अमूर्त
यह आलेख इलेक्ट्रिक वाहनों और निश्चित अनुप्रयोगों में बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) के हार्डवेयर पहलुओं पर केंद्रित है। इसका उद्देश्य मौजूदा उन्नत प्रणालियों में अवधारणाओं को रेखांकित करना है, जिससे पाठकों को उन कारकों को समझने में सक्षम बनाया जा सके जिन्हें विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए बीएमएस डिजाइन करते समय विचार करने की आवश्यकता है। सामान्य आवश्यकताओं के संक्षिप्त विश्लेषण के बाद, बैटरी पैक की कई संभावित टोपोलॉजिकल संरचनाओं और बीएमएस जटिलता पर उनके प्रभाव का अध्ययन किया गया। स्पष्टीकरण के लिए एक उदाहरण के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इलेक्ट्रिक वाहनों में से चयनित चार बैटरी पैक लेना। इसके बाद, आवश्यक भौतिक चर (वोल्टेज, करंट, तापमान, आदि) को मापने के साथ-साथ मुद्दों और रणनीतियों को संतुलित करने के कार्यान्वयन पहलुओं पर चर्चा की गई। अंत में, सुरक्षा संबंधी विचारों और विश्वसनीयता पहलुओं पर चर्चा की गई।
1 परिचय
बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) की जटिलता अनुप्रयोग पर निर्भर करती है। एक एकल बैटरी, जैसे कि मोबाइल फोन या ई-बुक रीडर, को एक साधारण "बैटरी मीटर" आईसी से मापा जा सकता है, जो वोल्टेज, तापमान और करंट को माप सकता है और चार्ज की स्थिति (एसओसी) का अनुमान लगा सकता है। इलेक्ट्रिक वाहनों जितना जटिल, बीएमएस को और अधिक जटिल कार्यों को पूरा करने की आवश्यकता है। बैटरी वोल्टेज, तापमान और करंट जैसे बुनियादी मापदंडों को मापने के अलावा, क्रूज़िंग रेंज की गणना के लिए उपलब्ध ऊर्जा निर्धारित करने के लिए उन्नत एल्गोरिदम की भी आवश्यकता होती है।
यह कार्य लिथियम-आयन बैटरी प्रबंधन प्रणालियों के हार्डवेयर पहलू पर केंद्रित है। भाग 2 बीएमएस के लिए हार्डवेयर आवश्यकताओं का परिचय देता है, जिसमें माप मूल्य, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप, विद्युत अलगाव, संपर्ककर्ता और अतिरेक शामिल हैं। धारा 3 बीएमएस टोपोलॉजी का अवलोकन प्रदान करती है, सरल और जटिल अनुप्रयोगों के बीच अंतर को स्पष्ट करती है, और इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी पैक का एक उदाहरण प्रदान करती है। धारा 4 बताती है कि भौतिक मूल्य माप की आवश्यकताओं और सामान्य नुकसानों को कैसे पूरा किया जाए। धारा 5 संतुलन पर चर्चा करती है, चार्ज संतुलन विधियों का परिचय और तुलना करती है। धारा 6 सुरक्षा और विश्वसनीयता पर केंद्रित है, जिसमें हाई-वोल्टेज बैटरी पैक के संचालन के जोखिम और प्रति उपाय शामिल हैं, और संक्षेप में इन्सुलेशन माप विधियों और संबंधित मानकों का परिचय देता है।
2. बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) के लिए डिज़ाइन आवश्यकताएँ
बीएमएस को डिज़ाइन करना एक जटिल कार्य है जिसके लिए विशिष्ट एप्लिकेशन आवश्यकताओं, सिस्टम वातावरण और उपयोग की जाने वाली बैटरियों की विशेषताओं पर विचार करना आवश्यक है, जिससे सिस्टम आवश्यकताओं की एक श्रृंखला प्राप्त की जा सकती है। सामान्यतया, निम्नलिखित बीएमएस घटक और कार्यात्मक आवश्यकताएँ आमतौर पर प्रासंगिक होती हैं:
तापमान संग्रह
