इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली (bms)

7 ^वीं जनवरी 2013, एक बोइंग 787 उड़ान रखरखाव के लिए खड़ी की गई थी, कि एक मैकेनिक देखा आग की लपटों के दौरान और सहायक बिजली इकाई उड़ान की (लिथियम बैटरी पैक) है, जो सत्ता में इलेक्ट्रॉनिक उड़ान प्रणाली प्रयोग किया जाता है से आ रही धुआं। प्रयास आग बंद कर दिया करने के लिए ले जाया गया, लेकिन 10 दिनों के बाद इस मुद्दे से पहले पर 16, हल किया जा सकता है ^वें एक और बैटरी विफलता जो जापानी हवाई अड्डे पर आपात लैंडिंग की वजह से एक 787 उड़ान ऑल निप्पॉन एयरवेज द्वारा संचालित में हुई जनवरी। इन दो लगातार भयावह बैटरी विफलताओं ने बोइंग 787 ड्रीमलाइनर्स की उड़ान को अनिश्चित काल के लिए धरातल पर उतार दिया, जिसने निर्माता की प्रतिष्ठा को धूमिल कर दिया, जिससे जबरदस्त वित्तीय नुकसान हुआ।

अमेरिका और जापानी द्वारा संयुक्त जांच की एक श्रृंखला के बाद, B-787 का लिथियम बैटरी पैक एक सीटी स्कैन के माध्यम से चला गया और पता चला कि आठ ली-आयन सेल में से एक क्षतिग्रस्त हो गया था, जिससे शॉर्ट सर्किट हुआ, जिससे आग के साथ एक थर्मल अपवाह हो गया। इस घटना को आसानी से टाला जा सकता था यदि ली-आयन बैटरी पैक की बैटरी प्रबंधन प्रणाली को शॉर्ट सर्किट का पता लगाने / रोकने के लिए डिज़ाइन किया गया था। कुछ डिज़ाइन परिवर्तनों और सुरक्षा नियमों के बाद B-787 ने फिर से उड़ान भरना शुरू कर दिया, लेकिन फिर भी यह घटना एक सबूत के रूप में बनी हुई है कि यह साबित करने के लिए कि खतरनाक लिथियम बैटरी कैसे ठीक से नहीं संभाली जा सकती।

तेजी से 15 साल आगे, आज हमारे पास एक ही ली-आयन बैटरी का उपयोग करने वाली इलेक्ट्रिक कारें हैं जो हजारों की संख्या में नहीं होने पर एक साथ सौ में पैक होती हैं। ये विशाल बैटरी पैक लगभग 300V की वोल्टेज रेटिंग के साथ कार में बैठता है और ऑपरेशन के दौरान 300A (रफ फिगर) के बराबर होता है। यहां कोई भी दुर्घटना बड़ी आपदा में समाप्त हो जाती है, यही वजह है कि ईवीएस में बैटरी प्रबंधन प्रणाली पर हमेशा जोर दिया जाता है। इसलिए इस लेख में हम इस बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) के बारे में अधिक जानेंगे और इसके डिजाइन और कार्यों को समझने के लिए इसे और बेहतर ढंग से समझने के लिए इसे तोड़ेंगे। चूंकि बैटरी और बीएमएस निकटता से संबंधित हैं, इसलिए इलेक्ट्रिक वाहनों और ईवी की बैटरी के बारे में हमारे पिछले लेखों के माध्यम से जाने की सलाह दी जाती है।

हमें बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) की आवश्यकता क्यों है?

