แน่นอน การก้าวข้ามแนวคิดพื้นฐานของ BMS การทำความเข้าใจส่วน "สมาร์ทแอคทีฟบาลานเซอร์" ต้องเจาะลึกในรายละเอียดทางเทคนิค นี่คือที่ที่วิศวกรรมที่แท้จริงเกิดขึ้น
มาแบ่งความรู้ทางเทคนิคออกเป็นส่วนสำคัญๆ ได้แก่ หลักการพื้นฐาน โครงสร้างและวงจร ระบบควบคุม และการสื่อสารและข่าวกรอง
1. หลักการพื้นฐาน: "แอคทีฟ" ในการบาลานซ์แบบแอคทีฟ
เป้าหมายพื้นฐานคือการย้ายพลังงานจากเซลล์ที่มีประจุสูงกว่าไปยังเซลล์ที่มีประจุต่ำกว่า
• การบาลานซ์แบบพาสซีฟ (พื้นฐาน): สูญเสียพลังงานส่วนเกินจากเซลล์ที่สูงที่สุดเป็นความร้อนผ่านตัวต้านทาน (โดยทั่วไปในช่วงการชาร์จ CV) มันง่ายและราคาถูก แต่ไม่มีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่หรือความไม่สมดุลสูง
• การบาลานซ์แบบแอคทีฟ (วิธีขั้นสูง): ถ่ายโอนพลังงานระหว่างเซลล์ วิธีนี้มีประสิทธิภาพมากกว่ามากและสามารถทำงานได้ในระหว่างการชาร์จ การคายประจุ และแม้กระทั่งในขณะพัก
ตัวชี้วัดหลักสำหรับแอคทีฟบาลานเซอร์:
• กระแสบาลานซ์: นี่คือข้อมูลจำเพาะที่สำคัญที่สุด พาสซีฟอาจเป็น 0.1-0.2A ในขณะที่แอคทีฟบาลานเซอร์สามารถมีตั้งแต่ 1A ถึง 20A+
• ประสิทธิภาพ: อัตราส่วนของพลังงานที่ส่งไปยังเซลล์ต่ำเทียบกับพลังงานที่นำมาจากเซลล์สูง แอคทีฟบาลานเซอร์ที่ดีมีประสิทธิภาพ >90%
• กระแสไฟสงบ: กระแสไฟที่บาลานเซอร์ดึงเมื่อไม่ได้ใช้งาน BMS อัจฉริยะควรมีกระแสไฟสงบที่ต่ำมากเพื่อไม่ให้แบตเตอรี่หมดในระหว่างการจัดเก็บ
Enerkey มุ่งเน้นเฉพาะการบาลานซ์แบบแอคทีฟ เรามีแอคทีฟบาลานเซอร์หลายชนิด โปรดดูด้านล่าง:
2. โครงสร้างและวงจร: วิธีการย้ายพลังงาน
นี่คือหัวใจของความรู้ทางเทคนิค การออกแบบวงจรที่แตกต่างกันใช้ส่วนประกอบที่แตกต่างกันในการย้ายพลังงาน
โครงสร้างการบาลานซ์แบบแอคทีฟทั่วไป:
a) ตัวเก็บประจุ (สวิตช์ตัวเก็บประจุ / การขนส่งประจุ)
• หลักการ: ใช้ตัวเก็บประจุแบบบิน (หรืออาร์เรย์ของตัวเก็บประจุ) เพื่อ "ขนส่ง" ประจุระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกัน
• กระบวนการ: ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกับเซลล์แรงดันไฟฟ้าสูงและถูกชาร์จ จากนั้นจะถูกตัดการเชื่อมต่อและเชื่อมต่อกับเซลล์แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า โดยจะคายประจุเข้าไป ทำซ้ำอย่างรวดเร็ว
• ข้อดี: ง่าย ราคาค่อนข้างต่ำ ไม่มีส่วนประกอบแม่เหล็ก
• ข้อเสีย: กระแสบาลานซ์ลดลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เท่ากัน เหมาะสำหรับเซลล์ที่อยู่ติดกัน การบาลานซ์ข้ามสตริงยาวทำได้ช้า
• ส่วนประกอบหลัก: MOSFET (เป็นสวิตช์), ตัวเก็บประจุ
b) อุปนัย (ใช้ DC-DC Converter)
นี่เป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุดและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับระบบที่มีประสิทธิภาพสูง มีการใช้งานหลักสองแบบ:
• i) หม้อแปลงเดี่ยวต่อคู่เซลล์ (Bidirectional Flyback Converter)
o หลักการ: แต่ละเซลล์ (หรือคู่ของเซลล์ที่อยู่ติดกัน) มีหม้อแปลงขนาดเล็ก พลังงานจะถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็กของหม้อแปลงจากเซลล์สูง จากนั้นจึงปล่อยไปยังเซลล์ต่ำ
o ข้อดี: สามารถบาลานซ์เซลล์ใดๆ ในชุดแบตเตอรี่กับเซลล์อื่นๆ ได้ ไม่ใช่แค่เพื่อนบ้าน เร็วและยืดหยุ่นมาก