सेंसर चयन और प्लेसमेंट:बीएमएस को डिजाइन करते समय सटीक तापमान संग्रह करना मुश्किल होता है, और सेंसर के प्रकार (डिजिटल या एनालॉग) और बैटरी पैक तापमान को मापने के स्थान पर विचार करने की आवश्यकता होती है, जो बैटरी तापमान सेंसर की संख्या निर्धारित करता है। कभी-कभी संपर्ककर्ताओं, फ़्यूज़ या बसबारों का तापमान एकत्र करना आवश्यक होता है। आमतौर पर, तापमान सेंसर और वोल्टेज सेंसर के बीच चैनलों का एक निश्चित अनुपात होता है।
विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के लिए तापमान आवश्यकताएँ:तापमान आवश्यकताओं को तीन स्थितियों पर विचार करने की आवश्यकता है: चार्जिंग, डिस्चार्जिंग और भंडारण, जबकि थर्मल समय स्थिरांक पर भी ध्यान देना। लिथियम आयन बैटरियां एक विशिष्ट तापमान सीमा के बाहर ठीक से काम नहीं कर सकती हैं, और लिथियम चढ़ाना सामान्य तापमान सीमा के भीतर उच्च वर्तमान दरों पर हो सकता है। इसलिए, तापमान, वोल्टेज और करंट को सटीक रूप से एकत्र करना आवश्यक है। बैटरियों की थर्मल कैपेसिटेंस और थर्मल चालकता बैटरी संरचना जैसे कारकों से प्रभावित होती है, और तापमान सेंसर के अनुचित प्लेसमेंट से गलत रीडिंग और थर्मल ब्लाइंड स्पॉट हो सकते हैं।
वोल्टेज अधिग्रहण
अधिग्रहण चैनल और सटीकता:लिथियम-आयन बैटरियों पर आधारित क्लासिक बीएमएस को प्रत्येक श्रृंखला से जुड़ी बैटरी के लिए कम से कम एक वोल्टेज अधिग्रहण चैनल की आवश्यकता होती है, और कुछ ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में माध्यमिक सुरक्षा भी होती है (प्रोग्रामेबल विंडो तुलनित्र के माध्यम से प्राप्त)। वोल्टेज अधिग्रहण डेटा की रूपांतरण दर एप्लिकेशन के आधार पर भिन्न होती है, और आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले बीएमएस फ्रंट-एंड चिप्स में निश्चित वोल्टेज सटीकता और रिज़ॉल्यूशन होता है।
एसओसी अनुमान पर प्रभाव:उदाहरण के तौर पर एनएमसी और एलएफपी बैटरियों को लेते हुए, यह दिखाया गया है कि वोल्टेज अधिग्रहण सटीकता का एसओसी अनुमान पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। सटीकता जितनी अधिक होगी, एसओसी अनुमान उतना ही सटीक होगा, और एसओसी निर्धारित करने के लिए केवल वोल्टेज डेटा का उपयोग करना पर्याप्त नहीं हो सकता है।
चित्र 1. एसओसी अनिश्चितता की तुलना ± 1 एमवी की वोल्टेज सटीकता पर निर्भर करती है।
वर्तमान संग्रह
संग्रह विधि और सेंसर विशेषताएँ:एसओसी को न केवल ओपन सर्किट वोल्टेज (ओसीवी) को मापकर निर्धारित किया जा सकता है, बल्कि कूलम्ब गिनती विधि (वर्तमान को मापने और एकीकृत करने) का उपयोग करके भी निर्धारित किया जा सकता है। हालाँकि, वर्तमान सेंसर में बहाव, ऑफसेट और तापमान त्रुटियों जैसी गैर-आदर्श विशेषताएं हैं, और उन्हें एक साथ विभिन्न माप सीमा आवश्यकताओं को पूरा करने और एक निश्चित बैंडविड्थ की आवश्यकता हो सकती है।
व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, एसओसी निर्धारित करने के लिए केवल कूलम्ब गिनती पर निर्भर रहना गलत है, खासकर कम वर्तमान परिस्थितियों में। इस समस्या को हल करने के लिए, वर्तमान डेटा को संसाधित करने के लिए एल्गोरिदम और पैरामीटरयुक्त मॉडल को संयोजित करना संभव है, लेकिन यह इस आलेख के दायरे से परे है।
संचार आवश्यकताएँ
