چالش های طراحی سخت افزار باتری BMS

در زمان توسعه سریع فناوری باتری، سیستم مدیریت باتری (BMS) یک جزء کلیدی برای اطمینان از عملکرد ایمن و کارآمد باتری ها است.و طراحی سخت افزاری آن با چالش های زیادی روبرو استدر اینجا برخی از چالش های اصلی و روند صنعت در طراحی سخت افزار BMS ارائه شده است.

1. چالش دقت

• BMS نیاز به اندازه گیری دقیق پارامترهای ولتاژ، جریان و دمای باتری برای تخمین دقیق وضعیت شارژ باتری (SOC) دارد.وضعیت سلامت (SOH) و وضعیت قدرت (SOP)ویژگی های شیمیایی باتری ها پیچیده هستند و تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند دمای هوا و پیری قرار می گیرند. باتری های مختلف دارای ویژگی های شارژ و تخلیه متفاوت هستند.برای مثال، باتری های لیتیوم فوسفات آهن (LFP) دارای تراکم انرژی پایین اما هزینه پایین، عمر چرخه طولانی و پایدار هستند، در حالی که باتری های لیتیوم نیکل-کوبالت-مانگانز (NMC) دارای تراکم انرژی بالا اما هزینه بالا هستند..
• اندازه گیری دقیق ولتاژ باتری یکی از چالش های اصلی است، که تحت تاثیر عوامل مانند خود تخلیه و تغییرات بار باتری است.تغییرات دمایی نیز به طور قابل توجهی بر عملکرد باتری و دقت اندازه گیری تاثیر می گذاردبه عنوان مثال، دمای بالا باعث افزایش سرعت پیری باتری و کاهش ظرفیت و عملکرد باتری می شود.

2چالش های امنیتی

• یکی از وظایف اصلی BMS این است که اطمینان حاصل شود که باتری در محدوده ایمنی کار می کند و از شرایط غیرطبیعی مانند شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد، جریان بیش از حد و بیش از حد درجه حرارت جلوگیری می کند.,شارژ بیش از حد باعث می شود واکنش های شیمیایی درون باتری تعادل خود را از دست دهند، گاز تولید کنند، فشار درون باتری را افزایش دهند و حتی موقعیت های خطرناک مانند نطفه شدن را ایجاد کنند.آتش یا انفجار• تخلیه بیش از حد ممکن است باعث تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر در مواد الکترود در داخل باتری شود، عملکرد و عمر باتری را کاهش دهد.
• مدیریت حرارتی باتری ها نیز یک مسئله مهم ایمنی در طراحی سخت افزار BMS است. باتری های لیتیوم معمولاً از الکترولیت های قابل اشتعال استفاده می کنند. اگر باتری سوراخ شود یا بیش از حد شارژ شود،الکترولیت تجزیه می شود و گرما را آزاد می کندحتی اگر به فراری حرارتی نرسید، دمای کار بالا می تواند پیری باتری را تسریع کند.

3چالش های مدیریت حرارتی

• BMS نیاز به اندازه گیری دقیق پارامترهای ولتاژ، جریان و دمای باتری برای تخمین دقیق وضعیت شارژ باتری (SOC) دارد.وضعیت سلامت (SOH) و وضعیت قدرت (SOP)ویژگی های شیمیایی باتری ها پیچیده هستند و تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند دمای هوا و پیری قرار می گیرند. باتری های مختلف دارای ویژگی های شارژ و تخلیه متفاوت هستند.برای مثال، باتری های لیتیوم فوسفات آهن (LFP) دارای تراکم انرژی پایین اما هزینه پایین، عمر چرخه طولانی و پایدار هستند،در حالی که باتری های لیتیوم نیکل-کوبالت-مانگانز (NMC) دارای تراکم انرژی بالا اما هزینه بالا PDF.
• اندازه گیری دقیق ولتاژ باتری یکی از چالش های اصلی است، که تحت تاثیر عوامل مانند خود تخلیه و تغییرات بار باتری است.تغییرات دمایی نیز به طور قابل توجهی بر عملکرد باتری و دقت اندازه گیری تاثیر می گذاردبه عنوان مثال، دمای بالا باعث افزایش سرعت پیری باتری و کاهش ظرفیت و عملکرد باتری می شود.

4چالش هزینه

• طراحی سخت افزار BMS نیاز به ایجاد تعادل بین هزینه و عملکرد دارد. BMS های با عملکرد بالا اغلب نیاز به استفاده از اجزای الکترونیکی پیشرفته و مدارهای پیچیده دارند.که باعث افزایش هزینه سیستم می شود.به عنوان مثال، استفاده از سنسورهای با دقت بالا و تبدیل کننده های آنالوگ به دیجیتال می تواند دقت اندازه گیری را بهبود بخشد، اما همچنین به معنای هزینه های بالاتر است.
• برای سیستم های باتری در مقیاس بزرگ مانند وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره سازی انرژی، هزینه BMS بخش قابل توجهی از هزینه کل سیستم را تشکیل می دهد.که ممکن است استفاده گسترده از آن را در برخی از کاربردهای حساس به هزینه مانع شودبنابراین، چگونگی کاهش هزینه ها در حالی که اطمینان از عملکرد و عملکرد BMS یک چالش مهم در طراحی سخت افزار است.