o ข้อเสีย: ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าเนื่องจากมีหม้อแปลงและวงจรควบคุมหลายตัว
o ส่วนประกอบหลัก: หม้อแปลง, MOSFET, ไดโอด, IC ควบคุม
• ii) หม้อแปลงหลายขดลวด (แกนเดี่ยว)
o หลักการ: หม้อแปลงเดี่ยวที่มีขดลวดปฐมภูมิสำหรับชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดและขดลวดทุติยภูมิสำหรับแต่ละเซลล์
o ข้อดี: สามารถบาลานซ์เซลล์ทั้งหมดพร้อมกัน สง่างามมากและอาจคุ้มค่าสำหรับจำนวนเซลล์สูง
o ข้อเสีย: การออกแบบและผลิตหม้อแปลงที่ซับซ้อน ความล้มเหลวของหม้อแปลงเดี่ยวจะปิดใช้งานระบบบาลานซ์ทั้งหมด
o ส่วนประกอบหลัก: หม้อแปลงหลายขดลวดแบบกำหนดเอง, MOSFET
c) DC-DC Converter พร้อม Energy Storage Bus
• หลักการ: ใช้ตัวแปลง DC-DC แบบสองทิศทางเพื่อนำพลังงานจากเซลล์ที่สูงที่สุดและทิ้งลงบน "บัส" ทั่วไป (ซึ่งอาจเป็นชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดหรือตัวเก็บประจุสำหรับจัดเก็บโดยเฉพาะ) จากนั้นตัวแปลงอีกตัวจะนำพลังงานจากบัสนี้ไปป้อนให้กับเซลล์ที่ต่ำที่สุด
• ข้อดี: ยืดหยุ่นสูง สามารถถ่ายโอนพลังงานจำนวนมากระหว่างเซลล์ใดๆ
• ข้อเสีย: ความซับซ้อนและต้นทุนสูงสุด
3. ระบบควบคุมและอัลกอริทึม: ส่วน "สมาร์ท"
บาลานเซอร์ "โง่" เพียงแค่เปิด บาลานเซอร์อัจฉริยะตัดสินใจว่าจะบาลานซ์เมื่อใด อย่างไร และนานแค่ไหน
• ทริกเกอร์การบาลานซ์:
o แรงดันไฟฟ้าแตกต่าง: วิธีที่พบได้บ่อยที่สุด เริ่มการบาลานซ์เมื่อความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเซลล์ที่สูงที่สุดและต่ำที่สุดเกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ (เช่น 10mV)
o ความแตกต่างของสถานะการชาร์จ (SoC): ขั้นสูงและแม่นยำยิ่งขึ้น ใช้ Kalman Filter หรือ Coulomb Counting เพื่อประมาณปริมาณพลังงานที่แท้จริงของแต่ละเซลล์และบาลานซ์ตาม SoC วิธีนี้เหนือกว่าเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าอาจเป็นตัวบ่งชี้ที่ทำให้เข้าใจผิดภายใต้ภาระ
• กลยุทธ์การบาลานซ์:
o Top-Balancing: ดึงพลังงานจากเซลล์ที่สูงที่สุดลงไปในระดับของเซลล์อื่นๆ
o Bottom-Balancing: เพิ่มพลังงานให้กับเซลล์ที่ต่ำที่สุดขึ้นไปในระดับของเซลล์อื่นๆ (พบน้อยกว่าในการบาลานซ์แบบแอคทีฟ)
o Average-Balancing: ย้ายพลังงานเพื่อนำเซลล์ทั้งหมดไปสู่แรงดันไฟฟ้า/SoC เฉลี่ยของชุดแบตเตอรี่
• PID Control Loops: กระแสบาลานซ์ไม่ได้เปิด/ปิดเท่านั้น ระบบอัจฉริยะใช้ตัวควบคุม Proportional-Integral-Derivative (PID) เพื่อปรับกำลังบาลานซ์อย่างราบรื่น ป้องกันการยิงเกินและการสั่น
4. การสื่อสารและการรวมระบบ
BMS อัจฉริยะไม่ได้ทำงานในสุญญากาศ
• ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU): สมอง ทำงานตามอัลกอริทึมการบาลานซ์ ตรวจสอบพารามิเตอร์ของเซลล์ และจัดการการสื่อสาร
o ADC (Analog-to-Digital Converter): คุณภาพของ ADC ของ MCU มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการวัดแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำ ซึ่งเป็นพื้นฐานของการบาลานซ์ที่ดี
• โปรโตคอลการสื่อสาร:
o CAN Bus (Controller Area Network): มาตรฐานอุตสาหกรรม ใช้ใน EV, ระบบจัดเก็บพลังงาน ทนทาน ทนต่อสัญญาณรบกวน และอนุญาตให้อุปกรณ์หลายเครื่องสื่อสาร
