เหตุใดแบตเตอรี่ลิเธียมจึงต้องใช้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ฟังก์ชั่นหลักของ BMS คืออะไร?

ในยุคของการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีพลังงานใหม่แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นส่วนประกอบการจัดเก็บพลังงานหลักถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในยานพาหนะไฟฟ้าระบบจัดเก็บพลังงานและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อย่างไรก็ตามลักษณะทางเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมแนะนำความเสี่ยงหลายอย่างในระหว่างการทำงานเช่นการชาร์จมากเกินไปการชำระเงินมากเกินไปและการหลบหนีความร้อน นอกจากนี้ความไม่สอดคล้องกันระหว่างแต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่สามารถส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพโดยรวมและอายุการใช้งาน เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ บทความนี้จะเจาะลึกถึงความจำเป็นของ BMS สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมและฟังก์ชั่นหลักโดยเริ่มจากลักษณะโดยธรรมชาติของแบตเตอรี่ลิเธียม

I. ความจำเป็นของ BMS สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมตามลักษณะของพวกเขา

คุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมจำเป็นต้องมีการปรับใช้ BMS เพื่อลดความเสี่ยงโดยธรรมชาติ การชาร์จมากเกินไปสามารถนำไปสู่การตกตะกอนของลิเธียม dendrites บนพื้นผิวอิเล็กโทรดเชิงลบซึ่งอาจทำให้ตัวคั่นและทำให้เกิดการลัดวงจรหรือแม้แต่การระเบิด ในทางกลับกันการชำระเงินมากเกินไปอาจละลายฟอยล์ทองแดงบนอิเล็กโทรดเชิงลบทำให้เกิดการสูญเสียความจุกลับไม่ได้ ยิ่งไปกว่านั้นแบตเตอรี่ลิเธียมมีความไวต่ออุณหภูมิสูง อุณหภูมิสูงเร่งการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ในขณะที่อุณหภูมิต่ำลดอัตราการย้ายถิ่นของลิเธียมไอออนซึ่งส่งผลต่อการชาร์จและประสิทธิภาพการคายประจุ นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์เช่นความจุและความต้านทานภายในระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่สามารถทำให้รุนแรงขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปการสร้าง "เอฟเฟกต์บาร์เรลไม้" ซึ่งประสิทธิภาพโดยรวมถูก จำกัด โดยเซลล์ที่อ่อนแอที่สุด

BMS ป้องกันความเสี่ยงเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการตรวจสอบสถานะแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องและปรับกลยุทธ์การชาร์จและการปลดปล่อยแบบไดนามิก ตัวอย่างเช่นในยานพาหนะไฟฟ้า BMS ทำให้มั่นใจได้ว่าแบตเตอรี่แบตเตอรี่ทำงานภายในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม 25 องศาถึง 40 องศาและรักษาความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ภายใน± 10mV ผ่านเทคนิคการจัดการสมดุล ข้อมูลบ่งชี้ว่าชุดแบตเตอรี่ลิเธียมที่ติดตั้ง BMS สามารถทำได้มากกว่า 2,000 รอบการปล่อยประจุในขณะที่ผู้ที่ไม่มี BMS อาจมีอายุน้อยกว่า 1,000 รอบ

ii. ฟังก์ชั่นหลักของ BMS

(1) การตรวจสอบและประเมินสถานะแบตเตอรี่

BMS ใช้เซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงในการรวบรวมข้อมูลแรงดันไฟฟ้ากระแสและอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องจากแต่ละเซลล์และใช้อัลกอริทึมเพื่อประเมินสถานะของการชาร์จ (SOC) และสถานะของสุขภาพ (SOH) ของแบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่นในยานพาหนะไฟฟ้า BMS จะต้องสแกนเซลล์แต่ละเซลล์ภายในมิลลิวินาทีและรักษาข้อผิดพลาดการประมาณค่า SOC ภายใน± 3% โดยใช้อัลกอริทึมเช่นตัวกรอง Kalman นอกจากนี้ BMS ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในการต่อต้านภายในทำให้เกิดคำเตือนสุขภาพเมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้นมากกว่า 30% ของค่าเริ่มต้น

(2) การควบคุมการชาร์จและการปลดปล่อยและการป้องกันความปลอดภัย

BMS ควบคุมกระบวนการชาร์จและการปลดปล่อยแบตเตอรี่โดยการควบคุมรีเลย์และสวิตช์ MOSFET ในระหว่างการชาร์จระบบจะปรับกระแสไฟฟ้าแบบไดนามิกตามอุณหภูมิของแบตเตอรี่เช่นการใช้อัตราการชาร์จ 1C ที่ 25 องศาและลดลงเป็น 0. 5C ที่ 40 องศา เมื่อตรวจจับแรงดันไฟฟ้าเกิน 4.2V หรือลดลงต่ำกว่า 2.5V ในแต่ละเซลล์ BMS จะตัดวงจรออกทันทีเพื่อป้องกันการชาร์จมากเกินไปและการชำระเงินมากเกินไป นอกจากนี้ระบบยังมีการป้องกันการลัดวงจรซึ่งสามารถตัดการเชื่อมต่อวงจรที่ผิดพลาดภายใน 10 ไมโครวินาทีเพื่อหลีกเลี่ยงเหตุการณ์การหลบหนีความร้อน

