ทำความเข้าใจโครงสร้างแบตเตอรี่และสถาปัตยกรรม BMS

แบตเตอรี่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของรถยนต์ไฟฟ้า มีหน้าที่จัดเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อน หลักการพื้นฐานและโครงสร้างแบตเตอรี่เป็นองค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีรถยนต์ไฟฟ้า โครงสร้างแบตเตอรี่ส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่ บทความนี้จะแนะนำโครงสร้างและหลักการของแบตเตอรี่ รวมถึงโครงสร้างฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ของระบบการจัดการแบตเตอรี่

โครงสร้างแบตเตอรี่และหลักการแบตเตอรี่

หลักการพื้นฐาน

แบตเตอรี่ใช้ปฏิกิริยาเคมีในการเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า แบตเตอรี่ชนิดที่พบมากที่สุดคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งใช้ปฏิกิริยารีดอกซ์ของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วบวกและขั้วลบเพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้า

เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ ลิเธียมไอออนจะถูกถ่ายโอนจากขั้วบวก (โดยปกติจะเป็นออกไซด์) ไปยังขั้วลบ (โดยปกติคือกราไฟท์) ในระหว่างกระบวนการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะย้ายจากขั้วลบไปยังขั้วบวก โดยปล่อยพลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าไปข้างหน้า

โครงสร้างแบตเตอรี่

โครงสร้างของแบตเตอรี่พลังงานมักจะประกอบด้วยหลายหน่วย และแต่ละหน่วยประกอบด้วยเซลล์แบตเตอรี่หลายเซลล์ที่เชื่อมต่อกัน ต่อไปนี้เป็นโครงสร้างพื้นฐานและส่วนประกอบของแบตเตอรี่สำรอง:

• เซลล์แบตเตอรี่ (Cell)

เซลล์แบตเตอรี่เป็นหน่วยพื้นฐานของแบตเตอรี่ ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ ตัวคั่น และอิเล็กโทรไลต์ ขั้วบวกมักจะใช้ออกไซด์ของโลหะ เช่น โคบอลต์ นิกเกิล และแมงกานีส และขั้วลบมักจะเป็นกราไฟท์ อิเล็กโทรไลต์เป็นสื่อนำไอออนในแบตเตอรี่และอาจเป็นของเหลวหรือของแข็งก็ได้

• โมดูลแบตเตอรี่ (Module)

โมดูลแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์แบตเตอรี่หลายเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือขนานเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและความจุที่ต้องการ โดยทั่วไปโมดูลจะมีระบบระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม

• ชุดแบตเตอรี่ (Pack)

ชุดแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบระดับสูงสุดของแบตเตอรี่จ่ายไฟ และประกอบด้วยโมดูลแบตเตอรี่หลายชุด ชุดแบตเตอรี่ไม่เพียงแต่ให้พลังงานตามที่ต้องการเท่านั้น แต่ยังมีระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เพื่อตรวจสอบและจัดการสถานะของเซลล์แบตเตอรี่แต่ละเซลล์ เช่น แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ ความจุ ฯลฯ

• ระบบระบายความร้อน

แบตเตอรี่จะสร้างความร้อนระหว่างการทำงานและต้องใช้ระบบทำความเย็นเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ โครงสร้างภายในของชุดแบตเตอรี่ได้รับการจัดเรียงอย่างแน่นหนา หากไม่มีการตั้งค่ากลไกการเตือนและการป้องกันล่วงหน้าที่มีประสิทธิภาพ ความร้อนที่เบี่ยงเบนไปของหน่วยเดียวอาจแพร่กระจายได้ง่าย ทำให้เกิดการระบายความร้อนของระบบแบตเตอรี่ทั้งหมด และทำให้เกิดอุบัติเหตุไฟไหม้ในรถยนต์

ปัจจัยด้านอุณหภูมิมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่พลังงาน อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมที่สุดคืออยู่ในช่วง 15 ถึง 35°C และแบตเตอรี่พลังงานใช้การบำบัดความร้อนที่สอดคล้องกัน

ปัจจุบันวิธีการกระจายความร้อนของแบตเตอรี่พลังงานส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามวิธี: การระบายความร้อนด้วยอากาศ การระบายความร้อนโดยตรง และการระบายความร้อนด้วยของเหลว โดยวิธีการระบายความร้อนด้วยของเหลวนั้นดีที่สุด

• มาตรการรักษาความปลอดภัย

แบตเตอรี่ต้องมีมาตรการความปลอดภัยหลายประการเพื่อป้องกันการชาร์จไฟเกิน การคายประจุเกิน อุณหภูมิเกิน ฯลฯ เพื่อรับรองความปลอดภัยของแบตเตอรี่