लिथियम आयन बैटरी अपने उच्च चार्ज घनत्व और कम वजन के कारण इलेक्ट्रिक वाहन निर्माताओं के लिए ब्याज की बैटरी साबित हुई है। भले ही ये बैटरी अपने आकार के लिए बहुत अधिक पंच में पैक हो लेकिन वे प्रकृति में अत्यधिक अस्थिर हैं। यह बहुत महत्वपूर्ण है कि इन बैटरियों को किसी भी परिस्थिति में कभी भी चार्ज या डिस्चार्ज नहीं किया जाना चाहिए, जो इसके वोल्टेज और करंट की निगरानी करने की आवश्यकता में है। यह प्रक्रिया थोड़ी कठिन हो जाती है क्योंकि EV में बैटरी पैक बनाने के लिए बहुत सारी कोशिकाएँ एक साथ रखी जाती हैं और हर सेल को उसकी सुरक्षा और कुशल संचालन के लिए व्यक्तिगत रूप से निगरानी रखनी चाहिए जिसके लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली नामक एक विशेष समर्पित प्रणाली की आवश्यकता होती है।। बैटरी पैक से अधिकतम दक्षता प्राप्त करने के लिए, हमें पूरी तरह से एक ही वोल्टेज पर एक ही समय में सभी कोशिकाओं को चार्ज और डिस्चार्ज करना चाहिए जो फिर से बीएमएस के लिए कॉल करता है। इसके अलावा बीएमएस को कई अन्य कार्यों के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जिनके बारे में नीचे चर्चा की जाएगी।

बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) डिजाइन विचार

बीएमएस डिजाइन करते समय बहुत सारे कारक हैं जिन पर विचार किया जाना है। पूर्ण विचार सटीक अंतिम आवेदन पर निर्भर करता है जिसमें बीएमएस का उपयोग किया जाएगा। ईवी के बीएमएस के अलावा, जहां भी लिथियम बैटरी पैक शामिल होता है, जैसे कि सौर पैनल सरणी, विंडमिल, बिजली की दीवारें आदि का उपयोग किया जाता है, भले ही बीएमएस डिजाइन के सभी कारकों में से कई या कई कारकों पर विचार करना चाहिए।

निर्वहन नियंत्रण: बीएमएस का प्राथमिक कार्य सुरक्षित ऑपरेटिंग क्षेत्र के भीतर लिथियम कोशिकाओं को बनाए रखना है। उदाहरण के लिए एक विशिष्ट लिथियम 18650 सेल में लगभग 3V की वोल्टेज रेटिंग होगी। यह सुनिश्चित करने के लिए BMS की जिम्मेदारी है कि पैक में कोई भी सेल 3V से नीचे डिस्चार्ज न हो।

चार्जिंग कंट्रोल: डिस्चार्ज करने के अलावा चार्जिंग प्रक्रिया की निगरानी भी बीएमएस द्वारा की जानी चाहिए। अनुचित तरीके से चार्ज किए जाने पर अधिकांश बैटरी क्षतिग्रस्त हो जाती है या जीवनकाल में कम हो जाती है। लिथियम बैटरी चार्जर के लिए 2-स्टेज चार्जर का उपयोग किया जाता है। पहले चरण लगातार वर्तमान (सीसी) कहा जाता है, जिसके दौरान चार्जर बैटरी चार्ज करने के लिए एक निरंतर वर्तमान आउटपुट। जब बैटरी लगभग पूर्ण हो जाती है तो दूसरा चरण निरंतर वोल्टेज (CV) कहलाता हैचरण का उपयोग किया जाता है, जिसके दौरान एक निरंतर वोल्टेज बहुत कम वर्तमान में बैटरी को आपूर्ति की जाती है। BMS को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि चार्जिंग के दौरान वोल्टेज और करंट दोनों ही पारगम्य सीमा से अधिक न हों, ताकि बैटरी को चार्ज या फास्ट चार्ज न किया जा सके। अधिकतम अनुमेय चार्ज वोल्टेज और चार्जिंग करंट को बैटरी के डेटशीट में पाया जा सकता है।

