ความท้าทายในการออกแบบฮาร์ดแวร์ของแบตเตอรี่
ในขณะที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่พัฒนาอย่างรวดเร็ว ระบบบริหารแบตเตอรี่ (BMS) เป็นองค์ประกอบสําคัญในการรับรองการทํางานของแบตเตอรี่อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพและการออกแบบฮาร์ดแวร์ของมันต้องเผชิญกับปัญหาหลายอย่างนี่คือปัญหาหลักและแนวโน้มในอุตสาหกรรมในการออกแบบเครื่องมือ BMS
1ความแม่นยํา
- BMS ต้องการการวัดแม่นยําของปริมาตรความแรงกดของแบตเตอรี่, ปัจจุบันและอุณหภูมิเพื่อประเมินสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ (SOC) อย่างแม่นยําสภาพสุขภาพ (SOH) และสภาพพลังงาน (SOP)คุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่ซับซ้อนและได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิและการแก่ตัว แบตเตอรี่ที่แตกต่างกันมีลักษณะการชาร์จและการปล่อยไฟที่แตกต่างกันเช่น, แบตเตอรี่ลิตียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) มีความหนาแน่นของพลังงานต่ํา แต่มีต้นทุนต่ํา, ชีวิตระยะยาวและมั่นคง, ในขณะที่แบตเตอรี่ลิตียมนิเคิล-โคบัลต์-แมนแกนเนส (NMC) มีความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่มีต้นทุนสูง.
- การวัดความเข้มข้นของแบตเตอรี่อย่างแม่นยําเป็นหนึ่งในโจทย์สําคัญ ซึ่งได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น การชําระของแบตเตอรี่และการเปลี่ยนแปลงของภาระการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะส่งผลต่อการทํางานของแบตเตอรี่และความแม่นยําของการวัดตัวอย่างเช่น อุณหภูมิสูงจะเร่งการแก่ตัวของแบตเตอรี่ และลดความจุและผลงานของแบตเตอรี่
2ปัญหาด้านความปลอดภัย
- หนึ่งในภารกิจหลักของ BMS คือการรับประกันว่าแบตเตอรี่ทํางานภายในระยะที่ปลอดภัย และป้องกันสถานการณ์ผิดปกติ เช่น การชาร์จเกิน, การชาร์จเกิน, การกระแสเกิน และอุณหภูมิเกิน,การชาร์จเกินจะทําให้ปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่สูญเสียสมดุล สร้างก๊าซ เพิ่มความดันภายในแบตเตอรี่ และอาจทําให้เกิดสถานการณ์อันตราย เช่น การบวมไฟไหม้หรือระเบิด; การออกอากาศเกินขั้นต่ําอาจทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ไม่สามารถแก้ไขได้ในวัสดุของไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่ ทําให้การทํางานและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง
- การจัดการทางความร้อนของแบตเตอรี่ยังเป็นประเด็นความปลอดภัยที่สําคัญในการออกแบบฮาร์ดแวร์ BMS. แบตเตอรี่ลิตียมมักจะใช้ไฟฟ้าไฟไหม้. หากแบตเตอรี่ถูกเจาะหรือชาร์จเกินอิเล็กทรอลิตจะละลายและปล่อยความร้อนถึงแม้ว่าความร้อนจะล้นไปไม่ได้ แต่อุณหภูมิการทํางานที่สูงสามารถเร่งการแก่ตัวของแบตเตอรี่ได้
3ความท้าทายในการจัดการความร้อน
- BMS ต้องการการวัดแม่นยําของปริมาตรความแรงกดของแบตเตอรี่, ปัจจุบันและอุณหภูมิเพื่อประเมินสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ (SOC) อย่างแม่นยําสภาพสุขภาพ (SOH) และสภาพพลังงาน (SOP)คุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่ซับซ้อนและได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิและการแก่ตัว แบตเตอรี่ที่แตกต่างกันมีลักษณะการชาร์จและการปล่อยไฟที่แตกต่างกันเช่น, แบตเตอรี่ฟอสเฟตเหล็กลิเดียม (LFP) มีความหนาแน่นของพลังงานต่ํา แต่มีราคาต่ํา อายุการใช้งานยาวและคงที่ขณะที่แบตเตอรี่ลิตียมนิเคล-โคบัลต์-แมนแกเนส (NMC) มีความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่มีราคาสูง PDF.
