در دوره توسعه سریع فن آوری های انرژی جدید ، باتری های لیتیوم ، به عنوان اجزای ذخیره انرژی هسته ، به طور گسترده ای در وسایل نقلیه برقی ، سیستم های ذخیره انرژی و الکترونیک مصرف کننده مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال ، ویژگی های شیمیایی باتری های لیتیوم خطرات مختلفی را در حین کار ، مانند شارژ بیش از حد ، بیش از حد تخفیف و فراری حرارتی ایجاد می کند. علاوه بر این ، ناسازگاری بین سلولهای فردی در یک باتری می تواند به طور مستقیم بر عملکرد کلی و طول عمر تأثیر بگذارد. برای پرداختن به این چالش ها ، سیستم مدیریت باتری (BMS) به عنوان یک فناوری محوری برای اطمینان از عملکرد ایمن و کارآمد باتری های لیتیوم ظاهر شده است. در این مقاله به ضرورت BMS برای باتری های لیتیوم و عملکردهای اصلی آن ، از ویژگی های ذاتی باتری های لیتیوم شروع می شود.
I. ضرورت BMS برای باتری های لیتیوم بر اساس ویژگی های آنها
خصوصیات شیمیایی باتری های لیتیوم نیاز به استقرار BMS برای کاهش خطرات ذاتی دارد. شارژ بیش از حد می تواند منجر به بارش دندریت های لیتیوم در سطح الکترود منفی شود ، به طور بالقوه جداکننده را سوراخ می کند و باعث ایجاد مدارهای کوتاه یا حتی انفجار می شود. در مقابل ، ایجاد بیش از حد تخفیف ممکن است فویل مس را بر روی الکترود منفی حل کند و در نتیجه باعث از بین رفتن ظرفیت برگشت ناپذیر شود. علاوه بر این ، باتری های لیتیوم نسبت به دما بسیار حساس هستند. دمای بالا تجزیه الکترولیت را تسریع می کند ، در حالی که دمای پایین میزان مهاجرت لیتیوم یون را کاهش می دهد و بر شارژ و بازده تخلیه تأثیر می گذارد. علاوه بر این ، تغییرات در پارامترهایی مانند ظرفیت و مقاومت داخلی در بین سلولهای فردی در یک باتری می تواند با گذشت زمان تشدید شود و یک "اثر بشکه چوبی" ایجاد کند که در آن عملکرد کلی توسط ضعیف ترین سلول محدود می شود.
BMS به طور موثری با نظارت مداوم وضعیت باتری و تنظیم پویا استراتژی های شارژ و تخلیه ، از این خطرات جلوگیری می کند. به عنوان مثال ، در وسایل نقلیه برقی ، BMS تضمین می کند که باتری در محدوده دمای مطلوب 25 درجه تا 40 درجه کار می کند و تفاوت ولتاژ بین سلولهای انفرادی را در 10 مگاوات ولت از طریق تکنیک های مدیریت تعادل حفظ می کند ، در نتیجه طول عمر بسته باتری را بیش از 30 ٪ افزایش می دهد. داده ها نشان می دهد که باتری لیتیوم مجهز به BMS می تواند به بیش از 2000 چرخه تخلیه بار دست یابد ، در حالی که افراد بدون BMS ممکن است کمتر از 1000 چرخه طول بکشد.
ii. عملکردهای اصلی BMS
(1) نظارت و ارزیابی وضعیت باتری
BMS از سنسورهای با دقت بالا برای جمع آوری مداوم داده های ولتاژ ، جریان و دما از سلولهای جداگانه استفاده می کند و از الگوریتم ها برای برآورد وضعیت بار (SOC) و وضعیت بهداشت (SOH) باتری استفاده می کند. به عنوان مثال ، در وسایل نقلیه الکتریکی ، BMS باید صدها سلول جداگانه را در میلی ثانیه اسکن کرده و خطاهای تخمین SOC را در 3 ± با استفاده از الگوریتم هایی مانند فیلتر کالمن حفظ کند. علاوه بر این ، BMS نظارت بر تغییرات در مقاومت داخلی را کنترل می کند و باعث هشدارهای بهداشتی می شود که مقاومت بیش از 30 ٪ از مقدار اولیه افزایش می یابد.
(2) شارژ و تخلیه کنترل و محافظت از ایمنی
BMS با کنترل رله ها و سوئیچ های MOSFET فرآیندهای شارژ و تخلیه باتری ها را تنظیم می کند. در حین شارژ ، سیستم به طور پویا جریان شارژ را بر اساس دمای باتری تنظیم می کند ، مانند استفاده از نرخ بار 1C در 25 درجه و کاهش آن به {2}} 5 درجه در 40 درجه. هنگام تشخیص ولتاژهای بیش از 4.2 ولت یا در سلولهای جداگانه زیر 2.5 ولت ، BMS بلافاصله مدار را قطع می کند تا از شارژ بیش از حد و شارژ بیش از حد جلوگیری کند. علاوه بر این ، این سیستم دارای محافظت از مدار کوتاه است که قادر به جدا کردن مدارهای معیوب در 10 میکرو ثانیه برای جلوگیری از حوادث فراری حرارتی است.
