สำรวจบทบาทของระบบ BMS ในแบตเตอรี่

ระบบ BMS คืออะไร มันมีบทบาทอย่างไรในแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอัตราการคายประจุ (C-rate) สูง มีความหนาแน่นของพลังงานสูง และมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น แต่การคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมากเกินไปอาจทำให้วงจรชีวิตสั้นลงได้ การชาร์จไฟแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมากเกินไปอาจทำให้เกิดสถานการณ์ที่เป็นอันตรายได้หากไม่ปฏิบัติตามข้อควรระวัง และอาจส่งผลให้เกิดเพลิงไหม้หรือการระเบิดของแบตเตอรี่ได้

ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงไม่อนุญาตให้มีการชาร์จไฟเกินและการคายประจุมากเกินไประบบ BMS ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อปกป้องการทำงานปกติของแบตเตอรี่ บทความนี้จะแนะนำความหมาย องค์ประกอบ ฟังก์ชัน และตลาดการใช้งานหลักของระบบ BMS

ระบบ BMS คืออะไร

BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่) เป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้และสำคัญของแบตเตอรี่ เป็นศูนย์กลางในการจัดการและติดตามตรวจสอบพลังงานแบตเตอรี่ จัดการ บำรุงรักษา และตรวจสอบโมดูลแบตเตอรี่แต่ละโมดูล โดยทำหน้าที่สำคัญในการป้องกันการชาร์จแบตเตอรี่เกินและการคายประจุ ยืดอายุแบตเตอรี่ และช่วยให้แบตเตอรี่ทำงานได้ตามปกติ

ระบบ BMS สามารถตรวจสอบ ควบคุม และกระจายการชาร์จและการคายประจุของระบบแบตเตอรี่ทั้งหมดที่เชื่อถือได้อย่างใกล้ชิดตลอดอายุการใช้งาน การตรวจสอบการกระจายกระแสและแรงดันไฟฟ้าอย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากการชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปอาจทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้

ในขณะที่การชาร์จแบตเตอรี่น้อยเกินไป (หรือการคายประจุจนหมด) แบตเตอรี่อาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้ คุณภาพของระบบ BMS ส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ระบบการจัดการแบตเตอรี่คุณภาพสูงสามารถเพิ่มอายุการใช้งานโดยรวมของแบตเตอรี่ให้สูงสุดได้ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ

หน้าที่ของระบบ BMS มีอะไรบ้าง

ใช้เพื่อป้องกันอันตราย

ระบบ BMS ใช้เพื่อควบคุมและตรวจสอบการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ มีคุณสมบัติหลายประการที่ต้องได้รับการตรวจสอบ รวมถึงอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า ประเภทของแบตเตอรี่ การแยกตัวในระบบไฟฟ้าแรงสูง สถานะการชาร์จ (SOC) สภาวะสุขภาพ (SOH) และกระแสไฟฟ้าที่สูงมาก ค่าการตรวจสอบทั้งหมดนี้จำเป็นสำหรับภารกิจของระบบ BMS โดยหลักการแล้ว BMS เหมาะสำหรับการเพิ่ม SOC สูงสุด เพิ่มประสิทธิภาพ SOH และปกป้องแบตเตอรี่จากการคายประจุลึกและแรงดันไฟฟ้าเกินโดยเก็บค่าไว้ภายในหน้าต่างที่กำหนด

การป้องกันแรงดันไฟเกินและแรงดันตก (การปรับสมดุลเซลล์)

ในแบตเตอรี่แบบหลายเซลล์ เซลล์ที่มีประจุต่ำสุดจะเป็นตัวกำหนดความจุของทั้งระบบ หากแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าหรือสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่แบตเตอรี่ได้รับการออกแบบ แบตเตอรี่จะเสียหายอย่างถาวร หากแรงดันไฟฟ้าต่ำลง ทองแดงแอโนดจะละลาย หากแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น จะเกิดการชุบลิเธียม และหากแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีก เซลล์จะเริ่มปล่อยก๊าซและติดไฟ

