وقتی مردم در مورد وسایل نقلیه الکتریکی (EV) صحبت می‌کنند، اغلب صحبت‌ها حول محور برد، شتاب و سرعت شارژ می‌چرخد. با این حال، در پشت این عملکرد خیره‌کننده، یک جزء بی‌صدا اما حیاتی سخت در حال کار است:سیستم مدیریت باتری خودروهای برقی (BMS).
می‌توانید BMS را به عنوان یک «نگهبان باتری» بسیار کوشا در نظر بگیرید. این سیستم نه تنها «دما» و «استقامت» (ولتاژ) باتری را زیر نظر دارد، بلکه تضمین می‌کند که هر یک از اعضای تیم (سلول‌ها) به طور هماهنگ کار کنند. همانطور که گزارشی از وزارت انرژی ایالات متحده تأکید می‌کند، «مدیریت پیشرفته باتری برای پیشبرد پذیرش وسایل نقلیه الکتریکی بسیار مهم است.»¹
ما شما را به عمق این قهرمان گمنام خواهیم برد. با هسته‌ی تحت مدیریت آن - انواع باتری - شروع می‌کنیم، سپس به عملکردهای اصلی آن، معماری مغز مانند آن، خواهیم پرداخت و در نهایت به آینده‌ای که توسط هوش مصنوعی و فناوری بی‌سیم هدایت می‌شود، نگاهی خواهیم انداخت.
۱: درک «قلب» BMS: انواع باتری خودروهای برقی
طراحی یک BMS ذاتاً با نوع باتری که مدیریت می‌کند مرتبط است. ترکیبات شیمیایی مختلف، استراتژی‌های مدیریتی بسیار متفاوتی را می‌طلبند. درک این باتری‌ها اولین قدم برای درک پیچیدگی طراحی BMS است.
باتری‌های خودروهای برقی رایج و باتری‌های خودروهای برقی آینده: نگاهی مقایسه‌ای
| نوع باتری | ویژگی‌های کلیدی | مزایا | معایب | تمرکز مدیریت BMS |
|---|---|---|---|---|
| فسفات آهن لیتیم (LFP) | مقرون به صرفه، بسیار ایمن، با چرخه عمر طولانی. | پایداری حرارتی عالی، ریسک پایین فرار حرارتی. طول عمر چرخه‌ای می‌تواند بیش از ۳۰۰۰ چرخه باشد. هزینه کم، بدون کبالت. | چگالی انرژی نسبتاً پایین‌تر. عملکرد ضعیف در دماهای پایین. تخمین SOC دشوار. | تخمین SOC با دقت بالا: برای مدیریت منحنی ولتاژ مسطح به الگوریتم‌های پیچیده‌ای نیاز دارد.پیش گرمایش در دمای پایین: به یک سیستم گرمایش باتری یکپارچه و قدرتمند نیاز دارد. |
| نیکل منگنز کبالت (NMC/NCA) | چگالی انرژی بالا، برد رانندگی طولانی. | چگالی انرژی پیشرو برای برد بیشتر. عملکرد بهتر در هوای سرد. | پایداری حرارتی کمتر. هزینه بالاتر به دلیل کبالت و نیکل. عمر چرخه معمولاً کوتاه‌تر از LFP است. | نظارت فعال بر ایمنی: نظارت بر ولتاژ و دمای سلول در سطح میلی‌ثانیه.متعادل‌سازی فعال قدرتمند: ثبات را در بین سلول‌های با چگالی انرژی بالا حفظ می‌کند.هماهنگی دقیق مدیریت حرارتی. |
| باتری حالت جامد | از یک الکترولیت جامد استفاده می‌کند که به عنوان نسل بعدی در نظر گرفته می‌شود. | ایمنی نهایی: اساساً خطر آتش‌سوزی ناشی از نشت الکترولیت را از بین می‌برد.چگالی انرژی فوق العاده بالا: از لحاظ تئوری تا ۵۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم. محدوده دمای عملیاتی وسیع‌تر. | فناوری هنوز به بلوغ نرسیده است؛ هزینه بالا. چالش‌هایی در مقاومت سطح مشترک و چرخه عمر. | فناوری‌های جدید حسگریممکن است نیاز به نظارت بر کمیت‌های فیزیکی جدید مانند فشار باشد.تخمین حالت رابطنظارت بر سلامت سطح مشترک بین الکترولیت و الکترودها. |
۲: کارکردهای اصلی یک BMS: واقعاً چه کاری انجام می‌دهد؟
یک BMS کاملاً کاربردی مانند یک متخصص چند استعدادی است که همزمان نقش یک حسابدار، یک پزشک و یک محافظ شخصی را ایفا می‌کند. کار آن را می‌توان به چهار عملکرد اصلی تقسیم کرد.