सिस्टम के भीतर संचार:बीएमएस को संचार मोड, गति, मजबूती और विश्वसनीयता जैसे कारकों को ध्यान में रखते हुए पूरे सिस्टम (जैसे पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा प्रबंधन, या वाहन नियंत्रण इकाइयों) के साथ संचार करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, सिस्टम संचार के लिए वाहनों में CAN इंटरफेस प्रदान करने की आवश्यकता हो सकती है, और विभिन्न अनुप्रयोगों ने सिस्टम स्तर पर संचार आवश्यकताओं को पहले से ही निर्धारित कर दिया होगा, जिसे बीएमएस को अनुकूलित करने की आवश्यकता है।
इंटर मॉड्यूल संचार:मॉड्यूलर सिस्टम के लिए, मास्टर और स्लेव मॉड्यूल के बीच संचार पद्धति को परिभाषित करना आवश्यक है, जो अंतर-सिस्टम संचार के लिए बुनियादी आवश्यकताओं के समान है। विशिष्ट उदाहरण अगले अध्यायों में पाए जा सकते हैं।
विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) सुरक्षा
सेंसर पर ईएमआई का प्रभाव:ईएमआई सेंसर के डेटा संग्रह को प्रभावित कर सकता है, और सभी सेंसर इसके प्रभाव के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप डेटा में थोड़ी विकृति या पूरी तरह से बेकारता हो सकती है।
ईएमआई का असर कम करने के उपाय:प्रभाव को कम करने के लिए, मोटर, पावर इलेक्ट्रॉनिक घटकों और अन्य भारों में अच्छा ईएमआई डिज़ाइन होना चाहिए, और सामान्य मोड चोक और ब्लॉकिंग कैपेसिटर जैसे उचित ईएमआई फ़िल्टरिंग डिवाइस का उपयोग किया जा सकता है, और सेंसर माप पथ के पास स्थापित किया जा सकता है।
संपर्ककर्ताओं से संबंधित आवश्यकताएँ
संपर्ककर्ताओं के कार्य और आवश्यकताएँ:अधिकांश बैटरी पैकों को कम से कम एक इलेक्ट्रोड को विद्युत रूप से डिस्कनेक्ट करने की क्षमता की आवश्यकता होती है, जिसके लिए एक उपयुक्त संपर्ककर्ता की आवश्यकता होती है। डीसी वर्तमान रुकावट और चाप बुझाने की विशेष प्रकृति के कारण, संपर्ककर्ताओं को चुंबकीय चाप बुझाने वाले उपकरणों की आवश्यकता होती है और संपर्क वेल्डिंग से बचना चाहिए।
सुरक्षा संचालन उपाय:सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, कॉन्टैक्टर स्विच के संचालन के दौरान एक विशेष सर्किट (जैसे एक प्री चार्जिंग यूनिट जिसमें श्रृंखला से जुड़े कॉन्टैक्टर और रेसिस्टर शामिल होते हैं) की आवश्यकता होती है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि दोनों सिरों के बीच कोई संभावित अंतर न हो और खतरनाक स्थितियों से बचा जा सके।
अतिरेक आवश्यकताएँ
सिस्टम विश्वसनीयता में अतिरेक की भूमिका:ISO 26262 मानक के अनुसार, अतिरेक सिस्टम विश्वसनीयता में सुधार कर सकता है। बैटरी वोल्टेज को आमतौर पर दो तरीकों से एक निश्चित सीमा तक अनावश्यक रूप से देखा जाता है: मुख्य चिप द्वारा सटीक माप और सहायक चिप द्वारा प्रदान की गई बाइनरी जानकारी।
उच्च स्तरीय अतिरेक अवधारणा:अतिरेक अवधारणाएँ उच्च-स्तरीय प्रसंस्करण में भी मौजूद हैं, जैसे लॉक स्टेपिंग, मेमोरी त्रुटि सुधार और विशेष सीपीयू में स्व-परीक्षण तंत्र।
विद्युत अलगाव आवश्यकताएँ
बैटरी पैक अलगाव:बैटरी पैक को आमतौर पर उच्च वोल्टेज और कम वोल्टेज भागों में विभाजित किया जाता है, जिसके लिए विद्युत अलगाव की आवश्यकता होती है और इसे ऑप्टिकल, आगमनात्मक या कैपेसिटिव तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है।
थर्मल सेंसर अलगाव:बिजली वितरण आईटी नेटवर्क लेआउट की अवधारणा के समान, कम-वोल्टेज भागों को प्रभावित करने वाले उच्च-वोल्टेज दोषों से बचने के लिए सभी थर्मल सेंसरों को विद्युत रूप से अलग करने की भी आवश्यकता होती है।
