ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของยานพาหนะพลังงานใหม่การประยุกต์ใช้ BMS ได้กลายเป็นเรื่องธรรมดา BMS มีหน้าที่ตรวจสอบและปกป้องแบตเตอรี่กับเงื่อนไขที่อาจเป็นอันตรายต่อแบตเตอรี่ยานพาหนะผู้ใช้หรือสภาพแวดล้อมโดยรอบ BMS ยังรับผิดชอบในการให้การประเมิน SOC ที่แม่นยำและ SOH เพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และการลดลงของความจุจะลดลงตลอดวงจรชีวิตของแบตเตอรี่เพื่อให้มั่นใจถึงประสบการณ์การขับขี่ของผู้ใช้

โครงสร้างหลักของ BMS มักจะประกอบด้วยสาม ICS: ส่วนหน้าแบบอะนาล็อก (AFE), ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) และ coulometer (รูปที่ 1) Coulometer สามารถเป็น IC แบบสแตนด์อโลนหรือฝังอยู่ใน MCU MCU เป็นองค์ประกอบหลักของ BMS และในขณะที่เชื่อมต่อกับส่วนที่เหลือของระบบมันยังได้รับข้อมูลจาก AFE และ Coulometer

รูปที่ 1 แผนภาพบล็อกสถาปัตยกรรม BMS

AFE ให้ข้อมูลแรงดันไฟฟ้าอุณหภูมิและปัจจุบันสำหรับเซลล์และโมดูลสำหรับ MCUs และ coulometers เนื่องจาก AFE อยู่ใกล้กับแบตเตอรี่มากที่สุด AFE จึงสามารถควบคุมเบรกเกอร์วงจรซึ่งจะตัดการเชื่อมต่อแบตเตอรี่ออกจากส่วนที่เหลือของระบบหากมีการทริกเกอร์ความล้มเหลว
Coulometer IC ใช้ข้อมูลเซลล์จาก AFE จากนั้นใช้การสร้างแบบจำลองเซลล์ที่ซับซ้อนและอัลกอริทึมขั้นสูงเพื่อประเมินพารามิเตอร์สำคัญเช่น SOC และ SOH ฟังก์ชั่น Coulometer สามารถนำไปใช้ผ่าน MCU ได้ แต่มีข้อดีหลายประการในการใช้ Coulometer IC เฉพาะ:

·การออกแบบที่มีประสิทธิภาพ: การใช้ ICS เฉพาะเพื่อเรียกใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนช่วยให้นักออกแบบใช้ MCU สเปคที่ต่ำกว่าลดต้นทุนโดยรวมและการบริโภคในปัจจุบัน
·การปรับปรุงความปลอดภัย: coulometer เฉพาะวัด SOC แต่ละตัวและ SOH สำหรับการรวมกันของเซลล์ตีคู่ในแต่ละชุดแบตเตอรี่ทำให้สามารถวัดความแม่นยำในการวัดได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้นและการตรวจจับความชราตลอดวงจรชีวิตของแบตเตอรี่ สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากความต้านทานของแบตเตอรี่และความจุแตกต่างกันไปตามกาลเวลาส่งผลกระทบต่อการทำงานและความปลอดภัย

ปรับปรุงความแม่นยำของ SOC และ SOH
เป้าหมายหลักในการออกแบบ BMS ที่มีความแม่นยำสูงคือการให้การคำนวณที่แม่นยำสำหรับ SOC และ SOH ของชุดแบตเตอรี่ นักออกแบบ BMS อาจคิดว่าวิธีเดียวที่จะบรรลุเป้าหมายนี้คือการใช้ AFES ที่มีความแม่นยำสูงกว่า แต่นี่เป็นเพียงปัจจัยเดียวในความแม่นยำในการคำนวณโดยรวม ปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือรุ่นแบตเตอรี่ Coulometer และอัลกอริทึมการคำนวณ Coulometer ตามด้วยความสามารถของ AFE ในการให้การอ่านกระแสไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าแบบซิงโครนัสสำหรับการคำนวณความต้านทานแบตเตอรี่
Coulometer แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสและอุณหภูมิเป็น SOC และเอาต์พุต SOH โดยการวิเคราะห์ข้อมูลที่คำนวณในเวลาจริงโดยอัลกอริทึมที่สัมพันธ์กับโมเดลแบตเตอรี่เฉพาะที่เก็บไว้ในหน่วยความจำ แบบจำลองเซลล์ถูกสร้างขึ้นโดยการจำแนกลักษณะของเซลล์ภายใต้อุณหภูมิความจุและเงื่อนไขการโหลดที่แตกต่างกันการกำหนดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดทางคณิตศาสตร์รวมถึงส่วนประกอบความต้านทานและความจุ แบบจำลองนี้ช่วยให้อัลกอริทึมของ Coulometer สามารถคำนวณ SOC ที่ดีที่สุดตามการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์เหล่านี้ภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน ดังนั้นหากรุ่นแบตเตอรี่หรืออัลกอริทึมของ coulometer ไม่ถูกต้องการคำนวณจะไม่ถูกต้องโดยไม่คำนึงถึงความแม่นยำที่การวัดทำโดย AFE

แรงดันไฟฟ้าและการอ่านแบบซิงโครนัสปัจจุบัน
แม้ว่า AFEs เกือบทั้งหมดจะเสนอ ADC ที่แตกต่างกันสำหรับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า แต่ AF ทั้งหมดไม่ได้เสนอการวัดกระแสไฟฟ้าแบบซิงโครนัสและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริงสำหรับแต่ละเซลล์ คุณลักษณะนี้เรียกว่าการอ่านแบบซิงโครนัสแรงดันไฟฟ้ากระแสช่วยให้ coulometer สามารถประเมินความต้านทานซีรีย์ที่เทียบเท่า (ESR) ของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ เนื่องจาก ESR แตกต่างกันไปตามเงื่อนไขและเวลาการทำงานที่แตกต่างกันการประมาณ ESR ในเวลาจริงช่วยให้การประเมิน SOC ที่แม่นยำยิ่งขึ้น

