يعد نظام إدارة البطارية الأساسي (BMS) لحزمة البطارية مكونًا حاسمًا في حزمة بطارية سيارة الطاقة الجديدة، وهو المسؤول عن مراقبة وإدارة وحماية التشغيل الآمن لحزمة البطارية. فيما يلي تحليل مفصل لـ BMS:
1 تعريف ووظيفة BMS
BMS هو نظام معالج دقيق يدمج وظائف متعددة، مصمم خصيصًا لإدارة وتحسين أداء حزم البطاريات. وتشمل وظائفها الرئيسية ما يلي:
مراقبة الوقت الحقيقي:جمع المعلمات الرئيسية في الوقت الفعلي مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة وما إلى ذلك لحزمة البطارية لضمان أن تعمل حزمة البطارية في حالتها المثالية.
الإدارة المتوازنة:باستخدام تقنيات الموازنة النشطة أو السلبية، يتم الحفاظ على اتساق كل وحدة في حزمة البطارية لمنع تدهور الأداء الناتج عن الاختلافات في سعة البطارية.
وظيفة الحماية:لديها وظائف حماية متعددة مثل الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد، ودرجة الحرارة الزائدة، ويمكنها اتخاذ التدابير في الوقت المناسب عند اكتشاف حالات غير طبيعية لمنع تلف البطارية أو حوادث السلامة.
تسجيل البيانات والتواصل:تسجيل البيانات التاريخية لتشغيل البطارية، وتبادل البيانات مع الأنظمة الأخرى من خلال واجهات الاتصال لتحقيق المراقبة والإدارة عن بعد.
إطالة عمر البطارية:من خلال الإدارة الدقيقة للبطارية، يمكنك تقليل الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطارية بشكل فعال، وإطالة عمر الخدمة.
تحسين السلامة:يمكن لآليات الحماية المتعددة أن تمنع المواقف الخطيرة مثل ارتفاع درجة الحرارة والدوائر القصيرة في البطاريات، مما يضمن سلامة المستخدمين والمعدات.
2 بنية نظام BMS
يهدف تصميم بنية نظام BMS لحزمة البطارية إلى ضمان التشغيل الآمن والفعال لحزمة البطارية وإطالة عمر الخدمة. يمكن عادةً تقسيم بنية نظام BMS إلى قسمين: بنية الأجهزة وهندسة البرمجيات. وفيما يلي التحليل التفصيلي:
1. هندسة الأجهزة
تنقسم بنية أجهزة BMS بشكل أساسي إلى نوعين: مركزي وموزع:
① البنية المركزية:
سمات:تجميع كافة المكونات الكهربائية في لوحة واحدة، مع تصميم دائرة بسيط وتكلفة منخفضة.
المزايا:هيكل مدمج وموثوقية عالية.
العيوب:إن مجموعة الأسلاك لأخذ العينات من خلية واحدة طويلة نسبيًا، ويختلف انخفاض جهد أخذ العينات، وتصميم مجموعة الأسلاك لأخذ العينات معقد، وعدد قنوات أخذ العينات محدود، وهي مناسبة لحزم البطاريات الأصغر.
② البنية الموزعة:
تعبير:يتضمن اللوحة الأم (BCU، وحدة التحكم في البطارية) ولوحة تابعة (BMU، وحدة إدارة البطارية). مثبتة داخل الوحدة من اللوحة، وتستخدم للكشف عن الجهد الفردي والتيار والتحكم في التوازن؛ يعتبر موضع تركيب اللوحة الأم مرنًا نسبيًا، ويستخدم للتحكم في التتابع وتقدير حالة الشحن (SOC) والحماية من الإصابة الكهربائية.
المزايا:يتميز حزام أخذ العينات بمسافة موحدة وموثوقية أعلى ويدعم تصميم أنظمة بطاريات أكبر، مثل أنظمة تخزين الطاقة على مستوى MW.
العيوب:تكلفة عالية، وتتطلب شرائح إضافية لإرسال المعلومات من كل وحدة إلى اللوحة الأم BMS.
2. هندسة البرمجيات
تشتمل بنية برامج BMS عادةً على البرامج الأساسية وبرامج طبقة التطبيقات:
① برنامج المستوى السفلي:
متوافق مع معايير AUTOSAR، من السهل توسيع التطوير المعياري ومنفذه، مما يحسن كفاءة التطوير.
مسؤول عن التفاعل المباشر مع الأجهزة، بما في ذلك الحصول على البيانات ومعالجتها وتوليد إشارات التحكم.
