બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ
બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ (BMS) એ બેટરી પેકને અસરકારક રીતે સંચાલિત કરવા માટે વપરાતું ઉપકરણ છે. ઇલેક્ટ્રિક વાહનો માટે, સારી રીતે ડિઝાઇન કરેલ BMS હાર્ડવેર અને સોફ્ટવેર અસરકારક રીતે ડ્રાઇવિંગ રેન્જમાં વધારો કરી શકે છે, બેટરી પેકની આયુષ્ય વધારી શકે છે, ઓપરેટિંગ ખર્ચ ઘટાડી શકે છે અને પાવર બેટરી પેકની સલામતી અને વિશ્વસનીયતાને સુનિશ્ચિત કરી શકે છે. પાવર બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ એ ઇલેક્ટ્રિક વાહનોનું અનિવાર્ય મુખ્ય ઘટક બની ગયું છે. આ પ્રકરણ પાવર બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમની રચના, કાર્યો અને કાર્યકારી સિદ્ધાંતો રજૂ કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરશે.
સિસ્ટમ આર્કિટેક્ચર
સામાન્ય બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ (BMS) હાર્ડવેરમાં મુખ્યત્વે બેટરી મેનેજમેન્ટ યુનિટ (BMU), સેલ મેનેજમેન્ટ યુનિટ (CMU), સેન્સર્સ, વાયરિંગ હાર્નેસ વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. મોટા-પાવર બેટરી સિસ્ટમ્સની ડિઝાઇનમાં, BMS આર્કિટેક્ચરની પસંદગી નિર્ણાયક છે, જે એકમ અને સૉફ્ટવેર વચ્ચેના જોડાણની પદ્ધતિને સીધી રીતે નિર્ધારિત કરે છે. સિસ્ટમની કિંમત, વિશ્વસનીયતા, ઇન્સ્ટોલેશન અને જાળવણીની સરળતા અને માપનની ચોકસાઈ. BMS માં નિયંત્રકો વચ્ચેના ટોપોલોજીના આધારે, BMS ને વ્યાપક રીતે બે પ્રકારોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે: સંકલિત અને વિતરિત.
1. સંકલિત BM
2. વિતરિત BMS
સંકલિત ટોપોલોજીથી વિપરીત, વિતરિત આર્કિટેક્ચર્સ BMS કાર્યક્ષમતાને મેઇનબોર્ડ BMU અને બહુવિધ સ્લેવ CMU માં વિભાજિત કરે છે. મોડ્યુલર માળખું મોડ્યુલ એસેમ્બલીને સરળ બનાવે છે, સેમ્પલિંગ હાર્નેસ લેઆઉટને ઑપ્ટિમાઇઝ કરે છે અને સમાન અંતર સાથે વોલ્ટેજ ડ્રોપની અસંગતતાઓને દૂર કરે છે. ગેરફાયદામાં ઊંચી કિંમત અને વધુ જટિલ સંચાર અને નિયંત્રણ ડિઝાઇનનો સમાવેશ થાય છે. વિતરિત BMS કનેક્શન પદ્ધતિઓની વિવિધતાના આધારે, તેમને વધુ ત્રણ પ્રકારોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: સ્ટાર કનેક્શન (જુઓ આકૃતિ 8-2), બસ કનેક્શન અને ડેઝી-ચેન કનેક્શન.
(1) સ્ટાર કનેક્શનસ્ટાર કનેક્શનમાં, મેઇનબોર્ડ BMU કેન્દ્રમાં સ્થિત છે, અને દરેક CMU મોડ્યુલ સીધા BMS મેઇનબોર્ડ સાથે હાર્નેસ દ્વારા જોડાયેલ છે. સ્ટાર કનેક્શન્સ પોઈન્ટ-થી-બિંદુ નિયંત્રણની સુવિધા આપે છે, અને એક CMU નોડની નિષ્ફળતા સિસ્ટમ પર નોંધપાત્ર અસર કરતી નથી. જો કે, જેમ જેમ મોડ્યુલોની સંખ્યામાં વધારો થાય છે તેમ, સ્ટાર કનેક્શનમાં સંચાર રેખાઓની જટિલતા ઝડપથી વધે છે, જે જાળવણીને મુશ્કેલ બનાવે છે અને માપનીયતાને મર્યાદિત કરે છે. BMS મેઈનબોર્ડ પોર્ટની મર્યાદાઓને લીધે, CMU મોડ્યુલો મનસ્વી રીતે ઉમેરી શકાતા નથી, જે મોટા-એપ્લીકેશનમાં પ્રમાણમાં દુર્લભ બનાવે છે.