۱. تخمین وضعیت: «نشانگر سوخت» و «گزارش سلامت»
• وضعیت شارژ (SOC):این چیزی است که کاربران بیش از همه به آن اهمیت می‌دهند: "چقدر باتری باقی مانده است؟" تخمین دقیق SOC از اضطراب برد جلوگیری می‌کند. برای باتری‌هایی مانند LFP با منحنی ولتاژ مسطح، تخمین دقیق SOC یک چالش فنی در سطح جهانی است که نیاز به الگوریتم‌های پیچیده‌ای مانند فیلتر کالمن دارد.
• وضعیت سلامت (SOH):این، «سلامت» باتری را در مقایسه با زمانی که نو بوده ارزیابی می‌کند و عامل کلیدی در تعیین ارزش یک خودروی برقی دست دوم است. باتری با SOH 80٪ به این معنی است که حداکثر ظرفیت آن تنها 80٪ یک باتری نو است.
۲. تعادل سلولی: هنر کار تیمی
یک بسته باتری از صدها یا هزاران سلول متصل به صورت سری و موازی ساخته شده است. به دلیل تفاوت‌های کوچک در تولید، نرخ شارژ و دشارژ آنها کمی متفاوت خواهد بود. بدون تعادل، سلولی که کمترین شارژ را دارد، نقطه پایان دشارژ کل بسته را تعیین می‌کند، در حالی که سلولی که بیشترین شارژ را دارد، نقطه پایان شارژ را تعیین می‌کند.
• متعادل‌سازی غیرفعال:انرژی اضافی سلول‌های با بار بالاتر را با استفاده از یک مقاومت می‌سوزاند. این روش ساده و ارزان است اما گرما تولید می‌کند و انرژی را هدر می‌دهد.
• متعادل‌سازی فعال:انرژی را از سلول‌های با شارژ بالاتر به سلول‌های با شارژ کمتر منتقل می‌کند. این روش کارآمد است و می‌تواند برد قابل استفاده را افزایش دهد، اما پیچیده و پرهزینه است. تحقیقات SAE International نشان می‌دهد که متعادل‌سازی فعال می‌تواند ظرفیت قابل استفاده یک بسته باتری را حدود ۱۰٪ افزایش دهد.
۳. حفاظت ایمنی: «نگهبان» هوشیار
این مهم‌ترین مسئولیت BMS است. این سیستم به طور مداوم پارامترهای باتری را از طریق حسگرها رصد می‌کند.
• محافظت در برابر ولتاژ بیش از حد/کمتر از حد مجاز:از شارژ یا دشارژ بیش از حد، که از دلایل اصلی آسیب دائمی باتری هستند، جلوگیری می‌کند.
• محافظت در برابر جریان بیش از حد:در هنگام وقوع جریان غیرعادی، مانند اتصال کوتاه، مدار را به سرعت قطع می‌کند.
• محافظت در برابر افزایش دما:باتری‌ها به دما بسیار حساس هستند. سیستم مدیریت باتری (BMS) دما را کنترل می‌کند، در صورت بالا یا پایین بودن بیش از حد دما، توان را محدود می‌کند و سیستم‌های گرمایشی یا سرمایشی را فعال می‌کند. جلوگیری از فرار حرارتی اولویت اصلی آن است که برای یک سیستم جامع حیاتی است.طراحی ایستگاه شارژ خودروهای برقی.
۳. مغز BMS: چگونه معماری شده است؟
انتخاب معماری مناسب BMS، یک بده‌بستان بین هزینه، قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری است.