(3) مدیریت حرارتی و تعادل سلول
مدیریت حرارتی یک تابع اصلی BMS است. این سیستم دمای باتری را در محدوده بهینه از طریق دستگاه هایی مانند صفحات خنک کننده مایع ، فن های خنک کننده هوا یا فیلم های گرمایش حفظ می کند. به عنوان مثال ، BMS در مدل Tesla مدل 3 از طراحی لوله خنک کننده مایع مارپیچ برای کنترل اختلاف دما در بسته باتری تا 2 درجه استفاده می کند. تعادل سلول ، که از طریق تکنیک های فعال یا منفعل حاصل می شود ، ناسازگاری بین سلولهای فردی را برطرف می کند. تعادل فعال از مبدل های DC-DC برای انتقال انرژی از سلولهای با ظرفیت بالا به دستگاههای کم ظرفیت ، دستیابی به کارآیی متعادل بیش از 90 ٪ استفاده می کند ، در حالی که تعادل منفعل انرژی اضافی را از طریق مقاومت ها ، مناسب برای کاربردهای حساس به هزینه ، از بین می برد.
(4) تعامل ارتباطات و داده ها
BMS با کنترل کننده های وسیله نقلیه ، ایستگاه های شارژ و سایر دستگاه ها از طریق رابط هایی مانند CAN Bus و Rs485 ارتباط برقرار می کند. در وسایل نقلیه برقی ، BMS وضعیت باتری ، از جمله SOC ، SOH و توزیع دما را به سیستم کنترل وسیله نقلیه هر 100 میلی ثانیه گزارش می دهد. این سیستم همچنین از پروتکل های تشخیصی پشتیبانی می کند ، باعث ایجاد هشدارهای سه سطح و محدود کردن توان وسیله نقلیه در هنگام مقاومت عایق زیر 100Ω\/ولت می شود. سیستم های پیشرفته BMS قابلیت های نظارت از راه دور را ارائه می دهند ، و داده ها را از طریق شبکه های 4G\/5G برای نگهداری پیش بینی بارگذاری در سیستم عامل های ابری بارگذاری می کنند.
iii چالش های فنی و روند توسعه BMS
با وجود پیشرفت های چشمگیر ، فناوری BMS هنوز با چالش های مختلفی روبرو است. در مرحله اول ، دستیابی به نظارت با دقت بالا نیاز به دقت و هزینه سنسور متعادل کننده دارد ، مانند دستیابی به دقت نمونه گیری ولتاژ {1}}. 1mV و دقت کنترل دما از {3 {3}. 5 درجه. ثانیا ، عملکرد در زمان واقعی الگوریتم های پیچیده نیاز به پیشرفت بیشتر دارد ، به خصوص در طول شارژ و تخلیه با نرخ بالا ، جایی که الگوریتم های تخمین SOC باید در 10 میلی ثانیه تکرار شوند. علاوه بر این ، خصوصیات شیمیایی متغیر انواع مختلف باتری لیتیوم (به عنوان مثال ، NMC ، LFP) خواستار سازگاری بیشتر از BMS است.
با نگاهی به آینده ، BMS به سمت دقت ، هوش و ادغام بالاتر تکامل می یابد. از یک طرف ، ادغام الگوریتم های AI ، دقت پیش بینی گسل را به بیش از 95 ٪ افزایش می دهد ، به عنوان مثال ، با استفاده از شبکه های عصبی LSTM برای پیش بینی باتری باقی مانده عمر مفید. از طرف دیگر ، BMS با بسته های باتری عمیقاً یکپارچه خواهد شد و راه حل های "باتری هوشمند" را تشکیل می دهد که ممکن است چگالی انرژی حجمی را 20 ٪ افزایش دهد. علاوه بر این ، ظهور فناوری بی سیم BMS باعث کاهش مصرف سیم کشی ، کاهش وزن و هزینه سیستم و پشتیبانی از طراحی سبک در وسایل نقلیه برقی می شود.
پایان
به عنوان "مغز" باتری های لیتیوم ، BMS به موضوعات اصلی مربوط به ایمنی ، قوام و طول عمر از طریق نظارت در زمان واقعی ، کنترل دقیق و مدیریت هوشمند می پردازد. با توسعه سریع صنعت انرژی جدید ، سطح فناوری BMS مستقیماً بر سقف عملکرد سیستم های باتری تأثیر می گذارد. در آینده ، ارتقاء هوشمند BMS و ادغام آن با فناوری های IoT و Big Data ، پشتیبانی فنی قابل اطمینان تری را برای استفاده گسترده از باتری های لیتیوم فراهم می کند و انقلاب انرژی جدید را به سطوح بالاتر سوق می دهد.