การปรับเซลล์ให้เท่ากันมักดำเนินการโดยวงจรรวม (IC) ที่มีตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ที่มีความแม่นยำสูง การปรับสมดุลเซลล์ประเภทหลักคือการปรับสมดุลแบบแอคทีฟและการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ในการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ ประจุที่สูงกว่าของเซลล์หนึ่งสามารถถ่ายโอนไปยังอีกเซลล์หนึ่งได้ ในขณะที่การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ประจุสามารถกระจายไปได้ด้วยความช่วยเหลือของตัวต้านทาน

ตัวควบคุมเซลล์ที่แยกจากกันสามารถทำหน้าที่ดูแลทำความสะอาดที่เฉพาะเจาะจง โดยเฉพาะการประหยัดพลังงาน โดยเป็นอิสระจากตัวควบคุม BMS หลัก เช่น การวัดเซลล์เป็นประจำและการวิเคราะห์สภาพที่จำเป็นสำหรับความปลอดภัยในการใช้งาน ฟังก์ชันความปลอดภัยที่ส่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเกินหรือแรงดันตกจะถูกกระตุ้นโดยอัตโนมัติ

มีระบบป้องกันการจ่ายไฟเกิน/ตัดไฟแรงต่ำ

การป้องกันการคายประจุเกินหรือที่เรียกว่าการตัดไฟแรงดันต่ำเป็นคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่สำคัญที่พบในแบตเตอรี่หลายก้อน (และโดยทั่วไปคือลิเธียมไอออนทั้งหมด) มีวัตถุประสงค์เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่าระดับหนึ่ง ผลที่ตามมาของการคายประจุแบตเตอรี่จนหมดจะแตกต่างกันไป แต่ในเกือบทุกกรณี จะทำให้เกิดความเสียหายที่แก้ไขไม่ได้ ตัวอย่างเช่น ประสิทธิภาพวงจรชีวิตลดลง หรือแม้แต่การหนีความร้อนอาจทำให้เกิดเพลิงไหม้ได้

ดังนั้นสารเคมีในเซลล์ที่แตกต่างกันจึงมีช่วงการทำงานที่ปลอดภัยต่างกัน โดยทั่วไป เราใช้ไอซีเพื่อกำหนดช่วงการทำงานที่ปลอดภัย และให้การป้องกันที่จำเป็นสำหรับเซลล์/ชุดแบตเตอรี่ในการใช้งาน

ป้องกันการลัดวงจร

เมื่อแบตเตอรี่ลัดวงจร จำเป็นต้องมีการป้องกันกระแสเกิน สิ่งนี้สามารถนำไปสู่พฤติกรรมการคายประจุที่รุนแรงและสร้างกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งอาจนำไปสู่ความร้อนอย่างรวดเร็วของแบตเตอรี่และเหตุการณ์ความร้อนหนีไม่พ้น การปกป้องแบตเตอรี่มีสามวิธี ได้แก่ ฟิวส์ความร้อน ฟิวส์อัจฉริยะ (ไพโรฟิวส์) และเบรกเกอร์วงจร ผู้ผลิตระบบ BMS สามารถใช้คุณลักษณะหนึ่งหรือทั้งหมดในระบบ ขึ้นอยู่กับระดับความปลอดภัยที่ต้องการ

ฟิวส์ความร้อนจะทำงานเมื่อก้อนแบตเตอรี่ถึงระดับอุณหภูมิที่กำหนด ในระบบไฟฟ้าแรงสูง เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า ฟังก์ชันนี้มักจะเปิดใช้งานโดยโปรเซสเซอร์ดิจิทัล ในขณะที่ในการใช้งานแรงดันต่ำ การป้องกันนี้สามารถกระตุ้นได้เองตามเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

การป้องกันอัคคีภัยและการระเบิดมีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มนุษย์อาจได้รับอันตราย ดังนั้นไพโรฟิวส์ที่ถูกกระตุ้นด้วยระบบดิจิทัลจึงเข้ามามีบทบาท ฟิวส์นี้สามารถเชื่อมต่อกับขั้วลบหรือขั้วบวกหรือทั้งสองเส้นทางของไฟฟ้าแรงสูง ไพโรฟิวส์จะถูกกระตุ้นเป็นแนวป้องกันสุดท้ายเพื่อป้องกันความเสียหายร้ายแรงต่อแบตเตอรี่