(2) બસ કનેક્શનબસ-આધારિત સિસ્ટમ આર્કિટેક્ચર મોડ્યુલર ડિઝાઇનની સુવિધા આપે છે, જેમ કે આકૃતિ 8-3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. BMS સામાન્ય રીતે બહુવિધ નિયંત્રણ એકમોમાં વિભાજિત થાય છે: BMU, CMU અને બેટરી જોઇન બોક્સ (BJB). BMU, CMU અને BJB CAN અથવા અન્ય બસ નેટવર્ક દ્વારા જોડાયેલા છે. BMU બેટરી મેનેજમેન્ટ માટે કોર અલ્ગોરિધમ ફંક્શન કરે છે; CMU સેલ વોલ્ટેજ સંપાદન, સમાનતા અને તાપમાન માપન કરે છે; BJB બેટરી પેક માટે ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ, વર્તમાન, અને તાપમાન સંપાદન, કોન્ટેક્ટર ડ્રાઇવિંગ અને ડાયગ્નોસ્ટિક્સ અને ઇન્સ્યુલેશન શોધ કરે છે; આઇસોલેશન ઇલેક્ટ્રીકલ આઇસોલેશન પૂરું પાડે છે, બેકફ્લોને સર્કિટ બોર્ડને બર્ન થતા અટકાવે છે અને દખલગીરીના કંપનવિસ્તારને મર્યાદિત કરે છે.
બસ-આધારિત આર્કિટેક્ચર વધુ લવચીક સંચાર જોડાણો અને મજબૂત માપનીયતા પ્રદાન કરે છે, જે હાર્ડવેર આર્કિટેક્ચર ડિઝાઇનને મોટા પ્રમાણમાં સરળ બનાવે છે, મોડ્યુલરિટી હાંસલ કરે છે અને સિસ્ટમ લાગુ પડે છે અને પોર્ટેબિલિટીમાં સુધારો કરે છે. તેનો મુખ્ય ગેરલાભ તેની પ્રમાણમાં ઊંચી કિંમત છે.
ડેઝી-ચેઇનિંગ એ પ્રમાણમાં નવી કનેક્શન પદ્ધતિ છે જે તાજેતરના વર્ષોમાં ઉભરી આવી છે. ઈન્ટરફેસ સંપૂર્ણ-1Mb/s સુધીના ડુપ્લેક્સ SPI સિગ્નલોને વિભેદક સંકેતોમાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે અને તેમને ટ્વિસ્ટેડ-જોડી કેબલ અને સરળ, ઓછા-ટ્રાન્સફોર્મર દ્વારા ટ્રાન્સમિટ કરી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, લીનિયર ટેક્નોલોજીના AFE ઉપકરણો (LTC6811) ને BMS બનાવવા માટે એકબીજા સાથે જોડી શકાય છે. એક નાનું, ઓછી-કિંમતનું ટ્રાન્સફોર્મર ડેટા આઇસોલેટરને બદલે છે. મુખ્ય નિયંત્રણ માઇક્રોપ્રોસેસર બાજુ પર, એક નાનું એડેપ્ટર IC (LTC6820) મુખ્ય નિયંત્રક ઇન્ટરફેસ પૂરું પાડે છે. જ્યારે યુનિડાયરેક્શનલ ડેઝી-ચેઇન નેટવર્કિંગ સરળ છે, કોઈપણ નોડની નિષ્ફળતા સમગ્ર સિસ્ટમના સંચારને અસર કરી શકે છે. તેથી, આકૃતિ 8-4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સુધારેલ રીંગ ડેઇઝી-સાંકળ, ટેસ્લા જેવા નવા ઉર્જા વાહન ઉત્પાદકોના BMS ઉત્પાદનોમાં વિકસાવવામાં અને લાગુ કરવામાં આવી છે. CAN બસ કનેક્શન્સની તુલનામાં, ડેઝી-ચેઈનિંગ કિંમતમાં ઓછી અને કદમાં નાની છે, પરંતુ તેમાં નબળી માપનીયતા, મર્યાદિત મહત્તમ સંખ્યામાં નોડ્સ અને મોટા પાયે ઊર્જા સંગ્રહ સિસ્ટમ્સ જેવી વધુ જટિલ પરિસ્થિતિઓમાં બેટરી મેનેજમેન્ટ સમસ્યાઓને હેન્ડલ કરવામાં મુશ્કેલી છે.
