مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة ، أصبح تطبيق BMS شائعًا BMS مسؤول عن مراقبة وحماية البطارية من الظروف التي قد تضر البطارية أو السيارة أو المستخدم أو البيئة المحيطة BMS مسؤولة أيضًا عن توفير تقديرات دقيقة لـ SOC و SOH لضمان تقليل أداء البطارية وتدهور السعة خلال دورة حياة البطارية ، مما يضمن تجربة قيادة المستخدم

يتكون الهيكل الرئيسي لـ BMS عادة من ثلاثة ICS: الواجهة الأمامية التناظرية (AFE) ، متحكم (MCU) ، ومقياس (الشكل 1) يمكن أن يكون Coulometer عبارة عن IC مستقل أو مضمن في MCU يعد MCU المكون الأساسي لـ BMS ، وبينما يتصل بباقي النظام ، فإنه يحصل أيضًا على معلومات من AFE و Coulometer

الشكل 1 مخطط كتلة العمارة BMS

يوفر AFE الجهد ودرجة الحرارة والمعلومات الحالية للخلايا والوحدات النمطية لـ MCUs و Coulometers نظرًا لأن AFE الأقرب جسديًا إلى البطارية ، يمكن لـ AFE أيضًا التحكم في قاطع الدائرة ، مما سيقوم بفصل البطارية عن بقية النظام إذا تم تشغيل أي فشل
يأخذ Coulometer IC معلومات الخلية من AFE ثم يستخدم نمذجة الخلايا المتطورة والخوارزميات المتقدمة لتقدير المعلمات الرئيسية ، مثل SOC و SOH يمكن تنفيذ وظائف Coulometer من خلال MCU ، ولكن هناك العديد من المزايا لاستخدام Coulometer IC مخصص:

 · التصميم الفعال: يتيح استخدام ICS المخصص لتشغيل الخوارزميات المعقدة للمصممين استخدام مواصفات أقل من MCU ، مما يقلل من التكلفة الإجمالية والاستهلاك الحالي
safety · تحسين السلامة: يقيس مقياس coulometer مخصص SOC و SOH لكل مجموعة خلية ترادفية في حزمة بطارية ، مما يتيح دقة قياس أكثر دقة واكتشاف الشيخوخة طوال دورة حياة البطارية هذا أمر مهم لأن مقاومة البطارية والقدرة تتباين مع مرور الوقت ، مما يؤثر على الجهوزية والسلامة

تحسين دقة SOC و SOH
الهدف الرئيسي من تصميم BMS عالية الدقة هو توفير حسابات دقيقة لـ SOC و SOH من حزمة البطارية قد يعتقد مصممو BMS أن الطريقة الوحيدة لتحقيق ذلك هي استخدام AFEs ذات الدقة العالية ، ولكن هذا هو عامل واحد فقط في الدقة الحسابية الشاملة أهم العوامل هي طراز بطارية Coulometer وخوارزمية حساب coulometer ، تليها قدرة AFE على توفير قراءات التيار الجهد المتزامن لحساب مقاومة البطارية
يقوم Coulometer بتحويل قياسات الجهد والتيار ودرجة الحرارة إلى مخرجات SOC و SOH عن طريق تحليل المعلومات المحسوبة في الوقت الفعلي بواسطة الخوارزمية فيما يتعلق بنموذج بطارية محدد مخزن في ذاكرته يتم إنشاء نموذج الخلية من خلال توصيف الخلية في ظل درجة حرارة وسعة وحمل مختلفة ، وتحديد جهد الدائرة المفتوحة وكذلك مكونات المقاومة والسعة يمكّن هذا النموذج خوارزمية Coulometer من حساب SOC الأمثل بناءً على تباين هذه المعلمات في ظل ظروف تشغيل مختلفة لذلك ، إذا كان طراز البطارية أو خوارزمية Coulometer غير دقيق ، يكون الحساب غير دقيق بغض النظر عن الدقة التي يتم بها القياس بواسطة AFE

الجهد والقراءة المتزامنة الحالية
على الرغم من أن جميع AFEs تقريبًا توفر ADCs مختلفة للجهد والتيار ، إلا أن جميع AFEs توفر قياسات التيار والجهد المتزامن الفعلي لكل خلية تتيح هذه الميزة ، التي تسمى القراءة المتزامنة التي تعمل بالجهد ، مقياس Coulometer من تقدير مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) بدقة نظرًا لأن ESR يختلف مع ظروف التشغيل المختلفة والوقت ، فإن تقدير ESR في الوقت الفعلي يسمح بتقديرات SOC أكثر دقة

