أن الخلايا ذات الجهد الزائد ستُضطر إلى التفريغ القسري من خلال حمل مثل المقاوم للوصول إلى قيمة الجهد للخلايا الأخرى. بينما في الموازنة النشطة ، سيتم استخدام الخلايا الأقوى لشحن الخلايا الأضعف لمعادلة إمكاناتها. سنتعلم المزيد عن موازنة الخلايا لاحقًا في مقال مختلف.

التحكم الحراري: يعتمد عمر وكفاءة حزمة بطارية الليثيوم بشكل كبير على درجة حرارة التشغيل. و بطارية يميل إلى أداء أسرع في المناخات الحارة مقارنة مع درجة حرارة الغرفة العادية. إضافة إلى ذلك ، فإن استهلاك التيار العالي سيزيد من درجة الحرارة. هذا يستدعي وجود نظام حراري (زيت في الغالب) في حزمة بطارية. يجب أن يكون هذا النظام الحراري قادرًا فقط على خفض درجة الحرارة ولكن يجب أن يكون قادرًا أيضًا على زيادة درجة الحرارة في المناخات الباردة إذا لزم الأمر. إن نظام إدارة المباني مسؤول عن قياس درجة حرارة الخلية الفردية والتحكم في النظام الحراري وفقًا لذلك للحفاظ على درجة الحرارة الإجمالية لحزمة البطارية.

مدعوم من البطارية نفسها: مصدر الطاقة الوحيد المتاح في EV هو البطارية نفسها. لذلك يجب تصميم نظام إدارة المباني ليتم تشغيله بواسطة نفس البطارية التي من المفترض أن تحميها وتحافظ عليها. قد يبدو هذا بسيطًا ولكنه يزيد من صعوبة تصميم BMS.

طاقة مثالية أقل: يجب أن تكون BMS نشطة وتعمل حتى لو كانت السيارة قيد التشغيل أو الشحن أو في الوضع المثالي. هذا يجعل دائرة BMS تعمل بشكل مستمر ، وبالتالي فمن الضروري أن يستهلك نظام BMS طاقة أقل حتى لا يستنزف البطارية كثيرًا. عندما يتم ترك EV بدون شحن لأسابيع أو أشهر ، فإن BMS والدوائر الأخرى تميل إلى استنزاف البطارية من تلقاء نفسها وتتطلب في النهاية أن يتم تدويرها أو شحنها قبل الاستخدام التالي. لا تزال هذه المشكلة شائعة حتى في السيارات المشهورة مثل تسلا.

عزل كلفاني: يعمل نظام إدارة المباني كجسر بين حزمة البطارية ووحدة التحكم الإلكترونية في السيارة الكهربائية. يجب إرسال جميع المعلومات التي تم جمعها بواسطة BMS إلى وحدة التحكم الإلكترونية ليتم عرضها على مجموعة الأدوات أو على لوحة القيادة. لذلك يجب أن يتواصل BMS و ECU بشكل مستمر من خلال البروتوكول القياسي مثل اتصال CAN أو ناقل LIN. يجب أن يكون تصميم BMS قادرًا على توفير عزل كلفاني بين حزمة البطارية ووحدة التحكم الإلكترونية.

تسجيل البيانات: من المهم أن يكون لدى BMS بنك ذاكرة كبير لأنه يتعين عليه تخزين الكثير من البيانات. يمكن حساب قيم مثل Sate-of-health SOH فقط إذا كان تاريخ شحن البطارية معروفًا. لذلك يتعين على نظام إدارة المباني تتبع دورات الشحن ووقت شحن حزمة البطارية من تاريخ التثبيت ، ومقاطعة هذه البيانات عند الحاجة. يساعد هذا أيضًا في تقديم خدمة ما بعد البيع أو تحليل مشكلة في EV للمهندسين.

الدقة: عندما يتم شحن خلية أو تفريغها ، يزداد الجهد عبرها أو ينقص تدريجياً. لسوء الحظ ، يحتوي منحنى التفريغ (الجهد مقابل الوقت) لبطارية الليثيوم على مناطق مسطحة ومن ثم يكون التغيير في الجهد أقل بكثير. يجب قياس هذا التغيير بدقة لحساب قيمة SOC أو استخدامه لموازنة الخلايا. يمكن أن يكون لدى BMS المصمم جيدًا دقة تصل إلى ± 0.2mV ولكن يجب أن يكون الحد الأدنى من الدقة 1mV-2mV. عادةً ما يتم استخدام ADC 16 بت في هذه العملية.

سرعة المعالجة: يجب أن يقوم نظام إدارة المباني الخاص بالمركبة الكهربائية بالكثير من طحن الأرقام لحساب قيمة SOC و SOH وما إلى ذلك. هناك العديد من الخوارزميات للقيام بذلك ، بل إن البعض يستخدم التعلم الآلي لإنجاز المهمة. هذا يجعل BMS جهاز معالجة جائع. بصرف النظر عن هذا ، يجب أيضًا قياس جهد الخلية عبر مئات الخلايا وملاحظة التغييرات الطفيفة على الفور تقريبًا.

اللبنات الأساسية لنظام إدارة المباني

هناك العديد من الأنواع المختلفة من BMS المتاحة في السوق ، يمكنك إما تصميم واحد بنفسك أو حتى شراء IC المتكامل المتاح بسهولة. من منظور هيكل الأجهزة ، لا يوجد سوى ثلاثة أنواع من أنظمة إدارة المباني بناءً على طوبولوجيتها ، وهي BMS المركزية و BMS الموزعة و BMS المعيارية. ومع ذلك ، فإن وظيفة BMS هذه متشابهة. يتم توضيح نظام عام لإدارة البطارية أدناه.