مقایسه معماری BMS: متمرکز در مقابل توزیع‌شده در مقابل ماژولار
| معماری | ساختار و ویژگی‌ها | مزایا | معایب | تامین‌کنندگان/فناوران نماینده |
|---|---|---|---|---|
| متمرکز | تمام سیم‌های حسگر سلول مستقیماً به یک کنترل‌کننده مرکزی متصل می‌شوند. | ساختار ساده و کم‌هزینه | نقطه شکست منفرد، سیم‌کشی پیچیده، سنگین، مقیاس‌پذیری ضعیف | تگزاس اینسترومنتس (TI), اینفینئونارائه راهکارهای تک تراشه‌ای بسیار یکپارچه. |
| توزیع‌شده | هر ماژول باتری، کنترل‌کننده‌ی فرعی مخصوص به خود را دارد که به یک کنترل‌کننده‌ی اصلی گزارش می‌دهد. | قابلیت اطمینان بالا، مقیاس‌پذیری قوی، نگهداری آسان | هزینه بالا، پیچیدگی سیستم | دستگاه‌های آنالوگ (ADI)سیستم مدیریت ساختمان بی‌سیم (wBMS) شرکت هنکاک در این زمینه پیشرو است.ان‌ایکس‌پیهمچنین راه حل های قوی ارائه می دهد. |
| مدولار | یک رویکرد ترکیبی بین دو رویکرد دیگر، که بین هزینه و عملکرد تعادل برقرار می‌کند. | تعادل خوب، طراحی انعطاف‌پذیر | هیچ ویژگی برجسته‌ای ندارد؛ از همه نظر متوسط است. | تأمین‌کنندگان رده ۱ مانندمارلیوپرهچنین راه‌حل‌های سفارشی ارائه دهید. |
A معماری توزیع‌شدهبه ویژه BMS بی‌سیم (wBMS)، در حال تبدیل شدن به یک روند صنعتی است. این فناوری سیم‌کشی ارتباطی پیچیده بین کنترل‌کننده‌ها را حذف می‌کند که نه تنها وزن و هزینه را کاهش می‌دهد، بلکه انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای در طراحی بسته باتری ایجاد کرده و ادغام با ... را ساده می‌کند.تجهیزات تامین برق خودرو (EVSE).
۴: آینده BMS: روندهای فناوری نسل بعدی
فناوری BMS هنوز تا رسیدن به نقطه پایان خود فاصله زیادی دارد؛ این فناوری در حال تکامل به سمت هوشمندتر شدن و متصل‌تر شدن است.
• هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی:سیستم‌های مدیریت ساختمان آینده دیگر به مدل‌های ریاضی ثابت متکی نخواهند بود. در عوض، آنها از هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی برای تجزیه و تحلیل حجم عظیمی از داده‌های تاریخی استفاده خواهند کرد تا SOH و عمر مفید باقیمانده (RUL) را با دقت بیشتری پیش‌بینی کنند و حتی هشدارهای اولیه برای خطاهای احتمالی ارائه دهند⁹.
• سیستم مدیریت ساختمان متصل به ابر:با آپلود داده‌ها در فضای ابری، می‌توان نظارت و تشخیص از راه دور را برای باتری‌های خودرو در سراسر جهان انجام داد. این امر نه تنها امکان به‌روزرسانی‌های OTA (از طریق هوا) الگوریتم BMS را فراهم می‌کند، بلکه داده‌های ارزشمندی را برای تحقیقات باتری نسل بعدی فراهم می‌کند. این مفهوم ارتباط خودرو با فضای ابری، پایه و اساس ... را نیز بنا می‌نهد.وی۲جی(وسیله نقلیه به شبکه برق)فناوری.
• سازگاری با فناوری‌های جدید باتری:چه باتری‌های حالت جامد باشند، چهفناوری‌های اصلی باتری جریانی و LDESاین فناوری‌های نوظهور به استراتژی‌های مدیریتی BMS و فناوری‌های حسگر کاملاً جدیدی نیاز خواهند داشت.