يوضح الشكل 2 خطأ قراءة متزامنة مقابل قراءة غير متزامنة

الشكل 2 مقارنة أخطاء SOC مع وبدون قراءة متزامنة

AFE السيطرة على الصدع المباشر
كما ذكرنا سابقًا ، فإن الدور الأكثر أهمية الذي يلعبه AFE في BMS هو إدارة الحماية يمكن لـ AFE التحكم مباشرة في دائرة الحماية ، وحماية النظام والبطارية عند اكتشاف خطأ تنفذ بعض الأنظمة التحكم في الأعطال في MCU ، ولكن هذا ينتج عنه أوقات استجابة أطول ويتطلب المزيد من الموارد من MCU ، مما يزيد من تعقيد البرامج الثابتة
تستخدم Advanced AFE قراءة ADC وتكوين المستخدم للكشف عن أي شروط فشل يستجيب AFE للفشل عن طريق تشغيل MOSFET واقية لضمان حماية الأجهزة الحقيقية وبهذه الطريقة ، يمكن لـ MCU أن تعمل كآلية حماية ثانوية لأمن أعلى وأمان

حماية البطارية لقياسات الجهد العالية والمنخفضة
عند تصميم BMS ، من المهم التفكير في مكان وضع قاطع الدائرة المحمي بالبطارية عادةً ما يتم تنفيذ هذه الدوائر باستخدام MOSFETs N-channel لأنها تتمتع بمقاومة داخلية أقل مقارنة بـ P-channel MOSFETs يمكن وضع قواطع الدوائر هذه على جانب الجهد العالي (المحطة الإيجابية للبطارية) أو جانب الجهد المنخفض (المحطة السلبية للبطارية)
تضمن العمارة الجانبية العالية التأريض الجيد (GND) لتجنب مشكلات الأمن والاتصال المحتملة في حالة حدوث دائرة قصيرة بالإضافة إلى ذلك ، يساعد اتصال GND نظيف ومستقر في تقليل تقلبات الإشارة المرجعية ، والتي هي مفتاح تشغيل MCU دقيقة
ومع ذلك ، عندما يتم وضع MOSFETs n القناة في الطرف الإيجابي للخلية ، فإن قيادة بوابها يتطلب جهدًا أعلى من مجموعة البطارية ، مما يجعل عملية التصميم أكثر تحديا لذلك ، غالبًا ما تستخدم مضخات الشحن المتخصصة المدمجة في AFE في البنية الراقية ، مما يزيد من التكلفة الإجمالية والاستهلاك الحالي IC
بالنسبة للتكوينات المنخفضة ، ليست مضخات الشحن مطلوبة ، ولكن من الصعب تحقيق اتصال فعال في التكوينات الجانبية منخفضة الجهد لأنه لا يوجد مرجع GND عند تشغيل الحماية

توازن البطارية لتمديد عمر البطارية
تتكون حزمة بطارية الطاقة عادة من عدد من الخلايا في السلسلة والموازاة كل خلية متطابقة من الناحية النظرية ، لكن كل خلية تتصرف عادة بشكل مختلف قليلاً بسبب التحمل في التصنيع والاختلافات الكيميائية بمرور الوقت ، تصبح هذه الاختلافات أكثر أهمية ، لذلك فإن موازنة البطارية ضرورية
المعادلة السلبية هي الطريقة الأكثر شيوعًا ، والتي تتطلب تفريغ البطاريات الأكثر شحنًا حتى يتمتع جميعها بالرسوم المتساوية يمكن أن يتم موازنة الوحدة السلبية في AFE خارجيًا أو داخليًا يسمح الموازنة الخارجية بتوازن أكبر ، ولكنه يزيد أيضًا من BOM (كما هو مبين في الشكل 3)

الشكل 3 مخطط توازن البطارية الخارجي

التوازن الداخلي ، من ناحية أخرى ، لا يزيد من BOM ، ولكنه عادة ما يحد من التوازن الحالي إلى قيمة أقل بسبب تبديد الحرارة (الشكل 4) عند تحديد التوازن الداخلي والخارجي ، يجب مراعاة تكلفة الأجهزة الخارجية والتوازن الهدف الحالي

الشكل 4 مخطط كتلة توازن الوحدة الداخلية