મૂળભૂત કાર્યો
સામાન્ય રીતે, બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ (BMS) ના મૂળભૂત કાર્યોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: ડેટા એક્વિઝિશન, બેટરી સ્ટેટ એસ્ટીમેશન, એનર્જી મેનેજમેન્ટ, સેફ્ટી મેનેજમેન્ટ, થર્મલ મેનેજમેન્ટ, ઇક્વલાઇઝેશન કંટ્રોલ, કોમ્યુનિકેશન ફંક્શન્સ અને માનવ-મશીન ઇન્ટરફેસ. આકૃતિ 8-5 બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમનું કાર્યાત્મક બ્લોક ડાયાગ્રામ દર્શાવે છે.
ડેટા એક્વિઝિશન એ બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ (BMS) માં તમામ અલ્ગોરિધમ્સ અને નિયંત્રણોનો પાયો છે. તેથી, સેમ્પલિંગ રેટ, સચોટતા, અને-ફિલ્ટર પહેલાંની લાક્ષણિકતાઓ એ બેટરી સિસ્ટમની કામગીરીને અસર કરતા નિર્ણાયક સૂચક છે. ડેટા સંપાદન દર દૃશ્ય અને કાર્ય દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, બેકઅપ પાવર સપ્લાય સાથે, ડેટા એક્વિઝિશન રેટ 10 સેકન્ડ દીઠ એક ફ્રેમ અથવા તો પ્રતિ મિનિટ જેટલો ઓછો હોઈ શકે છે; જ્યારે ઝડપથી બદલાતા પ્રવાહ (જેમ કે વાહનો) સાથેના પદાર્થો માટે, દર 1 સેકન્ડમાં ઓછામાં ઓછો એક વખત ડેટા મેળવવો આવશ્યક છે, અમુક સલામતી સાથે-સંબંધિત ડેટા જેમાં 100ms અથવા 10ms જેટલી ઓછી સેમ્પલિંગ ફ્રીક્વન્સીની જરૂર હોય છે.
2. બેટરી સ્ટેટ અંદાજ
બેટરીની સ્થિતિના અંદાજમાં મુખ્યત્વે બે પાસાઓનો સમાવેશ થાય છે:ચાર્જની સ્થિતિ (SOC)અનેઆરોગ્ય રાજ્ય (SOH). SOC બેટરી પેકના વર્તમાન બાકીના ચાર્જને દર્શાવે છે અને ઇલેક્ટ્રિક વાહનની ડ્રાઇવિંગ શ્રેણીના અંદાજ માટેનો આધાર છે. SOH એ બેટરીની બાકી રહેલ આયુષ્ય અને અન્ય સ્વાસ્થ્ય સ્થિતિઓને દર્શાવવા માટે વપરાતું પરિમાણ છે.
ઉર્જા વ્યવસ્થાપન એ સુનિશ્ચિત કરે છે કે બેટરીનું વાસ્તવિક-સમય ઉર્જા આઉટપુટ અને ઇનપુટ બેટરી અને સિસ્ટમની વહન ક્ષમતા કરતાં વધુ ન હોય. વાસ્તવમાં, બેટરીની ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતા અન્ય પરિબળોમાં તાપમાન, SOC અને SOH દ્વારા પ્રભાવિત થાય છે. સાથોસાથ, સિસ્ટમ સ્તરે, ઓવરહિટીંગ અને સર્કિટ મેલ્ટડાઉન જેવા જોખમો ટાળવા જોઈએ. તેથી, ઊર્જા વ્યવસ્થાપન એ વૈશ્વિક નિયંત્રણ પ્રક્રિયા છે જે મુખ્યત્વે વર્તમાન, વોલ્ટેજ, તાપમાન, SOC અને SOH નો ઇનપુટ તરીકે ઉપયોગ કરે છે.