การป้องกันกระแสเกิน

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เซลล์ต่างๆ มีความสมดุลด้วยความช่วยเหลือของกระแสไฟฟ้า กระแสไฟนี้อยู่ในช่วง 100mA และ 500mA ขึ้นอยู่กับความสามารถในการชาร์จแบตเตอรี่ การป้องกันกระแสเกินคือขีดจำกัดกระแสเฉพาะที่ IC สมดุลต้องไม่เกิน ในกรณีส่วนใหญ่ ขีดจำกัดนี้สามารถตั้งค่าทีละรายการได้ และจะช่วยปกป้องแบตเตอรี่จากความเสียหาย ไฟไหม้ หรือการระเบิดที่ไม่อาจรักษาให้หายได้

การป้องกัน thermal runaway

แบตเตอรี่สามารถรองรับอุณหภูมิได้สูงถึง 60°C ขึ้นอยู่กับเคมีที่ใช้ อุณหภูมิที่สร้างโดยเซลล์จะกระจายไปยังเซลล์ที่อยู่ติดกัน ทำให้แบตเตอรี่ทั้งก้อนร้อนขึ้นทันที ความร้อนทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ปล่อยก๊าซไวไฟผ่านปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ส่งผลให้แบตเตอรี่ทั้งหมดติดไฟ การป้องกัน thermal runaway จะถูกกระตุ้นเมื่อถึงเกณฑ์อุณหภูมิที่กำหนดไว้ล่วงหน้า มันจะปิดแบตเตอรี่และป้องกันไม่ให้เข้าสู่ภาวะระบายความร้อน

ตลาดแอปพลิเคชันหลักของระบบ BMS

ระบบ BMS มีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การใช้งานขั้นพื้นฐานที่สุดสำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป เครื่องมือไฟฟ้า รถจักรยานยนต์ไฟฟ้า ฯลฯ ไปจนถึงการใช้งานทางอุตสาหกรรม เช่น สถานีฐานการสื่อสาร ยานพาหนะไฟฟ้า อุปกรณ์ไฟฟ้าสำรองไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ และอุปกรณ์ทางทหาร

การเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้ากำลังผลักดันการพัฒนาระบบ BMS อย่างรวดเร็ว จากการวิเคราะห์ทางสถิติ ในบรรดาแอปพลิเคชันดาวน์สตรีม BMS ทั่วโลกในปี 2020 การใช้งานแบตเตอรี่พลังงานคิดเป็น 54% แบตเตอรี่ผู้บริโภคคิดเป็น 22% และการจัดเก็บพลังงานและแบตเตอรี่อื่น ๆ คิดเป็น 24%

ตามการประมาณการของ BusinessWire ขนาดตลาด BMS ทั่วโลกคาดว่าจะอยู่ที่ 6.512 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2021 และคาดว่าจะสูงถึง 13.1 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2025 โดยมี CAGR สูงถึง 15% ตามข้อมูล ขนาดตลาดชิปการจัดการแบตเตอรี่ทั่วโลกคาดว่าจะสูงถึง 9.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2024 และพื้นที่ตลาดกว้างมาก

หน้าที่หลักของระบบ BMS คือการปกป้องแบตเตอรี่และสื่อสารสถานะแบตเตอรี่ มีอันตรายหลายประเภทที่ต้องป้องกัน ดังนั้นไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่โซเดียมไอออนหรือแบตเตอรี่ NiMH ก็จะติดตั้งระบบ BMS เพื่อให้มั่นใจว่าแบตเตอรี่ทำงานได้ตามปกติ อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่บางชนิดไม่จำเป็นต้องมีระบบ BMS เช่น แบตเจล และแบตเตอรี่รุ่นเก่าอื่นๆ ด้วยการอัพเกรดเทคโนโลยีแบตเตอรี่ แบตเตอรี่แต่ละก้อนอาจติดตั้งระบบ BMS เพื่อให้แบตเตอรี่ปลอดภัยในการใช้งานมากขึ้น