(3) การจัดการความร้อนและการปรับสมดุลของเซลล์

การจัดการความร้อนเป็นฟังก์ชั่นหลักของ BMS ระบบรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่ภายในช่วงที่เหมาะสมผ่านอุปกรณ์เช่นแผ่นทำความเย็นของเหลวพัดลมระบายความร้อนอากาศหรือฟิล์มทำความร้อน ตัวอย่างเช่น BMS ใน Tesla Model 3 ใช้การออกแบบท่อระบายความร้อนของเหลวงูเพื่อควบคุมความแตกต่างของอุณหภูมิภายในชุดแบตเตอรี่ถึง± 2 องศา การปรับสมดุลของเซลล์นั้นผ่านเทคนิคที่ใช้งานอยู่หรือแบบพาสซีฟ การปรับสมดุลการใช้งานใช้ตัวแปลง DC-DC เพื่อถ่ายโอนพลังงานจากเซลล์ที่มีความจุสูงไปยังเซลล์ที่มีความจุต่ำทำให้ได้ประสิทธิภาพที่สมดุลเกิน 90%ในขณะที่การปรับสมดุลแบบพาสซีฟจะกระจายพลังงานส่วนเกินผ่านตัวต้านทานเหมาะสำหรับการใช้งานที่ไวต่อต้นทุน

(4) การสื่อสารและการโต้ตอบข้อมูล

BMS สื่อสารกับตัวควบคุมยานพาหนะสถานีชาร์จและอุปกรณ์อื่น ๆ ผ่านอินเทอร์เฟซเช่น CAN BUS และ RS485 ในยานพาหนะไฟฟ้า BMS รายงานสถานะแบตเตอรี่รวมถึง SOC, SOH และการกระจายอุณหภูมิไปยังระบบควบคุมยานพาหนะทุก ๆ 100 มิลลิวินาที ระบบยังรองรับโปรโตคอลการวินิจฉัยกระตุ้นการเตือนสามระดับและ จำกัด กำลังไฟของยานพาหนะเมื่อความต้านทานฉนวนลดลงต่ำกว่า100Ω\/V ระบบ BMS ขั้นสูงนำเสนอความสามารถในการตรวจสอบระยะไกลอัพโหลดข้อมูลไปยังแพลตฟอร์มคลาวด์ผ่านเครือข่าย 4G\/5G เพื่อการบำรุงรักษาที่คาดการณ์ได้

iii. ความท้าทายทางเทคนิคและแนวโน้มการพัฒนาของ BMS

แม้จะมีความก้าวหน้าที่สำคัญเทคโนโลยี BMS ยังคงเผชิญกับความท้าทายหลายประการ ประการแรกการบรรลุการตรวจสอบความแม่นยำสูงนั้นต้องใช้ความแม่นยำและค่าใช้จ่ายของเซ็นเซอร์ที่สมดุลเช่นการบรรลุความแม่นยำในการสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าของ 0. 1MV และความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิ± 0 5 องศา ประการที่สองประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ของอัลกอริทึมที่ซับซ้อนต้องการการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการชาร์จอัตราสูงและสถานการณ์การปลดปล่อยซึ่งอัลกอริทึมการประมาณ SOC จะต้องวนซ้ำภายใน 10 มิลลิวินาที ยิ่งไปกว่านั้นลักษณะทางเคมีที่แตกต่างกันของแบตเตอรี่ลิเธียมชนิดต่าง ๆ (เช่น NMC, LFP) ต้องการความสามารถในการปรับตัวที่มากขึ้นจาก BMS

เมื่อมองไปข้างหน้า BMS จะพัฒนาไปสู่ความแม่นยำสูงความฉลาดและการบูรณาการ ในอีกด้านหนึ่งการรวมอัลกอริทึม AI จะเพิ่มความแม่นยำในการทำนายความผิดพลาดมากกว่า 95%เช่นโดยใช้เครือข่ายประสาท LSTM เพื่อทำนายอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ของแบตเตอรี่ ในทางกลับกัน BMS จะถูกรวมเข้ากับชุดแบตเตอรี่อย่างลึกซึ้งในการสร้างโซลูชัน "แบตเตอรี่อัจฉริยะ" ที่อาจเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานปริมาตร 20% นอกจากนี้การเกิดขึ้นของเทคโนโลยี BMS ไร้สายจะลดการใช้สายไฟสายไฟลดน้ำหนักระบบและค่าใช้จ่ายและรองรับการออกแบบที่มีน้ำหนักเบาในยานพาหนะไฟฟ้า

บทสรุป

ในฐานะที่เป็น "สมอง" ของแบตเตอรี่ลิเธียม BMS จึงกล่าวถึงประเด็นหลักที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยความสอดคล้องและอายุการใช้งานผ่านการตรวจสอบแบบเรียลไทม์การควบคุมที่แม่นยำและการจัดการอัจฉริยะ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ระดับเทคโนโลยีของ BMS จะส่งผลโดยตรงต่อเพดานประสิทธิภาพของระบบแบตเตอรี่ ในอนาคตการอัพเกรด BMS อย่างชาญฉลาดและการรวมเข้ากับ IoT และ Big Data Technologies จะให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่เชื่อถือได้มากขึ้นสำหรับการประยุกต์ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมอย่างกว้างขวาง