5چالش های مقیاس پذیری

• طراحی یک معماری BMS که می تواند با اندازه های مختلف باتری، شیمی و پیکربندی سازگار باشد یک چالش است. با پیشرفت مداوم تکنولوژی باتری،BMS باید قادر به انطباق با نیازهای آینده بدون تغییرات یا تعویض در مقیاس بزرگ باشد.
• به عنوان مثال، در وسایل نقلیه الکتریکی، ظرفیت و پیکربندی باتری بسته بسته به مدل ممکن است متفاوت باشد.و BMS باید بتواند به راحتی گسترش یابد و متناسب با نیازهای مدل های مختلف تنظیم شود.در عین حال، برای استفاده ثانویه از باتری های بازنشسته شده از وسایل نقلیه الکتریکی،BMS همچنین نیاز به مقیاس پذیری خوبی برای پاسخگویی به نیازهای عملکرد و ایمنی این باتری های قدیمی دارد.

6چالش اعتبار

• برای اطمینان از قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم باتری، سخت افزار BMS باید در شرایط و محیط های مختلف کار کند.قطعات سخت افزاری ممکن است به دلیل عوامل مانند تداخل الکترومغناطیسی خراب شوند یا عملکرد آنها کاهش یابد.، ارتعاش و رطوبت
• به عنوان مثال، در یک وسیله نقلیه الکتریکی، BMS در معرض تداخل الکترومغناطیسی ناشی از موتورها و سایر دستگاه های الکترونیکی قرار می گیرد.که ممکن است بر ارتباطات و انتقال داده های عادی BMS تأثیر بگذارد.علاوه بر این، بسته باتری در حین رانندگی وسیله نقلیه تحت لرزش و شوک قرار می گیرد، که همچنین ممکن است به قطعات سخت افزاری BMS آسیب برساند.

7چالش های انطباق گواهینامه

• طراحی BMS باید مطابق با استانداردهای ایمنی و عملکرد مختلف باشد، مانند ISO 26262 برای کاربردهای خودرو و UL 1973 برای باتری های ثابت.برآورده کردن این الزامات صدور گواهینامه پیچیدگی طراحی و توسعه را افزایش می دهد.
• الزامات صدور گواهینامه برای BMS در زمینه های کاربردی و مناطق مختلف متفاوت است. طراحان BMS باید این الزامات را در هر مرحله از طراحی به طور کامل در نظر بگیرند،از انتخاب قطعات تا آزمایش تضمین کیفیت و آماده سازی تولید تا اطمینان حاصل شود که محصول می تواند گواهینامه را پشت سر بگذارد و به موفقیت در بازار قرار گیرد.

8چالش ارتباطات

• در سیستم های باتری بزرگ، الکترونیک نظارت و کنترل اغلب بر روی چندین قطعات صفحه مدار چاپی به جای یک کامپیوتر BMS متمرکز توزیع می شود.داده های سنجش حیاتی، داده های ایمنی و داده های سلامت باتری باید به طور مداوم بین چندین گره میکروکنترلر همگام شوند.جلوگیری از ارزیابی صحیح ولتاژ سلول باتری و ایجاد واکنش محافظت در صورت بروز شرایط خارج از محدوده.
• به عنوان مثال، در وسایل نقلیه الکتریکی، ارتباطات کارآمد و قابل اعتماد بین BMS و سایر سیستم ها مانند شارژرهای داخلی، اینورترها و غیره مورد نیاز است.برای دستیابی به مدیریت دقیق و کنترل باتریشکست های ارتباطی می تواند منجر به مدیریت بد باتری شود و عملکرد و ایمنی خودرو را تحت تاثیر قرار دهد.

9روند آینده

• اینترنت اشیاء یکپارچه (IoT):یکپارچه سازی BMS با اینترنت اشیاء برای امکان نظارت و کنترل از راه دور و بهبود بهره وری عملیاتی. از طریق انتقال و تجزیه و تحلیل داده در زمان واقعی،BMS می تواند مشکلات احتمالی باتری را از قبل شناسایی کند و آنها را برای اطمینان از عملکرد پایدار سیستم هشدار دهد.
• تکنولوژی باتری جامد:باتری های جامد به دلیل تراکم انرژی بالا و ایمنی خوب خود توجه زیادی را به خود جلب کرده اند، اما ویژگی های آنها نیاز به مدیریت و کنترل دقیق توسط BMS دارد.BMS نیاز به بهینه سازی برای ویژگی های باتری های حالت جامد برای استفاده کامل از مزایای آنها و پاسخ به چالش های جدید دارد.
• کاربرد استفاده ثانویه:استفاده از باتری های خودروهای الکتریکی در سناریوهای استفاده ثانویه مانند سیستم های ذخیره سازی انرژی، الزامات بیشتری را برای BMS ایجاد می کند.ارزیابی دقیق عملکرد و وضعیت سلامتی آنها، و اطمینان از ایمنی و کارایی.