چک لیست طراحی مهندس
برای مهندسانی که در طراحی یا انتخاب BMS مشارکت دارند، نکات زیر ملاحظات کلیدی هستند:
سطح ایمنی عملکردی (ASIL):آیا با ... مطابقت دارد؟ایزو ۲۶۲۶۲استاندارد؟ برای یک جزء ایمنی حیاتی مانند BMS، معمولاً ASIL-C یا ASIL-D مورد نیاز است¹⁰.
• الزامات دقت:دقت اندازه‌گیری ولتاژ، جریان و دما مستقیماً بر دقت تخمین SOC/SOH تأثیر می‌گذارد.
• پروتکل‌های ارتباطی:آیا از پروتکل‌های اصلی گذرگاه خودرو مانند CAN و LIN پشتیبانی می‌کند و آیا با الزامات ارتباطی ... مطابقت دارد؟استانداردهای شارژ خودروهای برقی?
• قابلیت متعادل‌سازی:آیا این متعادل‌سازی فعال است یا غیرفعال؟ جریان متعادل‌کننده چقدر است؟ آیا می‌تواند الزامات طراحی بسته باتری را برآورده کند؟
•مقیاس‌پذیری:آیا می‌توان این راهکار را به راحتی با پلتفرم‌های مختلف باتری با ظرفیت‌ها و سطوح ولتاژ متفاوت تطبیق داد؟
مغز در حال تکامل خودروی برقی
سیستم مدیریت باتری خودروهای برقی (BMS)قطعه‌ای ضروری از پازل فناوری خودروهای الکتریکی مدرن است. این قطعه از یک مانیتور ساده به یک سیستم تعبیه‌شده‌ی پیچیده تبدیل شده است که حسگری، محاسبه، کنترل و ارتباط را در خود جای داده است.
با پیشرفت مداوم فناوری باتری و حوزه‌های پیشرفته‌ای مانند هوش مصنوعی و ارتباطات بی‌سیم، سیستم مدیریت باتری (BMS) هوشمندتر، قابل اعتمادتر و کارآمدتر خواهد شد. این سیستم نه تنها حافظ ایمنی خودرو است، بلکه کلید آزادسازی پتانسیل کامل باتری‌ها و ایجاد آینده‌ای پایدارتر در حمل و نقل نیز می‌باشد.
سوالات متداول
س: سیستم مدیریت باتری خودروهای برقی چیست؟
A: An سیستم مدیریت باتری خودروهای برقی (BMS)«مغز الکترونیکی» و «نگهبان» باتری یک وسیله نقلیه الکتریکی است. این یک سیستم پیچیده سخت‌افزاری و نرم‌افزاری است که دائماً تک تک سلول‌های باتری را رصد و مدیریت می‌کند و عملکرد ایمن و کارآمد باتری را در هر شرایطی تضمین می‌کند.
س: وظایف اصلی BMS چیست؟
A:وظایف اصلی یک BMS عبارتند از: ۱)تخمین حالتمحاسبه دقیق شارژ باقیمانده باتری (وضعیت شارژ - SOC) و سلامت کلی آن (وضعیت سلامت - SOH). 2)متعادل‌سازی سلولیاطمینان از اینکه تمام سلول‌های موجود در بسته، سطح شارژ یکنواختی دارند تا از شارژ یا دشارژ بیش از حد تک تک سلول‌ها جلوگیری شود. 3)حفاظت ایمنیقطع مدار در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ، کاهش ولتاژ، افزایش جریان یا افزایش بیش از حد دما برای جلوگیری از حوادث خطرناک مانند فرار حرارتی.
س: چرا سیستم مدیریت ساختمان (BMS) اینقدر مهم است؟
A:سیستم مدیریت باتری (BMS) مستقیماً میزان مصرف سوخت یک وسیله نقلیه الکتریکی را تعیین می‌کند.ایمنی، برد و طول عمر باتریبدون BMS، یک باتری گران‌قیمت می‌تواند در عرض چند ماه به دلیل عدم تعادل سلولی خراب شود یا حتی آتش بگیرد. یک BMS پیشرفته سنگ بنای دستیابی به برد طولانی، عمر طولانی و ایمنی بالا است.
زمان ارسال: ۱۸ ژوئیه ۲۰۲۵