BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่)

1. ภาพรวมฟังก์ชัน

ฟังก์ชันการตรวจสอบข้อมูล

ระบบ BMS สามารถตรวจสอบข้อมูลสำคัญต่างๆ ของชุดแบตเตอรี่ได้แบบเรียลไทม์ เช่น สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น ในชุดแบตเตอรี่ลิเธียม สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ได้ และช่วงความคลาดเคลื่อนโดยทั่วไปสามารถควบคุมได้ภายในไม่กี่มิลลิโวลต์ ในขณะเดียวกัน ระบบก็จะตรวจสอบกระแสไฟฟ้ารวมของชุดแบตเตอรี่ด้วย ไม่ว่าจะเป็นกระแสการชาร์จหรือกระแสการคายประจุ เพื่อกำหนดสถานะการทำงานของแบตเตอรี่

การตรวจสอบอุณหภูมิของแบตเตอรี่ก็เป็นส่วนสำคัญเช่นกัน ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) สามารถตรวจจับอุณหภูมิของส่วนต่างๆ ของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ผ่านเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่กระจายอยู่ทั่วชุดแบตเตอรี่ และความแม่นยำในการตรวจสอบอุณหภูมิสามารถสูงถึงประมาณ ± 1 ℃ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการเสื่อมประสิทธิภาพหรืออุบัติเหตุทางความปลอดภัยที่เกิดจากแบตเตอรี่ร้อนเกินไปหรือเย็นเกินไป

ฟังก์ชันการประมาณค่าสถานะ

จากข้อมูลที่ตรวจสอบได้ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) สามารถประเมินสถานะของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ สิ่งสำคัญที่สุดคือ SOC (State of Charge) ซึ่งเป็นการประมาณความจุแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่ ระบบใช้ขั้นตอนวิธีที่ซับซ้อน ร่วมกับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น แรงดันไฟ กระแส อุณหภูมิ ฯลฯ เพื่อคำนวณพลังงานแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่แบบเรียลไทม์ โดยมีข้อผิดพลาดโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5% -10% ทำให้ผู้ใช้ได้รับข้อมูลแบตเตอรี่ที่แม่นยำ

ในขณะเดียวกัน BMS ยังสามารถประเมินสถานะสุขภาพ (SOH) ของแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นสถานะความสมบูรณ์ของแบตเตอรี่ได้อีกด้วย โดยการบันทึกปัจจัยต่างๆ ในระยะยาว เช่น จำนวนรอบการชาร์จและการคายประจุ การเสื่อมสภาพของความจุ ฯลฯ ของแบตเตอรี่ จะสามารถระบุได้ว่าแบตเตอรี่เสื่อมสภาพ มีประสิทธิภาพลดลง หรือมีปัญหาอื่นๆ หรือไม่ ซึ่งจะเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนแบตเตอรี่

ฟังก์ชันปรับสมดุลแบตเตอรี่

ในชุดแบตเตอรี่ ประสิทธิภาพของเซลล์แต่ละเซลล์อาจแตกต่างกันไปเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น กระบวนการผลิตและสภาพแวดล้อมการใช้งาน ฟังก์ชันการปรับสมดุลของ BMS สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยหลักๆ แล้วมีวิธีการปรับสมดุลสองวิธี วิธีแรกคือการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการต่อตัวต้านทานแบบขนานกับแบตเตอรี่แต่ละก้อนในชุดแบตเตอรี่ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่สูงเกินไป พลังงานส่วนเกินจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนผ่านตัวต้านทาน อีกวิธีหนึ่งคือการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ ซึ่งจะถ่ายโอนพลังงานจากแบตเตอรี่ที่มีแรงดันสูงไปยังแบตเตอรี่ที่มีแรงดันต่ำเพื่อให้เกิดความสมดุลของแรงดันไฟฟ้าระหว่างแบตเตอรี่ต่างๆ ในชุดแบตเตอรี่ ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานโดยรวมของชุดแบตเตอรี่

ฟังก์ชันการป้องกันความปลอดภัย

BMS เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ช่วยดูแลความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่เกิดการชาร์จไฟเกิน เช่น เมื่อแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จเกินกว่าเกณฑ์ความปลอดภัยที่กำหนดไว้ (โดยปกติสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม จะมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าตัดการชาร์จ) BMS จะตัดวงจรการชาร์จทันทีเพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่เสียหายหรือเกิดอุบัติเหตุทางความปลอดภัยเนื่องจากการชาร์จไฟเกิน

