سیستم مدیریت شارژ و باتری مدیریت شارژ

سیستم مدیریت شارژ و باتری (BMS)

سیستم مدیریت باتری یا همانBMS ، نوعی سیستم الکترونیکی است که می‌تواند یک سلول یا یک بسته باتری (مجموعه ای متشکل از چند سلول باتری) را مدیریت کند به عنوان مثال این سیستم می‌تواند با نظارت بر وضعیت باتری، محاسبه داده های ثانویه، گزارش گیری از داده ها، کنترل محیط خارجی باتری و غیره از عملکرد باتری حفاظت نماید. یک بسته یا پک باتری همراه با یک سیستم مدیریت باتری و ارتباط با منبع داده خارجی به عنوان یک بسته باتری هوشمند در نظر گرفته می شود. این پک هوشمند باید توسط یک دستگاه هوشمند شارژ شود.

کد خبر: 980225013 تاریخ انتشار: چهارشنبه ۲۵ اردیبهشت ۹۸ - ۴:۳۷ ب.ظ

سیستم مدیریت باتری یا همانBMS ، نوعی سیستم الکترونیکی است که می‌تواند یک سلول یا یک بسته باتری (مجموعه ای متشکل از چند سلول باتری) را مدیریت کند به عنوان مثال این سیستم می‌تواند با نظارت بر وضعیت باتری، محاسبه داده های ثانویه، گزارش گیری از داده ها، کنترل محیط خارجی باتری و غیره از عملکرد باتری حفاظت نماید. یک بسته یا پک باتری همراه با یک سیستم مدیریت باتری و ارتباط با منبع داده خارجی به عنوان یک بسته باتری هوشمند در نظر گرفته می شود. این پک هوشمند باید توسط یک دستگاه هوشمند شارژ شود.

سیستم مدیریت شارژ و باتری

سیستم مدیریت شارژ و باتری

سیستم مدیریت شارژ و  باتری (BMS)

عملکرد

تصویر۱: یک مدار قابل اطمینان برای ۴ سلول باتری LiFePO4 به همراه تنظیم کننده

مانیتورینگ سیستم

سیستم مدیریت باتری می تواند وضعیت باتری را در حالات مختلف توسط پارامترهای مختلف به نمایش گذارد، این پارامترها به شرح زیر هستند:

  • ولتاژ: ولتاژ کل، ولتاژ های هر سلول باتری، رنج حداقل و حداکثر ولتاژ هر سلول
  • دما: دمای متوسط، دمای ورودی خنک کننده، دمای خروجی خنک کننده، یادمای هر سلول
  • وضعیت شارژ و دشارژباتری برای نشان دادن میزان شارژ آن (SOCو DOC)
  • وضعیت سلامتی باتری(SOH): شامل اندازه گیری ظرفیت باقی مانده از باتری
  • توان باتری(SOP): مقدار توان موجود برای یک فاصله زمانی مشخص با توجه به جریان مصرفی، دما و سایر موارد.
  • جریان خنک کننده: برای باتری های خنک کنند مایع یا هوا
  • جریان: جریان ورودی یا خروجی باتری

نظام مهندسی برق ساختمان

منابع آزمون پایه ۳ نظام مهندسی برق

سیستم های خودران الکتریکی: بازیافت انرژی

سیستم های مدیریت شارژ یا BMS، با هدایت انرژی بازیافتی می توانند دشارژ شدن باتری را کنترل کنند و آن را مجددا به بسته باتری بازگردانند. به عنوان مثال در سیستم خودروهای الکتریکی این انرژی از طریق ترمز مجددا به باتری بازگردانده می شود.

محاسبه‌ی مقادیر

این سیستم، مقادیر مذکور را بر اساس پارامترهای زیر محاسبه می کند:

  • ماکزیمم جریان شارژ یا محدوده جریان شارژ(CCL)
  • ماکزیمم جریان دشارژ یا محدوده جریان دشارژ(DCL)
  • انرژی انتقال داده شده بر حسب کیلووات بر ساعت از آخرین شارژ یا چرخه شارژ
  • امپدانس ورودی یک سلول (جهت تعیین ولتاژ مدار باز)
  • شارژ انتقال داده شده یا ذخیره شده (Coulomb counter)
  • میزان کل انرژی انتقال داده شده از زمان اولین استفاده
  • میزان کل زمان کاری از ابتدای اولین استفاده
  • تعداد کل دوره های شارژ

پروتکل ها و بسترهای ارتباطی

کنترلرمرکزی BMS با دیگر اجزای داخلی و خارجی سخت افزار نظیر لپتاپ یا HMI می تواند باید ارتباط داشته باشد. برای برقراری ارتباط با سخت افزارهای خارجی از چندین روش استفاده می شود:

  • استفاده از انواع مختلف پروتکل های سریال
  • استفاده از CAN BUS، در کاربردهای اتوماتیک
  • DC BUS، نوعی ارتباط سریال از طریق کابل قدرت
  • انواع مختلفی از ارتباطات بدون سیم