o UART/RS485: ทั่วไปสำหรับ DIY และระบบขนาดเล็ก (มักเป็นสิ่งที่แอป "Smart BMS" ใช้ผ่าน Bluetooth)
o SMBus / I2C: ใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างชิปภายในหรือกับเครื่องชาร์จอัจฉริยะ
• การบันทึกข้อมูล: BMS อัจฉริยะจะบันทึกข้อมูล (แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ขั้นต่ำ/สูงสุด อุณหภูมิ เวลาในการบาลานซ์ รหัสข้อผิดพลาด) ซึ่งมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการวินิจฉัยและการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์
ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิคที่สำคัญในการวิเคราะห์ Smart Active Balancer:
เมื่อประเมิน BMS ให้มองหาข้อมูลจำเพาะเหล่านี้:
1. โครงสร้าง: ตัวเก็บประจุ? อุปนัย? (โดยทั่วไปแล้วอุปนัยจะเหนือกว่าสำหรับความต้องการกระแสสูง)
2. กระแสบาลานซ์ต่อเนื่องสูงสุด: เช่น "5A" สิ่งนี้จะบอกคุณถึงพลังงาน
3. ประสิทธิภาพการบาลานซ์: เช่น ">92%"
4. วิธีการบาลานซ์: จะบาลานซ์เมื่อใด? (ชาร์จ/คายประจุ/คงที่ และขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า/SoC)
5. ความแม่นยำในการวัดแรงดันไฟฟ้า: เช่น "±2mV" จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการบาลานซ์ที่แม่นยำ
6. อินเทอร์เฟซการสื่อสาร: CAN, UART, Bluetooth?
7. กระแสไฟสงบ: เช่น "<200µA"
ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ:
• การกระจายความร้อน: การย้ายกระแสไฟ 5-10A จะสร้างความร้อน BMS ต้องมีการออกแบบความร้อนที่เหมาะสม (ฮีทซิงก์, การเททองแดง PCB)
• EMI/EMC: การสลับความถี่สูงของแอคทีฟบาลานเซอร์สามารถสร้างการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบที่ดีรวมถึงการป้องกันและการกรองเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานข้อบังคับ
• ความทนทานต่อความผิดพลาด: จะเกิดอะไรขึ้นหาก MOSFET สวิตช์ล้มเหลวในระยะสั้น? การออกแบบที่ดีรวมถึงการป้องกันเพื่อป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรของเซลล์
โดยสรุป "สมาร์ทแอคทีฟบาลานเซอร์" เป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ซับซ้อน มันรวมการออกแบบตัวแปลง DC-DC ความถี่สูง การวัดแบบอะนาล็อกที่แม่นยำ อัลกอริทึมการควบคุมขั้นสูง และโปรโตคอลการสื่อสารที่แข็งแกร่ง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ หากต้องการเจาะลึก ฉันขอแนะนำให้ศึกษาโครงสร้างตัวแปลง DC-DC (โดยเฉพาะ Flyback และ Buck-Boost) และระบบควบคุมแบบฝังตัว
Enerkey ได้พัฒนาเทคโนโลยีการบาลานซ์แบบแอคทีฟอัจฉริยะสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมในโดรน รวมถึงบอร์ดบาลานซ์แบบแอคทีฟตัวเก็บประจุ Fit ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการจดสิทธิบัตร เทคโนโลยีนี้ยังใช้สำหรับการป้องกันและการจัดการชุดแบตเตอรี่จัดเก็บพลังงานในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ชุดแบตเตอรี่จัดเก็บพลังงานในบ้าน และการป้องกันการไหลย้อนกลับแบบขนานสำหรับชุดแบตเตอรี่ในอุปกรณ์โครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคม
ข้อความของคุณจะต้องอยู่ระหว่าง 20-3,000 ตัวอักษร!