राज्य-प्रभारी (एसओसी) निर्धारण: आप एसओसी को ईवी के ईंधन संकेतक के रूप में सोच सकते हैं। यह वास्तव में हमें प्रतिशत में पैक की बैटरी क्षमता बताता है । ठीक वैसे ही जैसे हमारे मोबाइल फोन में होता है। लेकिन यह इतना आसान नहीं है जितना लगता है। बैटरी की क्षमता का अनुमान लगाने के लिए पैक के वोल्टेज और चार्ज / डिस्चार्ज करंट की निगरानी हमेशा की जानी चाहिए। एक बार जब वोल्टेज और करंट को मापा जाता है तो बहुत सारे एल्गोरिदम होते हैं जिनका उपयोग बैटरी पैक के एसओसी की गणना के लिए किया जा सकता है। सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि युग्मन गिनती विधि है; हम इस लेख में बाद में अधिक चर्चा करेंगे। मूल्यों को मापना और एसओसी की गणना करना भी एक बीएमएस की जिम्मेदारी है।

स्टेट-ऑफ-हेल्थ (एसओसी) निर्धारण: बैटरी की क्षमता न केवल इसकी वोल्टेज और वर्तमान प्रोफ़ाइल पर निर्भर करती है, बल्कि इसकी उम्र और ऑपरेटिंग तापमान पर भी निर्भर करती है। एसओएच माप हमें इसके उपयोग के इतिहास के आधार पर बैटरी की उम्र और अपेक्षित जीवन चक्र के बारे में बताता है । इस तरह हम जान सकते हैं कि ईवी का माइलेज (फुल चार्ज के बाद कितनी दूरी तय की गई है) बैटरी की उम्र कम कर देती है और यह भी हम जान सकते हैं कि बैटरी पैक को कब बदलना चाहिए। SOH की भी गणना की जानी चाहिए और उसे BMS द्वारा ट्रैक में रखा जाना चाहिए।

सेल बैलेंसिंग: बीएमएस का एक अन्य महत्वपूर्ण कार्य सेल बैलेंसिंग को बनाए रखना है। उदाहरण के लिए, श्रृंखला में जुड़े 4 कोशिकाओं के एक पैकेट में सभी चार कोशिकाओं का वोल्टेज हमेशा बराबर होना चाहिए। यदि एक सेल दूसरे की तुलना में कम या उच्च वोल्टेज है, तो यह पूरे पैक को प्रभावित करेगा, यदि एक सेल 3.5V पर है जबकि अन्य तीन 4V पर है। चार्जिंग के दौरान ये तीनों सेल 4.2V को प्राप्त कर लेंगे, जबकि दूसरा सिर्फ 3.7V तक ही पहुंचेगा, यह सेल पहले तीन के बाद 3V को डिस्चार्ज करने वाला होगा। इस तरह, इस एकल कोशिका के कारण पैक में अन्य सभी कोशिकाओं को इसकी अधिकतम क्षमता के लिए इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है, इस प्रकार यह दक्षता से समझौता करता है।

इस समस्या से निपटने के लिए BMS को सेल बैलेंसिंग नाम की चीज़ को लागू करना होगा। कई प्रकार के सेल बैलेंसिंग तकनीक हैं, लेकिन आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सक्रिय और निष्क्रिय प्रकार के सेल संतुलन हैं । निष्क्रिय संतुलन में विचार यह है कि अतिरिक्त वोल्टेज वाले कोशिकाओं को एक लोड के माध्यम से मजबूर किया जाएगा जैसे कि अवरोधक अन्य कोशिकाओं के वोल्टेज मूल्य तक पहुंचने के लिए। जबकि सक्रिय संतुलन में मजबूत कोशिकाओं का उपयोग कमजोर कोशिकाओं को उनकी क्षमता को बराबर करने के लिए चार्ज करने के लिए किया जाएगा। हम बाद में एक अलग लेख में सेल संतुलन के बारे में अधिक जानेंगे।

थर्मल कंट्रोल: लिथियम बैटरी पैक की जीवन और दक्षता ऑपरेटिंग तापमान पर बहुत निर्भर करती है। बैटरी गर्म जलवायु में तेजी से सामान्य कमरे के तापमान के साथ तुलना का निर्वहन करता है । इसे जोड़ने से उच्च धारा की खपत में तापमान में वृद्धि होगी। यह बैटरी पैक में एक थर्मल सिस्टम (ज्यादातर तेल) के लिए कहता है। यह थर्मल सिस्टम केवल तापमान को कम करने में सक्षम होना चाहिए, लेकिन यदि आवश्यक हो तो ठंडी जलवायु में तापमान को बढ़ाने में भी सक्षम होना चाहिए। बीएमएस व्यक्तिगत सेल तापमान को मापने और बैटरी पैक के समग्र तापमान को बनाए रखने के लिए थर्मल सिस्टम को नियंत्रित करने के लिए जिम्मेदार है।