اغلب سیستم های مدیریت شارژ کم توان، ارتباطات داخلی از طریق  تقسیم مقاومتی کنترل می کنند. در معماری سیستم های ماژولار از ارتباط چند سلول کنترلی داخلی کم توان استفاده می شود و در سیستم های توزیع شده، ارتباط کنترلر با کنترلر مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیاده سازی این نوع از ارتباطات در سیستم های ولتاژ بالا در بحث انتقال ولتاژ بین سلول ها بسیار دشوار است زیرا ولتاژ اولین سلول سیگنال اتصال به زمین ممکن است صدها ولت بیشتر از سیگنال اتصال به زمین دیگر سلول ها باشد. به غیر از پروتکل های نرم افزاری، دو راه مرسوم در ارتباطات سخت افزاری برایانتقال ولتاژ وجود دارد که عبارتندازایزولاتورهای نوری و ارتباطات بی سیم. یک محدودیت دیگر برای ارتباطات داخلی در حداکثر تعداد سلول ها تعریف می شود. در معماریماژولار، سخت افزار می تواند حداکثر۲۵۵ گره داشته باشد. در سیستم های ولتاژ بالا زمان جستجوی تمام سلول ها به عنوان یک  محدودیت دیگر محسوب می شود که باعث محدودشدن حداقل سرعت باس و از دست دادن گزینه های سخت افزاری می شود. هزینه سیستم هایماژولار نیز بسیار اهمیت دارد زیرا ممکن است با قیمت یک سلول قابل مقایسه و بسیار گران باشد. ترکیبی از محدودیت های سخت افزاری و نرم افزاری باعث می شود که گزینه های انتخابی کمتری برای برقراری بستر ارتباطی وجود داشته باشد که عبارتند از:

  • ارتباط سریال مجزا
  • ارتباط سریال بی سیم

حفاظت

سیستم BMS همچنین می تواند از باتری خود محافظت کند و از عملکرد آن در محدوه‌ی ممنوعه جلوگیری کند. به عنوان مثال، می تواند از موارد زیر حفاظت نماید:

  • عبور جریان بیش از حد (که ممکن است در حالت شارژ و دشارژ متفاوت باشد)
  • ولتاژ بیش از اندازه (در هنگام شارژ)
  • دریافت ولتاژ بسیار کم در حالت دشارژ(مخصوصا برای سلول‌های سرب اسید و لیتیوم)
  • دمای بیش از حد
  • دمای کمتر از حد معمول
  • فشار بیش از حد (اغلب در باتری های NiMH)
  • تشخیصاتصال زمین نادرست یا نشت جریان، به خصوص در سیستمهایی که باتری ولتاژ بالا باید حتما از تماس با هر جسم هادی جدا شده باشد، مثلا در بدنه ی خودروهای الکتریکی)

سیستمBMS  همچنین می تواند از عملکرد باتری در خارج از محدوده نیز محافظت به عمل آورد. این نوع حفاظت شامل موارد زیر می شود:

  • استفاده از یک کلید داخلیمانند یک رله یا رله حالت جامد به گونه ای که در صورت عملکرد باتری در خارج از محدوده کاری، باز شود.
  • کنترل باتری دستگاه های متصله به گونه ای که از وضعیت شارژ باتری آنها یا تمام شدن آن اطلاع دهد.
  • کنترلپویای محیط از طریق کنترلهیتر، فن، کولریا مایعخنک کننده.

تصویر: کنترلر مرکزی BMS

 

اتصالات باتریبه  بار

در یکBMSجهت برقراری یک راه مطمئن در ارتباط باتری با دیگر بارها، از یک سیستم پیش شارژ استفاده می‌شود. این سیستم جریان های هجومی برای بارهای خازنی را محدود می کند. اتصالباتری به این بارها به طور معمول از طریق رله های الکترومغناطیسی با نام “کنتاکتور” کنترل می شود.اینمدار پیش شارژ شامل مقاومت های توان می شود کهتازمانی که خازن ها شارژ شوند به صورت سری بابارها قرار گرفته اند. یک منبع تغذیه سوئیچی به طور موازی با بارها قرار گرفته است که می تواند برای شارژ ولتاژ مدار بار تا سطحی نزدیک به ولتاژ شارژ شود و اجازه دهد کنتاکتورهای بین باتری و باربسته شوند. همچنین این سیستم، مداری دارد که می تواند باز و بسته بودن رله پیش از شارژ را بررسی کند تا از بروز جریان هجومی جلوگیری شود.