બેટરી વોલ્ટેજ, વર્તમાન અને તાપમાનનું નિરીક્ષણ કરવું તે સુનિશ્ચિત કરવા માટે કે તેઓ સામાન્ય રેન્જથી વધુ ન હોય. આધુનિક BMS (બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ) માત્ર સમગ્ર બેટરી પેક પર દેખરેખ રાખે છે પરંતુ અતિશય વ્યક્તિગત સેલ સ્થિતિઓ જેમ કે ઓવરચાર્જિંગ, ઓવર-ડિસ્ચાર્જિંગ અને વધુ-તાપમાન પર શુદ્ધ નિયંત્રણ પણ પ્રદાન કરે છે.
બેટરીને જ્યારે તેનું ઓપરેટિંગ તાપમાન ખૂબ ઊંચું હોય ત્યારે તેને ઠંડુ કરવું અને જ્યારે તે બેટરીને તેની શ્રેષ્ઠ ઓપરેટિંગ રેન્જમાં રાખવા અને ઓપરેશન દરમિયાન વ્યક્તિગત કોષો વચ્ચે તાપમાન સંતુલન જાળવવા માટે તેના યોગ્ય ઓપરેટિંગ તાપમાનની નીચલી મર્યાદાથી નીચે આવે ત્યારે તેને ગરમ કરવું. ઉચ્ચ-પાવર ડિસ્ચાર્જ અને ઉચ્ચ-તાપમાનની સ્થિતિમાં વપરાતી બેટરીઓ માટે થર્મલ મેનેજમેન્ટ ખાસ કરીને જરૂરી છે.
6. સંતુલન નિયંત્રણ
બેટરી પ્રદર્શનમાં અસંગતતાઓ એકંદર બેટરી પેક પ્રદર્શનમાં ઘટાડો અને સલામતી જોખમો તરફ દોરી શકે છે. દરેક વ્યક્તિગત કોષની ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ સ્થિતિ શક્ય તેટલી સુસંગત છે તેની ખાતરી કરવા માટે બેટરી પેકમાં વ્યક્તિગત કોષો વચ્ચે બેલેન્સિંગ સર્કિટ સ્થાપિત કરવામાં આવે છે, જેનાથી બેટરી પેકના એકંદર પ્રદર્શનમાં સુધારો થાય છે.
7. સંચાર કાર્યો
બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ (BMS) નું નિર્ણાયક કાર્ય ઓનબોર્ડ અથવા ઑફબોર્ડ ઉપકરણો સાથે બેટરી પરિમાણો અને માહિતીના સંચારને સક્ષમ કરવાનું છે, જે ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ નિયંત્રણ અને વાહન નિયંત્રણ માટે ડેટા પ્રદાન કરે છે. એપ્લિકેશન પર આધાર રાખીને, ડેટા વિનિમય વિવિધ સંચાર ઈન્ટરફેસનો ઉપયોગ કરી શકે છે, જેમ કે એનાલોગ સિગ્નલો, PWM સિગ્નલો, CAN બસ અથવા I2C સીરીયલ ઈન્ટરફેસ.
8. માનવ-મશીન ઇન્ટરફેસ (HMI)
HMI એ માનવ-મશીન ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે મધ્યસ્થી ઇન્ટરફેસ છે. તે મનુષ્યો અને તેઓ ચલાવતા મશીનો વચ્ચે સંવાદ અને ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને અસરકારક રીતે સક્ષમ કરવા માટે યોગ્ય ઇનપુટ અને આઉટપુટ ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરે છે. BMS માં, HMI માં ડિસ્પ્લે માહિતી અને નિયંત્રણ બટનો અને નોબ્સનો સમાવેશ થાય છે, જે ડિઝાઇન જરૂરિયાતો અનુસાર ગોઠવવામાં આવે છે.