- การวัดความเข้มข้นของแบตเตอรี่อย่างแม่นยําเป็นหนึ่งในโจทย์สําคัญ ซึ่งได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น การชําระของแบตเตอรี่และการเปลี่ยนแปลงของภาระการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะส่งผลต่อการทํางานของแบตเตอรี่และความแม่นยําของการวัดตัวอย่างเช่น อุณหภูมิสูงจะเร่งการแก่ตัวของแบตเตอรี่ และลดความจุและผลงานของแบตเตอรี่
4การท้าทายค่าใช้จ่าย
- การออกแบบฮาร์ดแวร์ของ BMS ต้องหาสมดุลระหว่างค่าใช้จ่ายและการทํางาน BMS ที่มีประสิทธิภาพสูงมักต้องใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยและวงจรที่ซับซ้อนซึ่งเพิ่มต้นทุนของระบบตัวอย่างเช่น การใช้เซ็นเซอร์ความแม่นยําสูง และเครื่องแปลงอานาล็อกเป็นดิจิตอล สามารถปรับปรุงความแม่นยําในการวัดได้
- สําหรับระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ เช่น รถไฟฟ้าและระบบเก็บพลังงาน ค่าใช้จ่ายของ BMS คิดเป็นส่วนใหญ่ของค่าใช้จ่ายระบบทั้งหมดซึ่งอาจขัดขวางการใช้งานอย่างกว้างขวางในบางแอปพลิเคชั่นที่มีความรู้สึกต่อค่าใช้จ่ายดังนั้น วิธีการลดต้นทุนในขณะที่รับประกันฟังก์ชันและการทํางานของ BMS เป็นโจทย์สําคัญที่เผชิญหน้าการออกแบบฮาร์ดแวร์
5ปัญหาของการปรับขนาด
- การออกแบบสถาปัตยกรรม BMS ที่สามารถปรับตัวให้กับขนาดแบตเตอรี่, เคมีและการตั้งค่าที่แตกต่างกันBMS ต้องสามารถปรับปรุงความต้องการในอนาคตได้อย่างยืดหยุ่น โดยไม่ต้องปรับปรุงหรือเปลี่ยนขนาดใหญ่.
- ตัวอย่างเช่น ในรถไฟฟ้า ความจุและการตั้งค่าของแบตเตอรี่แพ็คอาจแตกต่างกันขึ้นอยู่กับรุ่นและ BMS ต้องสามารถขยายและปรับปรุงได้ง่าย เพื่อตอบสนองความต้องการของรูปแบบต่างๆในขณะเดียวกัน สําหรับการใช้แบตเตอรี่ที่ถอนออกจากรถไฟฟ้าBMS ยังต้องมีความสามารถในการปรับขนาดที่ดี เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการทํางานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่เก่าเหล่านี้.
6การท้าทายความน่าเชื่อถือ
- ฮาร์ดแวร์ BMS ต้องทํางานอย่างมั่นคง ภายใต้สภาพการทํางานและสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เพื่อให้มั่นใจและปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่ส่วนประกอบของฮาร์ดแวร์อาจล้มเหลวหรือการทํางานลดลงเนื่องจากปัจจัย เช่น การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า, การสั่นสะเทือน และความชื้น
- ตัวอย่างเช่น ระหว่างรถไฟฟ้า BMS จะถูกส่งต่อการรบกวนทางไฟฟ้าที่เกิดจากเครื่องยนต์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อการสื่อสารและการส่งข้อมูลปกติของ BMSนอกจากนี้ แบตเตอรี่แพ็ค จะถูกเผชิญกับการสั่นสะเทือนและการกระแทกระหว่างการขับรถ ซึ่งอาจทําให้เกิดความเสียหายต่อส่วนประกอบของฮาร์ดแวร์ของ BMS
7ปัญหาการรับรองความเป็นมา
- การออกแบบ BMS ต้องสอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยและผลงานต่างๆ เช่น ISO 26262 สําหรับการใช้งานในรถยนต์และ UL 1973 สําหรับแบตเตอรี่ที่ติดตั้งการตอบสนองความต้องการการรับรองเหล่านี้เพิ่มความซับซ้อนของการออกแบบและการพัฒนา.