การออกแบบแบตเตอรี่ให้พลังงานนั้นคำนึงถึงปัจจัยหลายประการ รวมถึงความหนาแน่นของพลังงาน ความเร็วในการชาร์จ อายุการใช้งาน ความปลอดภัย ฯลฯ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง โครงสร้างและวัสดุของแบตเตอรี่ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและประสบการณ์การใช้งานของยานพาหนะไฟฟ้า

เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่ จึงมีการนำการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการประเมินความเสี่ยงของสถานะต่างๆ เช่น แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ สถานะการชาร์จ (SOC) และสถานะสุขภาพ (SOH) ของระบบแบตเตอรี่ ระบบการจัดการแบตเตอรี่ BMS)

ส่วนสำคัญของโครงสร้างแบตเตอรี่-BMS

ระบบแบตเตอรี่ BMS เรียกว่าพี่เลี้ยงแบตเตอรี่หรือผู้ดูแลแบตเตอรี่ ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อจัดการและบำรุงรักษาแบตเตอรี่แต่ละก้อนอย่างชาญฉลาด ป้องกันแบตเตอรี่จากการชาร์จไฟเกินและการคายประจุมากเกินไป ยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ และตรวจสอบสถานะของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่.

หน่วยระบบการจัดการแบตเตอรี่ BMS ประกอบด้วยระบบการจัดการแบตเตอรี่ BMS, โมดูลควบคุม, โมดูลแสดงผล, โมดูลการสื่อสารไร้สาย, อุปกรณ์ไฟฟ้า, ชุดแบตเตอรี่ที่ใช้จ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า และโมดูลการรวบรวมสำหรับการรวบรวมข้อมูลแบตเตอรี่ของชุดแบตเตอรี่

สถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ BMS

กระดานหลักในฐานะสมองของ BMS รวบรวมข้อมูลการสุ่มตัวอย่างจากแต่ละบอร์ดทาส (ปกติเรียกว่า LCU) สื่อสารกับยานพาหนะผ่านอินเทอร์เฟซไฟฟ้าแรงดันต่ำ ควบคุมการทำงานของรีเลย์ใน BDU (กล่องการตัดการเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูง ) และตรวจสอบสถานะแบตเตอรี่ในด้านต่างๆ เพื่อให้มั่นใจถึงการใช้แบตเตอรี่อย่างปลอดภัยในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ

บอร์ดทาส (LCU) ในฐานะผู้ดูแล BMS จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ อุณหภูมิของเซลล์ และข้อมูลอื่น ๆ และส่งข้อมูลไปยังกระดานหลัก โดยมีฟังก์ชันการปรับสมดุลแบตเตอรี่ วิธีการสื่อสารระหว่างบอร์ดทาสและ กระดานหลักมักจะเป็นการสื่อสารแบบ CAN หรือการสื่อสารแบบเดซี่เชน

BDU คือประตูสำหรับพลังงานไฟฟ้าของแบตเตอรี่เข้าและออก โดยเชื่อมต่อกับโหลดไฟฟ้าแรงสูงและชุดสายไฟชาร์จเร็วผ่านอินเทอร์เฟซไฟฟ้าแรงสูง รวมถึงวงจรชาร์จล่วงหน้าซึ่งเป็นรีเลย์บวกทั้งหมด , รีเลย์ลบรวม, รีเลย์ชาร์จเร็ว ฯลฯ และควบคุมโดยเมนบอร์ด

บอร์ดควบคุมไฟฟ้าแรงสูงเป็นตัวเฝ้าไฟเข้าและออกของชุดแบตเตอรี่ โดยสามารถรวมเข้ากับแผงวงจรหลักหรือแยกอิสระก็ได้ โดยจะตรวจสอบแรงดันและกระแสของชุดแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ และยังรวมถึงการตรวจจับการชาร์จล่วงหน้าและฉนวนอีกด้วย ฟังก์ชั่นการตรวจจับ

สถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ BMS

เมื่อเผชิญกับการใช้พลังงานไฟฟ้า ความชาญฉลาด และเครือข่ายของรถยนต์ที่ค่อยเป็นค่อยไป การพัฒนาซอฟต์แวร์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์มีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้น AUTOSAR Alliance จึงเกิดขึ้น

AUTOSAR ย่อมาจาก Automotive Open System Architecture สถาปัตยกรรมแบบจำลองแบบหลายชั้นของ AUTOSAR ช่วยให้ OEM ซัพพลายเออร์ และสถาบันการวิจัยทางวิทยาศาสตร์สามารถร่วมกันพัฒนาและร่วมมืออย่างมีประสิทธิภาพเพื่อสร้างระบบซอฟต์แวร์ที่มีประสิทธิภาพ