बैटरी से ही संचालित: EV में उपलब्ध एकमात्र शक्ति स्रोत बैटरी ही है। तो एक बीएमएस को उसी बैटरी द्वारा संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए जिसे इसे संरक्षित और बनाए रखना है। यह सरल लग सकता है लेकिन यह बीएमएस के डिजाइन की कठिनाई को बढ़ाता है।

कम आदर्श शक्ति: एक बीएमएस सक्रिय होना चाहिए और भले ही कार चल रही हो या चार्ज हो रही हो या आदर्श मोड में चल रही हो। यह बीएमएस सर्किट को लगातार संचालित करने के लिए बनाता है और इसलिए यह अनिवार्य है कि बीएमएस बहुत कम बिजली की खपत करता है ताकि बैटरी को ज्यादा सूखा न जाए। जब ईवी को हफ्तों या महीनों के लिए छोड़ दिया जाता है, तो बीएमएस और अन्य सर्किटरी खुद से बैटरी खत्म कर देते हैं और अंततः अगले उपयोग से पहले क्रैंक या चार्ज करने की आवश्यकता होती है। टेस्ला जैसी लोकप्रिय कारों के साथ यह समस्या अभी भी आम है।

गैल्वेनिक अलगाव: BMS बैटरी पैक और EV के ECU के बीच एक सेतु का काम करता है । बीएमएस द्वारा एकत्र की गई सभी जानकारी को इंस्ट्रूमेंट क्लस्टर या डैशबोर्ड पर प्रदर्शित करने के लिए ईसीयू को भेजना होगा। तो बीएमएस और ईसीयू को मानक संचार जैसे कैन संचार या लिन बस के माध्यम से लगातार संवाद करना चाहिए। बीएमएस डिजाइन बैटरी पैक और ईसीयू के बीच एक गैल्वेनिक अलगाव प्रदान करने में सक्षम होना चाहिए।

डेटा लॉगिंग: बीएमएस के लिए एक बड़ा मेमोरी बैंक होना जरूरी है क्योंकि इसमें बहुत सारा डेटा स्टोर करना होता है। बैटरी की चार्जिंग हिस्ट्री ज्ञात होने पर ही Sate-of-Health SOH जैसे मूल्यों की गणना की जा सकती है। इसलिए बीएमएस को इंस्टॉलेशन की तारीख से चार्ज साइकल और बैटरी पैक के चार्ज समय को ट्रैक करना है, और आवश्यकता पड़ने पर इन डेटा को बाधित करना है। यह बिक्री सेवा प्रदान करने या इंजीनियरों के लिए ईवी के साथ एक समस्या का विश्लेषण करने में भी सहायता करता है।

सटीकता: जब किसी सेल को चार्ज किया जा रहा हो या वोल्टेज को डिस्चार्ज किया जा रहा हो तो यह धीरे-धीरे बढ़ता या घटता है। दुर्भाग्य से लिथियम बैटरी के डिस्चार्ज कर्व (वोल्ट बनाम समय) में फ्लैट क्षेत्र होते हैं इसलिए वोल्टेज में परिवर्तन बहुत कम होता है। इस परिवर्तन को एसओसी के मूल्य की गणना करने या सेल संतुलन के लिए उपयोग करने के लिए सटीक रूप से मापा जाना चाहिए। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया BMS V 0.2mV से अधिक सटीकता का हो सकता है लेकिन इसमें न्यूनतम 1mV-2mV की सटीकता होनी चाहिए। आम तौर पर प्रक्रिया में 16-बिट एडीसी का उपयोग किया जाता है।