الحصول على بيانات BMS

دعنا نحلل كتلة الوظيفة المذكورة أعلاه من جوهرها. تتمثل الوظيفة الأساسية لنظام إدارة المباني في مراقبة البطارية التي تحتاج من أجلها لقياس ثلاث معلمات حيوية مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة من كل خلية في حزمة البطارية. نحن نعلم أن حزم البطارية تتشكل من خلال توصيل العديد من الخلايا في سلسلة أو تكوين متوازي ، مثل Tesla بها 8256 خلية متصلة فيها 96 خلية في سلسلة و 86 متصلة بالتوازي لتشكيل حزمة. إذا كانت مجموعة من الخلايا متصلة في سلسلة ، فعلينا قياس الجهد عبر كل خلية ولكن التيار لكامل المجموعة سيكون هو نفسه لأن التيار سيكون هو نفسه في دائرة متسلسلة. وبالمثل ، عندما يتم توصيل مجموعة من الخلايا بالتوازي ، يتعين علينا قياس الجهد بالكامل فقط لأن الجهد عبر كل خلية سيكون متماثلًا عند التوصيل بالتوازي. تُظهر الصورة أدناه مجموعة من الخلايا المتصلة في سلسلة ، يمكنك ملاحظة قياس الجهد ودرجة الحرارة للخلايا الفردية ويتم قياس تيار الحزمة ككل.

"كيف تقيس جهد الخلية في BMS؟"

نظرًا لأن EV النموذجي يحتوي على عدد كبير من الخلايا المتصلة معًا ، فمن الصعب بعض الشيء قياس جهد الخلية الفردي لحزمة البطارية. ولكن فقط إذا عرفنا جهد الخلية الفردي ، فيمكننا إجراء موازنة الخلية وتوفير حماية الخلية. لقراءة قيمة الجهد لخلية يتم استخدام ADC. لكن التعقيد الذي ينطوي عليه الأمر مرتفع لأن البطاريات متصلة في سلسلة. بمعنى أنه يجب تغيير الأطراف التي يتم قياس الجهد عبرها في كل مرة. هناك العديد من الطرق للقيام بذلك بما في ذلك المرحلات والمكسات وما إلى ذلك. وبصرف النظر عن هذا ، هناك أيضًا بعض إدارة البطارية مثل MAX14920 والتي يمكن استخدامها لقياس الفولتية الفردية للخلايا المتعددة (12-16) المتصلة في سلسلة.

"كيف تقيس درجة حرارة الخلية لـ BMS؟"

بصرف النظر عن درجة حرارة الخلية ، في بعض الأحيان يتعين على BMS أيضًا قياس درجة حرارة الحافلة ودرجة حرارة المحرك لأن كل شيء يعمل على تيار عالٍ. العنصر الأكثر شيوعًا المستخدم لقياس درجة الحرارة يسمى NTC ، والذي يرمز إلى درجة الحرارة السلبية ذات الكفاءة المشتركة (NTC). إنه مشابه للمقاوم ولكنه يتغير (يقلل) مقاومته بناءً على درجة الحرارة المحيطة به. من خلال قياس الجهد عبر هذا الجهاز وباستخدام قانون أوم بسيط يمكننا حساب المقاومة وبالتالي درجة الحرارة.

الواجهة الأمامية التناظرية متعددة الإرسال (AFE) لقياس جهد الخلية ودرجة الحرارة

يمكن أن يصبح قياس جهد الخلية معقدًا لأنه يتطلب دقة عالية وقد يضخ أيضًا ضوضاء التبديل من مسك الغزال بعيدًا عن هذه كل خلية متصلة بمقاوم من خلال مفتاح موازنة الخلية. للتغلب على هذه المشاكل ، يتم استخدام AFE - واجهة IC الأمامية التناظرية. يحتوي AFE على وحدة Mux و buffer و ADC مدمجة بدقة عالية. يمكنه بسهولة قياس الجهد ودرجة الحرارة بالوضع العام ونقل المعلومات إلى المتحكم الرئيسي.

"كيف يمكن قياس حزمة الحالية ل BMS؟

يمكن أن توفر حزمة بطارية EV قيمة كبيرة من التيار تصل إلى 250 أمبير أو حتى عالية ، بصرف النظر عن هذا ، يتعين علينا أيضًا قياس التيار لكل وحدة في العبوة للتأكد من توزيع الحمل بالتساوي. أثناء تصميم عنصر الاستشعار الحالي ، يتعين علينا أيضًا توفير العزل بين جهاز القياس والاستشعار. الطريقة الأكثر شيوعًا لاستشعار التيار هي طريقة Shunt وطريقة مستشعر Hall. كلا الطريقتين لهما إيجابيات وسلبيات. اعتُبرت طرق التحويل السابقة أقل دقة ، ولكن مع التوافر الحديث لتصميمات التحويل عالية الدقة مع مكبرات الصوت والمعدِّلات المعزولة ، كانت أكثر تفضيلًا من الطريقة القائمة على مستشعر القاعة.

تقدير حالة البطارية

تُخصص القوة الحسابية الرئيسية لنظام إدارة المباني لتقدير حالة البطارية. وهذا يشمل قياس SOC و SOH. يمكن حساب SOC باستخدام جهد الخلية والتيار وملف تعريف الشحن وملف التفريغ. يمكن حساب SOH باستخدام عدد دورة الشحن وأداء البطارية.

"كيف يمكن قياس SOC للبطارية؟"

هناك العديد من الخوارزميات لقياس SOC للبطارية ، ولكل منها قيم الإدخال الخاصة بها. الطريقة الأكثر استخدامًا لـ SOC تسمى طريقة Coulomb Counting المعروفة أيضًا باسم طريقة حفظ الكتب. سوف نناقش