รูปที่ 2 แสดงข้อผิดพลาดของการอ่านแบบซิงโครไนซ์กับการอ่านที่ไม่ได้ซิงโครไนซ์

รูปที่ 2 การเปรียบเทียบข้อผิดพลาด SOC ที่มีและไม่มีการอ่านแบบซิงโครนัส

การควบคุมข้อผิดพลาดโดยตรงของ AFE
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้บทบาทที่สำคัญที่สุดที่ AFE เล่นใน BMS คือการจัดการการป้องกัน AFE สามารถควบคุมวงจรป้องกันได้โดยตรงปกป้องระบบและแบตเตอรี่เมื่อตรวจพบความผิดพลาด บางระบบใช้การควบคุมความผิดพลาดใน MCU แต่สิ่งนี้ส่งผลให้เวลาตอบสนองนานขึ้นและต้องการทรัพยากรมากขึ้นจาก MCU เพิ่มความซับซ้อนของเฟิร์มแวร์
Advanced AFE ใช้การอ่าน ADC และการกำหนดค่าผู้ใช้เพื่อตรวจจับเงื่อนไขความล้มเหลวใด ๆ AFE ตอบสนองต่อความล้มเหลวโดยการเปิด MOSFET แบบป้องกันเพื่อให้แน่ใจว่าการป้องกันฮาร์ดแวร์ที่แท้จริง ด้วยวิธีนี้ MCU สามารถทำหน้าที่เป็นกลไกการป้องกันรองเพื่อความปลอดภัยและความทนทานที่สูงขึ้น

การป้องกันแบตเตอรี่สำหรับการวัดแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำ
เมื่อออกแบบ BMS เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาว่ามีการวางเบรกเกอร์วงจรที่ป้องกันด้วยแบตเตอรี่ที่ไหน โดยทั่วไปแล้ววงจรเหล่านี้จะถูกนำมาใช้โดยใช้ N-Channel MOSFETs เนื่องจากมีความต้านทานภายในที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ P-channel mosfets เบรกเกอร์วงจรเหล่านี้สามารถวางไว้ที่ด้านแรงดันสูง (ขั้วบวกของแบตเตอรี่) หรือด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำ (ขั้วลบของแบตเตอรี่)
สถาปัตยกรรมด้านสูงช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการต่อสายดินที่ดี (GND) เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาด้านความปลอดภัยและการสื่อสารที่อาจเกิดขึ้นในกรณีที่มีการลัดวงจร นอกจากนี้การเชื่อมต่อ GND ที่สะอาดและเสถียรช่วยลดความผันผวนของสัญญาณอ้างอิงซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการทำงานของ MCU ที่แม่นยำ
อย่างไรก็ตามเมื่อ mosfets n-channel ถูกวางไว้ที่ปลายบวกของเซลล์การขับประตูประตูของพวกเขาต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าชุดแบตเตอรี่ทำให้กระบวนการออกแบบท้าทายมากขึ้น ดังนั้นปั๊มประจุแบบพิเศษที่รวมอยู่ใน AFE มักจะใช้ในสถาปัตยกรรมระดับสูงซึ่งจะเพิ่มค่าใช้จ่ายโดยรวมและการบริโภคในปัจจุบันของ IC
สำหรับการกำหนดค่าต่ำสุดไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มชาร์จ แต่มันยากกว่าที่จะบรรลุการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพในการกำหนดค่าด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำเนื่องจากไม่มีการอ้างอิง GND เมื่อเปิดการป้องกัน

สมดุลแบตเตอรี่เพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่
ชุดแบตเตอรี่พลังงานมักจะประกอบด้วยเซลล์จำนวนมากในซีรีย์และขนาน แต่ละเซลล์มีความเหมือนกันในทางทฤษฎี แต่แต่ละเซลล์มักจะทำงานแตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของการผลิตและความแตกต่างทางเคมี เมื่อเวลาผ่านไปความแตกต่างเหล่านี้มีความสำคัญมากขึ้นดังนั้นการปรับสมดุลแบตเตอรี่จึงเป็นสิ่งจำเป็น
การทำให้เท่าเทียมกันแบบพาสซีฟเป็นวิธีที่พบบ่อยที่สุดซึ่งต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีประจุมากที่สุดจนกว่าพวกเขาจะมีค่าใช้จ่ายเท่ากัน หน่วยพาสซีฟที่สมดุลใน AFE สามารถทำได้ภายนอกหรือภายใน การปรับสมดุลภายนอกช่วยให้กระแสสมดุลมากขึ้น แต่ยังเพิ่ม BOM (ดังแสดงในรูปที่ 3)

รูปที่ 3 ไดอะแกรมสมดุลของแบตเตอรี่ภายนอก

ในทางกลับกันความสมดุลภายในไม่ได้เพิ่ม BOM แต่มักจะ จำกัด กระแสสมดุลไว้ที่ค่าที่ต่ำกว่าเนื่องจากการกระจายความร้อน (รูปที่ 4) เมื่อพิจารณาถึงความสมดุลภายในและภายนอกค่าใช้จ่ายของฮาร์ดแวร์ภายนอกและความสมดุลของเป้าหมายจะต้องได้รับการพิจารณา

รูปที่ 4 แผนภาพบล็อกยอดคงเหลือภายในหน่วย