ในทำนองเดียวกัน ในแง่ของการคายประจุมากเกินไป เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าคายประจุขั้นต่ำที่กำหนดไว้ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะหยุดการคายประจุเพื่อป้องกันการสูญเสียความจุที่ไม่สามารถแก้ไขได้ซึ่งเกิดจากการคายประจุมากเกินไปของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ เมื่อตรวจพบสถานการณ์ผิดปกติ เช่น อุณหภูมิแบตเตอรี่สูงหรือการลัดวงจร ระบบ BMS จะดำเนินการอย่างรวดเร็ว เช่น การตัดวงจร การส่งสัญญาณเตือน ฯลฯ เพื่อความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่

2. ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์

หน่วยควบคุมหลัก (MCU)

นี่คือส่วนประกอบหลักของ BMS เปรียบเสมือนสมอง MCU โดยทั่วไปคือไมโครโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่ทำหน้าที่รับและประมวลผลข้อมูลจากเซ็นเซอร์ต่างๆ รันอัลกอริทึมที่ซับซ้อนเพื่อให้ได้ฟังก์ชันต่างๆ เช่น การประเมินสถานะแบตเตอรี่และการควบคุมสมดุล สามารถตัดสินใจตามตรรกะของโปรแกรมที่ตั้งไว้ล่วงหน้า เช่น การออกคำสั่งควบคุมเพื่อเปิดใช้งานกลไกการป้องกันเมื่อตรวจพบสถานการณ์ผิดปกติ

เซ็นเซอร์

เซ็นเซอร์วัดแรงดันไฟฟ้าใช้สำหรับวัดแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์และชุดแบตเตอรี่ เซ็นเซอร์เหล่านี้จำเป็นต้องมีความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูงเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการเก็บข้อมูลแรงดันไฟฟ้ามีความถูกต้อง

เซ็นเซอร์วัดกระแสไฟฟ้ามีหน้าที่หลักในการวัดกระแสไฟฟ้าขณะชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ โดยทั่วไปจะใช้เซ็นเซอร์วัดกระแสไฟฟ้าแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ ซึ่งสามารถวัดขนาดกระแสไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำภายใต้สภาวะกระแสไฟฟ้าสูงและมีความเป็นเส้นตรงที่ดี

เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิถูกติดตั้งไว้ในส่วนสำคัญต่างๆ ของชุดแบตเตอรี่ เช่น ระหว่างเซลล์แบตเตอรี่และบนพื้นผิวของโมดูลแบตเตอรี่ เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ เซ็นเซอร์เทอร์มิสเตอร์ ซึ่งสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็วและให้ข้อมูลอุณหภูมิแบบเรียลไทม์แก่ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

วงจรสมดุล

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ วงจรปรับสมดุลเป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำให้แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างสมดุล สำหรับวงจรปรับสมดุลแบบพาสซีฟนั้น ส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวต้านทานปรับสมดุลและสวิตช์ควบคุมหลายตัว เมื่อต้องการปรับสมดุล สวิตช์ควบคุมจะต่อตัวต้านทานที่เหมาะสมขนานกับเซลล์แบตเตอรี่แรงดันสูงตามคำสั่งของ MCU เพื่อเริ่มต้นกระบวนการปรับสมดุล

วงจรปรับสมดุลแบบแอคทีฟค่อนข้างซับซ้อนและอาจประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และหลอดสวิตช์ โดยการสร้างวงจรถ่ายโอนพลังงาน พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากแบตเตอรี่แรงดันสูงไปยังแบตเตอรี่แรงดันต่ำ ทำให้การปรับสมดุลแบตเตอรี่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

อินเทอร์เฟซการสื่อสาร

โดยทั่วไปแล้ว BMS จะมีอินเทอร์เฟซการสื่อสารหลายแบบ เช่น อินเทอร์เฟซ CAN bus, อินเทอร์เฟซ RS-485 หรืออินเทอร์เฟซ SPI อินเทอร์เฟซการสื่อสารเหล่านี้ใช้สำหรับการสื่อสารกับอุปกรณ์ภายนอก เช่น การแลกเปลี่ยนข้อมูลกับหน่วยควบคุมยานยนต์ (VCU) ของรถยนต์ไฟฟ้า ระบบตรวจสอบของระบบจัดเก็บพลังงาน เป็นต้น ผ่านอินเทอร์เฟซเหล่านี้ อุปกรณ์ภายนอกสามารถรับข้อมูลสถานะแบตเตอรี่ที่ตรวจสอบโดย BMS และยังสามารถส่งคำสั่งควบคุมไปยัง BMS เพื่อให้สามารถตรวจสอบและจัดการชุดแบตเตอรี่จากระยะไกลได้