تصویر: بهينه سازي سیستم

 

سیستم مدیریت توزیع باتری

برای به حداکثر رساندن ظرفیت باتری و جلوگیری از بیش از حد یا کمتر از حد شارژ شدن باتری، باید این اطمینان را حاصل کرد که تمام سلول های تشکیل دهنده‌ی باتری در شرایط تنظیم ولتاژ مناسبی قرار دارند. به همین منظور، سیستمBMS  می تواند سلول های را از طرق زیر تنظیم نماید:

  • اتصال سلول های بیش از حد شارژ شده به یک بار از طریق رگولاتورهای پسیو جهت جلوگیری از به هدر رفتن انرژی.
  • انتقال و توزیع انرژیسلول هایی که بیش از حد شارژ شده اند به سلول هایی که حداقل شارژ را داشته اند.
  • کاهشجریان شارژ به یک سطح مناسب، به طوری که هم به سلول های کاملا شارژ شده آسیبی نرسد و هم سلولهایی که کمتر شارژ شده اند، به شارژ خود ادامه دهند(لازم به ذکر است این مورد برای سلول های لیتیومی اعمال نمی شود).
  • استفاده از سیستم شارژ ماژولار

 

تصویر: توپولوژی هایارتباطی

تصویر:‌ماژول انتقال داده از طریق کابل

 

ارتباط بی سیمBMS

تکنولوژیBMSاز حیث پیچیدگی و عملکرد بسیار متفاوت است که انواع آن در زیر آورده شده اند:

  • رگولاتورهای پسیو ساده با بای پس کردن جریان شارژ، هنگامی که ولتاژ سلول های به یک سطح مشخص می‌رسد، سلول ها و باتری را به یک حالت تعادل می رسانند. ولتاژ سلول، یک شاخص ضعیفبرای نشان دادن میزان شارژ سلول است و برای بعضی ازسلول های لیتیوم شیمیایی مانند LiFePO4 هیچشاخص شارژی وجود ندارد. بنابراین، مساوی ساختن ولتاژ سلول ها با استفاده از رگولاتورهای پسیو، شاخصSOCکه در واقع به عنوان هدف نهایی یک سیستم مدیریت شارژ به شمار می رود را تنظیم نمی کند. بنابراین، چنین دستگاههایی هر چند که مفید به نظر برسند، دارای محدودیت هایزیادی نیز هستند.
  • رگولاتورهای اکتیو برای رسیدن به یک حالت تعادلی می توانند بار را روشن یا خاموش کنند. البته باید توجه داشت که اگر تنها ولتاژ سلول به عنوان یک پارامترجهت فعال کردن رگولاتورهای اکتیو استفاده شود،همان محدودیت هایی که در بالا برای رگولاتورهای پسیو ذکر شد، در مورد رگولاتورهای اکتیو نیز صادق است.

سیستم مدیریت شارژ و باتری

توپولوژی یک سیستمBMS به سه دسته تقسیم می شود:

  • مرکزی: شاملیک کنترل کننده واحد که از طریق تعدادی سیم به سلول های باتری متصل می شود.
  • توزیع: شامل یکبردBMSبا یک کابل ارتباطی بین باتری و کنترلر که در هر سلول نصب می گردد.
  • ماژولار: تعدادی کنترلر که هر یکتعداد مشخصی از سلول ها و ارتباط بین آن ها را کنترل می کند.

 

کنترل کننده ها

سیستم های BMSمتمرکز بسیار اقتصادی، با تعداد سیم ارتباطی زیاد و کمترین قابلیت توسعه پذیری هستند؛ اما در مقابل، سیستم هایBMS  توزیع پذیر، بسیار گران با نصب و راه اندازی ساده و بهترین مونتاژ قرار دارند.

به طور کلی، سیستم هایBMS  در کاربردهای تحرک پذیر(مانند وسایل نقلیه الکتریکی) و یا کاربردهای ثابتمانند ایستگاه های UPS در اتاق سروراز نظر فضا و محدودیت های وزنبسیار متفاوت هستند،بنابراین پیاده سازی سخت افزاری و نرم افزاری آن باید متناسب با کاربرد باشد.

در خصوص وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی، سیستم BMSفقط به عنوانیک زیر سیستم است و نمی تواند به عنوان یک دستگاه مستقل کار کند و حداقل باید با یک سیستم زیرمجموعه شارژر، بار یا سیستم مدیریت حرارتی یا سیستم مدیریت شرایط اضطراری در ارتباط باشد. بنابراین، درطراحی وسایل نقلیه، سیستم BMS باید با سیستم های زیرمجموعه همسو و هماهنگ باشد. دربرخی از کاربردها مانند چرخ های حمل و نقل تجهیزات پزشکی، ویلچیرهای موتوری، اسکوتر ها و بالابرها اغلب یک سخت افزار شارژ خارجی وجود دارد سکه سیستم BMS  آنها باید با این سخت افزارهای شارژ خارجی قابلیت سازگاری داشته باشند.

منابع آزمون نظام مهندسی برق مهندسین شاپ
۲۵ اردیبهشت ۹۸
21 بازدید
بدون نظر
امتیاز به این خبر:
0 0