② برنامج طبقة التطبيق:
الوحدات الوظيفية:بما في ذلك حماية البطارية، والحماية من الإصابات الكهربائية، وإدارة تشخيص الأخطاء، والإدارة الحرارية، والتحكم في التتابع، والتحكم في اللوحة التابعة، والتحكم في التوازن، وتقدير SOC، ووحدات إدارة الاتصالات.
تُستخدم خوارزميات التحكم مثل التحكم PID وتصفية Kalman لتحقيق التحكم الدقيق والتحسين أثناء عمليات شحن البطارية وتفريغها.
إدارة الاتصالات:إدارة الاتصال بين نظام إدارة المباني (BMS) والأنظمة الأخرى (مثل وحدات التحكم في المركبات، وأنظمة عرض المعلومات على متن الطائرة، وما إلى ذلك)، والتي يتم تحقيقها عادةً من خلال ناقل CAN، أو Ethernet، أو الاتصال اللاسلكي.
3. المكونات والوظائف الرئيسية
يتضمن نظام إدارة المباني أيضًا بعض المكونات والوظائف الرئيسية لضمان تشغيله بفعالية:
الواجهة الأمامية التناظرية (AFE):مسؤولة عن معالجة الإشارات التناظرية (مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة) وتحويلها إلى شكل مناسب للمعالجة الرقمية.
وحدة التحكم الدقيقة (MCU):باعتبارها وحدة الحوسبة والتحكم الأساسية في BMS، فهي مسؤولة عن معالجة البيانات ومراقبة حالة البطارية وتنفيذ خوارزمية التحكم وتشخيص الأخطاء وإدارة الاتصالات ووظائف أخرى.
وحدة الرصيد:تستخدم لتحقيق توازن الطاقة في حزمة البطارية، مما يضمن أن الجهد وحالة الشحن لجميع خلايا البطارية متسقة قدر الإمكان، وإطالة عمر خدمة حزمة البطارية.
وحدة التحكم في الجهد العالي (HVU):مسؤول عن إدارة دوائر الجهد العالي لحزمة البطارية، بما في ذلك مراقبة العزل، والكشف عن التيار، والتحكم في الموصل، وما إلى ذلك.
وحدة مؤشر حالة البطارية (BTU):يوفر للمستخدمين عرضًا مرئيًا لحالة البطارية، مثل مستوى البطارية المتبقي وحالة الشحن وما إلى ذلك.
3 مبدأ عمل نظام إدارة المباني
يدير BMS حزم البطاريات من خلال الطرق التالية:
تنظيم الجهد:وذلك باستخدام تقنية الجهد المتوازن، مثل إنشاء دوائر صغيرة مستقلة أو استخدام محولات DC/DC، لضمان بقاء جهد كل خلية متوازناً.
تنظيم درجة الحرارة:بالتزامن مع أنظمة التحكم في درجة الحرارة مثل أنظمة التبريد السائل وتبريد الهواء القسري، يتم التحكم في تبريد الأجزاء المختلفة للبطارية للحفاظ على درجة حرارة كل جزء ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الأكثر ملائمة.
4 أهمية BMS في حزم البطاريات
يلعب نظام إدارة المباني دورًا حاسمًا في حزم البطاريات، حتى أنه يمثل جزءًا كبيرًا (حوالي 30%) من التكلفة الإجمالية لحزمة البطاريات. إنه "عقل" حزمة البطارية، الذي يضمن التشغيل الآمن والفعال لحزمة البطارية من خلال المراقبة والإدارة في الوقت الفعلي، ويطيل عمر خدمة البطارية، ويحسن الأداء العام لمركبات الطاقة الجديدة.
5 أمثلة التطبيق
إذا أخذنا Tesla Model S كمثال، فإن نظام إدارة المباني الخاص بها مدمج في حزمة البطارية المعبأة، مما يحافظ على توازن وأداء حزمة البطارية بأكملها من خلال مراقبة وإدارة حالة كل خلية في الوقت الفعلي. تعد تقنية BMS المتقدمة من Tesla أحد العوامل الرئيسية التي تميزها في السوق.
باختصار، يلعب نظام إدارة المباني، باعتباره المكون الأساسي لحزم البطاريات، دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في مجال مركبات الطاقة الجديدة. مع التقدم التكنولوجي المستمر، ستستمر تقنية BMS أيضًا في التحسين والابتكار، مما يوفر دعمًا قويًا لتعميم وتطوير مركبات الطاقة الجديدة.