प्रोसेसिंग स्पीड: ईवीएम के बीएमएस को एसओसी, एसओएच आदि के मूल्य की गणना करने के लिए बहुत सारी संख्या में क्रंच करना पड़ता है। ऐसा करने के लिए कई एल्गोरिदम हैं, और कुछ कार्य को प्राप्त करने के लिए मशीन लर्निंग का भी उपयोग करते हैं। यह बीएमएस को एक प्रोसेसिंग भूख डिवाइस बनाता है। इसके अलावा सैकड़ों सेल में सेल वोल्टेज को मापना और सूक्ष्म परिवर्तनों को लगभग तुरंत नोटिस करना है।

एक बीएमएस के बिल्डिंग ब्लॉक्स

बाजार में कई अलग-अलग प्रकार के बीएमएस उपलब्ध हैं, आप या तो अपने दम पर एक डिजाइन कर सकते हैं या यहां तक ​​कि एकीकृत आईसी खरीद सकते हैं जो आसानी से उपलब्ध है। एक हार्डवेयर संरचना के नजरिए से, बीएमएस के केवल तीन प्रकार हैं, जिनकी टोपोलॉजी के आधार पर वे केंद्रीकृत बीएमएस, वितरित बीएमएस और मॉड्यूलर एमएमएस हैं। हालाँकि इन बीएमएस का कार्य सभी समान है। एक सामान्य बैटरी प्रबंधन प्रणाली नीचे सचित्र है।

बीएमएस डेटा अधिग्रहण

चलो इसके कोर से उपरोक्त फ़ंक्शन ब्लॉक का विश्लेषण करें। BMS का प्राथमिक कार्य बैटरी की निगरानी करना है जिसके लिए बैटरी पैक में प्रत्येक सेल से वोल्टेज, करंट और तापमान जैसे तीन महत्वपूर्ण मापदण्डों को मापना होता है।। हम जानते हैं कि बैटरी पैक श्रृंखला या समानांतर विन्यास में कई कोशिकाओं को जोड़कर बनता है, जैसे टेस्ला में 8,256 कोशिकाएँ होती हैं, जिसमें 96 कोशिकाएँ श्रृंखला में जुड़ी होती हैं और 86 समानांतर में पैक बनाने के लिए जुड़ी होती हैं। यदि कोशिकाओं का एक सेट श्रृंखला में जुड़ा हुआ है, तो हमें प्रत्येक सेल में वोल्टेज को मापना होगा लेकिन पूरे सेट के लिए धारा समान होगी क्योंकि धारा एक श्रृंखला सर्किट में समान होगी। इसी तरह जब कोशिकाओं का एक सेट समानांतर में जुड़ा होता है तो हमें केवल पूरे वोल्टेज को मापना होता है क्योंकि समानांतर में कनेक्ट होने पर प्रत्येक सेल में वोल्टेज समान होगा। नीचे दी गई छवि श्रृंखला में जुड़ी कोशिकाओं का एक सेट दिखाती है, आप वोल्टेज और तापमान को अलग-अलग कोशिकाओं के लिए मापा जा सकता है और पैक करंट को एक पूरे के रूप में मापा जाता है।

"BMS में सेल वोल्टेज कैसे मापें?"

चूंकि एक विशिष्ट ईवी में बड़ी संख्या में कोशिकाएं एक साथ जुड़ी होती हैं, इसलिए बैटरी पैक के व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापना थोड़ा चुनौतीपूर्ण होता है। लेकिन केवल अगर हम व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को जानते हैं तो हम सेल बैलेंसिंग कर सकते हैं और सेल सुरक्षा प्रदान कर सकते हैं। सेल के वोल्टेज मान को पढ़ने के लिए ADC का उपयोग किया जाता है। लेकिन इसमें शामिल जटिलता अधिक है क्योंकि बैटरी श्रृंखला में जुड़े हुए हैं। मतलब जिस टर्मिनल पर वोल्टेज मापा जाता है उसे हर बार बदलना पड़ता है। इसे करने के कई तरीके हैं जिनमें रिले, मक्स आदि शामिल हैं। इसके अलावा MAX14920 की तरह कुछ बैटरी प्रबंधन IC भी है जिसका उपयोग श्रृंखला में जुड़े कई कोशिकाओं (12-16) के व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने के लिए किया जा सकता है।

"बीएमएस के लिए सेल तापमान कैसे मापें?"