- ความต้องการการรับรองสําหรับ BMS แตกต่างกันในสาขาและภูมิภาคการใช้งานที่แตกต่างกัน นักออกแบบ BMS ต้องพิจารณาความต้องการเหล่านี้อย่างเต็มที่ในทุกระยะของการออกแบบจากการเลือกส่วนประกอบ ไปจนถึงการทดสอบการประกันคุณภาพ และการเตรียมการผลิต เพื่อให้แน่ใจว่าสินค้าสามารถผ่านการรับรองและนําไปตลาดได้อย่างสําเร็จ.
8ความท้าทายในการสื่อสาร
- ในระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ อิเล็กทรอนิกส์การติดตามและการควบคุมมักจะกระจายไปทั่วหลายองค์ประกอบของแผ่นวงจรพิมพ์ แทนที่จะเป็นคอมพิวเตอร์ BMS แหล่งกลางเดียวข้อมูลการวัดที่สําคัญ, ข้อมูลความปลอดภัยและข้อมูลสภาพแบตเตอรี่ต้องถูกร่วมกันอย่างต่อเนื่องระหว่างหลายหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ ความล้มเหลวในการสื่อสารระหว่างหน่วยใด ๆ สามารถทําให้ BMS ตกเป็นป้องกันการประเมินความแรงกังวลของเซลล์แบตเตอรี่ให้ถูกต้อง และกระตุ้นการตอบสนองการป้องกันเมื่อเกิดสภาพนอกระยะ.
- ตัวอย่างเช่น ในรถไฟฟ้า การสื่อสารที่มีประสิทธิภาพและน่าเชื่อถือ ระหว่าง BMS และระบบอื่น ๆ เช่น เครื่องชาร์จบนเครื่อง, เครื่องแปลงอัตรา เป็นต้นเพื่อบรรลุการบริหารและควบคุมแบตเตอรี่อย่างแม่นยําความล้มเหลวในการสื่อสารสามารถนําไปสู่การบริหารแบตเตอรี่ที่ไม่ดี
9แนวโน้มในอนาคต
- อินเตอร์เน็ตของสิ่งของ (IoT) ที่บูรณาการ:การบูรณาการ BMS กับอินเทอร์เน็ตของสิ่งของ เพื่อให้สามารถติดตามและควบคุมจากระยะไกล และปรับปรุงประสิทธิภาพการปฏิบัติงานBMS สามารถระบุปัญหาแบตเตอรี่ที่อาจเกิดขึ้นได้ล่วงหน้า และเตือนพวกเขาเพื่อให้ระบบทํางานได้อย่างมั่นคง.
- เทคโนโลยีแบตเตอรี่ภาพแข็ง:แบตเตอรี่แบบแข็งแรงได้ดึงดูดความสนใจมาก เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูงและความปลอดภัยที่ดี แต่คุณสมบัติของพวกเขาจําเป็นต้องการจัดการและการควบคุมที่แม่นยําโดย BMSBMS จําเป็นต้องปรับปรุงให้ดีที่สุดตามลักษณะของแบตเตอรี่ภาพแข็ง เพื่อใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่และตอบโจทย์ใหม่ๆ.
- การนําไปใช้ในทางสอง:การใช้แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่เลิกใช้ในกรณีการใช้งานในระยะสอง เช่น ระบบเก็บพลังงาน ทําให้มีความต้องการสูงขึ้นสําหรับ BMSการประเมินผลงานและสภาพสุขภาพของตนอย่างแม่นยํา, และรับประกันความปลอดภัยและประสิทธิภาพ