การพัฒนาซอฟต์แวร์ BMS ที่สมบูรณ์มักจะใช้สถาปัตยกรรม AUTOSAR สถาปัตยกรรม AUTOSAR แบ่งซอฟต์แวร์ ECU ที่ทำงานบนไมโครคอนโทรลเลอร์ออกเป็นสามชั้น: Application, RTE และ BSW ต่อไปจะแนะนำการแบ่งงานของแต่ละเลเยอร์ของ AUTOSAR โดยย่อ:

เลเยอร์แอปพลิเคชันแบ่งซอฟต์แวร์ออกเป็น ASWC (Atomic Software component) รวมถึงส่วนประกอบซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันที่ไม่ขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ ส่วนประกอบซอฟต์แวร์เซ็นเซอร์ ส่วนประกอบซอฟต์แวร์ตัวกระตุ้น ฯลฯ

สำหรับระบบการจัดการแบตเตอรี่ ลอจิกอัลกอริธึมฟังก์ชันส่วนใหญ่จะดำเนินการที่เลเยอร์แอปพลิเคชัน ซึ่งเป็นงานหลักของการพัฒนาซอฟต์แวร์ BMS เช่นกัน

สภาพแวดล้อมการปฏิบัติงาน RTE ให้บริการการสื่อสารขั้นพื้นฐานและรองรับการสื่อสารระหว่างSoftware Component และระหว่าง Software Component ถึง BSW (รวมถึงการเรียกโปรแกรมภายใน ECU การสื่อสารบัสภายนอก ECU ฯลฯ ) RTE ทำให้สถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ของเลเยอร์แอปพลิเคชันเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์ ความเฉพาะเจาะจงของ ECU และ BSW เดียว

เลเยอร์ซอฟต์แวร์พื้นฐานของ BSW สามารถแบ่งย่อยได้เป็น: Services Layer, ECU Abstraction Layer、Microcontroller AbstractionLayer และ Complex Drivers Layer

แต่ละชั้นของ BSW จะปกป้องโมดูลการทำงานที่แตกต่างกัน ซึ่งมีการแนะนำดังนี้:

Service Layer ซึ่งอยู่ที่ด้านบนสุดของ BSW รวบรวมฟังก์ชันซอฟต์แวร์พื้นฐานต่างๆ ไว้ในรูปแบบของบริการสำหรับการเรียกเลเยอร์แอปพลิเคชัน รวมถึง RTOS การจัดการการสื่อสารและเครือข่าย การจัดการหน่วยความจำ บริการวินิจฉัย การจัดการสถานะ การตรวจสอบโปรแกรม ฯลฯ

ECU Abstraction Layer เป็นเลเยอร์นามธรรมของหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ห่อหุ้มเลเยอร์ไมโครคอนโทรลเลอร์และไดรเวอร์ของอุปกรณ์ขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่อพ่วง รวมการเข้าถึงอุปกรณ์ภายในและภายนอกของไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นหนึ่งเดียว และแยกแอปพลิเคชันซอฟต์แวร์ชั้นบนออกจากฮาร์ดแวร์ ECU

Microcontroller Abstraction Layer ซึ่งเป็นเลเยอร์นามธรรมของไมโครคอนโทรลเลอร์ อยู่ที่ชั้นล่างสุดของ BSW และมีไดรเวอร์สำหรับเข้าถึงไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งจะแยกซอฟต์แวร์ชั้นบนออกจากไมโครคอนโทรลเลอร์ และอำนวยความสะดวกในการปลูกถ่ายแอปพลิเคชัน

Complex Drivers Layer เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดแบบเรียลไทม์และข้อกำหนดอื่น ๆ สามารถใช้ไดรเวอร์ที่ซับซ้อนเพื่อให้เลเยอร์แอปพลิเคชันเข้าถึงฮาร์ดแวร์ได้โดยตรงผ่าน RTE นอกจากนี้ยังสามารถใช้ไดรเวอร์ที่ซับซ้อนเพื่อห่อหุ้มซอฟต์แวร์ที่ไม่มีเลเยอร์ที่มีอยู่เพื่อให้ทราบถึง AUTOSAR สถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ค่อยๆ นำไปใช้

ฟังก์ชั่นระบบการจัดการแบตเตอรี่

เนื่องจากเป็นหนึ่งในโครงสร้างแบตเตอรี่ ระบบการจัดการแบตเตอรี่จึงมีบทบาทสำคัญ ฟังก์ชันของระบบจัดการแบตเตอรี่สามารถแบ่งออกเป็นฟังก์ชันการวัด อัลกอริธึมหลัก และฟังก์ชันการใช้งาน

• ฟังก์ชันการวัดส่วนใหญ่ประกอบด้วย:

การสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าของโมดูลและการสุ่มตัวอย่างอุณหภูมิ การสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้ารวมและการสุ่มตัวอย่างกระแสรวม การตรวจจับอินเทอร์ล็อคไฟฟ้าแรงสูง และการตรวจจับฉนวน ฟังก์ชันการวัดจะตรวจสอบสถานะพื้นฐานของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์และเป็นพื้นฐานของฟังก์ชันทั้งหมดของระบบ BMS หากไม่มีการวัดเหล่านี้ อัลกอริธึมหลักและฟังก์ชันแอปพลิเคชันทั้งหมดของ BMS จะดำเนินการได้ยาก

• อัลกอริธึมหลักประกอบด้วย:

อัลกอริธึม SOC (สถานะการชาร์จแบตเตอรี่), อัลกอริธึม SOH (สถานะชีวิต), อัลกอริธึม SOP (สถานะพลังงาน), อัลกอริธึมการปรับสมดุลแบตเตอรี่

ในหมู่พวกเขา อัลกอริธึม SOC โซลูชันทั่วไปในอุตสาหกรรม ได้แก่ อินทิกรัลแบบแอมแปร์ชั่วโมง แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด โครงข่ายประสาทเทียม และตัวกรองคาลมาน โซลูชันแบบใดแบบหนึ่งจะมีข้อบกพร่อง โซลูชันหลักในปัจจุบันคือการใช้อินทิกรัลแบบแอมแปร์ชั่วโมงบวกกับคาลมาน กรองวิธี

อัลกอริธึม SOH อัลกอริธึมที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน ได้แก่ วิธีการคำนวณคูลอมบ์บวกกับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และการกรองคาลมานและอัลกอริธึมอื่น ๆ

อัลกอริธึม SOP ซึ่งเป็นวิธีการที่เชื่อถือได้ในปัจจุบันยังคงอาศัยข้อมูลการทดลองและนำไปใช้โดยใช้วิธีตารางการค้นหา

หลักการของฟังก์ชันการปรับสมดุลสามารถเชื่อมโยงกับหลักการของถังไม้ได้ มีสองวิธี: การปรับสมดุลแบบแอคทีฟและการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟหมายถึงการตัดกระดานขนาดยาวแล้วจึงประกอบกระดานขนาดสั้นเพื่อให้กระดานทั้งหมดเท่ากัน ส่วนการปรับสมดุลแบบพาสซีฟหมายความว่ากระดานขนาดยาวถูกตัดเพื่อให้กระดานขนาดยาวทั้งหมดตราบเท่าที่กระดานสั้นที่สุด

• ฟังก์ชั่นการใช้งานส่วนใหญ่ประกอบด้วย:

การเปิดและปิดเครื่องไฟฟ้าแรงสูง การเปิดและปิดเครื่องไฟฟ้าแรงต่ำ การชาร์จ AC และการชาร์จ DC การจัดการความร้อนของระบบแบตเตอรี่ การวินิจฉัยข้อผิดพลาดของระบบแบตเตอรี่

ในจำนวนนี้ การเปิดและปิดไฟฟ้าแรงสูง และการเปิดและปิดไฟฟ้าแรงต่ำจำเป็นต้องได้รับความร่วมมือจากตัวควบคุมอื่นๆ เช่น VCU และ BMS หลังจาก BMS เปิดไฟฟ้าแรงสูงเสร็จแล้วเท่านั้นจึงจะสามารถจ่ายไฟให้กับหรือชาร์จไฟแรงดันสูงได้ โหลดแรงดันไฟฟ้าของยานพาหนะ

การชาร์จแบบ AC คือการชาร์จแบตเตอรี่ผ่านแท่นชาร์จแบบ AC และอุปกรณ์ชาร์จแบบออนบอร์ด การชาร์จแบบ DC คือการชาร์จแบตเตอรี่แบบจ่ายไฟผ่านแท่นชาร์จแบบ DC ฟังก์ชั่นการชาร์จมีมาตรฐานระดับชาติที่เกี่ยวข้อง

การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่มีไว้เพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม และฟังก์ชันการชาร์จและการคายประจุอยู่ในสภาพที่เหมาะสมที่สุด

การวินิจฉัยข้อผิดพลาดมีเนื้อหามากมาย ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับแบตเตอรี่ทั้งหมด รวมถึงการป้องกันแรงดันไฟเกินและแรงดันต่ำ การป้องกันกระแสไฟเกิน การตรวจจับความเหนียวของรีเลย์ การป้องกันความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ และฟังก์ชันอื่นๆ

ข้างต้นเป็นการแนะนำโครงสร้างแบตเตอรี่และโครงสร้าง BMS โครงสร้างของแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันแสดงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน แบตเตอรี่ประเภทต่างๆ ใช้ BMS ที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพแบตเตอรี่สูงสุด