सेल तापमान के अलावा, कभी-कभी बीएमएस को बस तापमान और मोटर तापमान को भी मापना पड़ता है क्योंकि सब कुछ एक उच्च धारा पर काम करता है। तापमान को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे आम तत्व को एनटीसी कहा जाता है, जो नकारात्मक तापमान सह-कुशल (एनटीसी) के लिए खड़ा है। यह एक प्रतिरोधक के समान है लेकिन यह अपने चारों ओर के तापमान के आधार पर अपने प्रतिरोध को बदलता (घटता) है। इस उपकरण में वोल्टेज को मापने और एक साधारण ओम कानून का उपयोग करके हम प्रतिरोध और इस प्रकार तापमान की गणना कर सकते हैं।

सेल वोल्टेज और तापमान माप के लिए मल्टीप्लेक्स एनालॉग फ्रंट एंड (एएफई)

मापने वाले सेल वोल्टेज जटिल हो सकते हैं क्योंकि इसके लिए उच्च सटीकता की आवश्यकता होती है और यह भी mux से स्विचिंग शोर को इंजेक्ट कर सकता है इसके अलावा हर सेल सेल बैलेंसिंग के लिए एक स्विच के माध्यम से एक रोकनेवाला से जुड़ा होता है। इन समस्याओं को दूर करने के लिए एएफई - एनालॉग फ्रंट एंड आईसी का उपयोग किया जाता है। एक AFE में उच्च सटीकता के साथ अंतर्निहित Mux, बफर और ADC मॉड्यूल है। यह सामान्य मोड के साथ वोल्टेज और तापमान को आसानी से माप सकता है और सूचना को मुख्य माइक्रोकंट्रोलर में स्थानांतरित कर सकता है।

"बीएमएस के लिए पैक करंट कैसे मापें?"

ईवी बैटरी पैक 250A या उससे अधिक तक के वर्तमान के एक बड़े मूल्य का स्रोत बन सकता है, इसके अलावा हमें यह भी सुनिश्चित करना होगा कि लोड को समान रूप से वितरित किया गया है। वर्तमान संवेदन तत्व को डिजाइन करते समय हमें मापने और संवेदन उपकरण के बीच अलगाव प्रदान करना होगा। करंट सेंस करने के लिए सबसे ज्यादा इस्तेमाल की जाने वाली विधि शंट विधि और हॉल-सेंसर आधारित विधि है। दोनों विधियों में उनके पेशेवरों और विपक्ष हैं। पहले शंट तरीकों को कम सटीक माना जाता था, लेकिन हाल ही में अलग-अलग एम्पलीफायरों और न्यूनाधिकों के साथ उच्च-सटीक शंट डिजाइनों की उपलब्धता के साथ वे हॉल-सेंसर आधारित विधि की तुलना में अधिक पसंद किए जाते हैं।

बैटरी की स्थिति का अनुमान

BMS की प्रमुख कम्प्यूटेशनल शक्ति बैटरी स्थिति का अनुमान लगाने के लिए समर्पित है। इसमें एसओसी और एसओएच का माप शामिल है । एसओसी की गणना सेल वोल्टेज, करंट, चार्जिंग प्रोफाइल और डिस्चार्जिंग प्रोफाइल का उपयोग करके की जा सकती है। एसओएच की गणना चार्ज चक्र की संख्या और बैटरी के प्रदर्शन का उपयोग करके की जा सकती है।

"बैटरी के एसओसी को कैसे मापें?"

बैटरी के एसओसी को मापने के लिए कई एल्गोरिदम हैं, प्रत्येक का अपना इनपुट मूल्य है। एसओसी के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि को कूलम्ब काउंटिंग उर्फ ​​बुक कीपिंग विधि कहा जाता है । हम चर्चा करेंगे