संतुलन आवश्यकताएँ
आवेश असंतुलन का प्रभाव:श्रृंखला से जुड़ी बैटरियों के बीच चार्ज असंतुलन हो सकता है, जो सिस्टम के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को प्रभावित कर सकता है, और इसे आमतौर पर निम्न स्तर पर रखने की आवश्यकता होती है।
विशेष अनुप्रयोग विचार:विभिन्न अनुप्रयोगों में विशेष विचार हो सकते हैं, जैसे वजन की कमी या चार्जिंग करंट की आवश्यकताएं, जिससे संतुलन करंट उत्पन्न हो सकता है। धारा 5 आगे संतुलन की आवश्यकता और कार्यान्वयन के तरीकों का परिचय देगी।
अन्य आवश्यकताएँ
आवेदन संबंधी आवश्यकताएँ:एप्लिकेशन की कुछ अन्य आवश्यकताएं भी हो सकती हैं, जैसे स्थान, लागत, हार्डवेयर यांत्रिक शक्ति, वजन और बिजली की खपत, जो इस लेख का फोकस नहीं हैं लेकिन इस पर विचार करने की आवश्यकता है।
3. बीएमएस की टोपोलॉजी संरचना
बैटरी सिस्टम संरचना का अवलोकन:सिस्टम की विद्युत विशिष्टताओं को पूरा करने के लिए, बैटरियों को अक्सर एकाधिक कनेक्शन टोपोलॉजी वाले बैटरी पैक में संयोजित करने की आवश्यकता होती है। श्रृंखला कनेक्शन एक विशिष्ट वोल्टेज रेंज प्राप्त कर सकता है और वर्तमान को कम कर सकता है; समानांतर कनेक्शन से क्षमता बढ़ सकती है. व्यावहारिक अनुप्रयोगों में विभिन्न प्रकार हैं, जैसे मॉड्यूल और श्रृंखला कनेक्शन में छोटी क्षमता वाली बैटरियों का समानांतर कनेक्शन, या श्रृंखला कनेक्शन में बड़ी क्षमता वाली बैटरियों का सीधा उपयोग। विभिन्न टोपोलॉजी का बीएमएस की जटिलता पर अलग-अलग प्रभाव पड़ता है, जैसे कि कई श्रृंखला बैटरियों को समानांतर में जोड़ने पर निगरानी और संतुलन की बढ़ती लागत।
चित्र 2. विभिन्न बैटरी पैक टोपोलॉजी का योजनाबद्ध आरेख: (ए) एकल सेल; (बी) दो बैटरियों का समानांतर कनेक्शन; (सी) तीन बैटरियों का श्रृंखला कनेक्शन; (डी) दो श्रृंखला और तीन श्रृंखला बैटरियों का समानांतर कनेक्शन; (ई) दो समानांतर बैटरियों से युक्त तीन मॉड्यूल का एक श्रृंखला कनेक्शन।
तालिका 1. टोपोलॉजिकल वेरिएंट की विशेषताओं को चित्र 2 में दिखाया गया है।
बैटरी कनेक्शन विधि और वोल्टेज माप चैनल आवश्यकताओं को स्पष्ट करने के लिए एक उदाहरण प्रदान करें: उदाहरण के लिए, एम श्रृंखला से जुड़ी बैटरियों और एन समानांतर कनेक्टेड बैटरियों के संयोजन के लिए अलग-अलग कनेक्शन विधियों के लिए अलग-अलग संख्या में वोल्टेज माप चैनलों की आवश्यकता होती है।
विशेष मामले पर चर्चा:कुछ विशेष अनुप्रयोगों (जैसे कि यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी की मंगल जांच और रोसेटा जांच) में, आकार, वजन और बिजली की खपत जैसे कारकों के कारण एकल कोशिका निगरानी और संतुलन नहीं किया जा सकता है। हालाँकि कुछ राय यह बताती है कि एक ही बैच से बैटरियों का सावधानीपूर्वक चयन करने से निगरानी करना छूट सकता है, शोध से पता चला है कि एक ही बैच की बैटरियों में भी उम्र बढ़ने का व्यवहार अलग-अलग हो सकता है, और निगरानी छोड़ने से जोखिम पैदा हो सकता है। हालाँकि, एक निश्चित सीमा के भीतर छोटे सिस्टम और बैटरी वोल्टेज के लिए, निगरानी छोड़ने का प्रभाव अपेक्षाकृत छोटा हो सकता है।
इंटीग्रेटेड सर्किट (आईसी) संबंधित
बुनियादी निगरानी समारोह के साथ आईसी:बैटरी सुरक्षित संचालन के बुनियादी निगरानी कार्य को प्राप्त करने के लिए, सेमीकंडक्टर निर्माता विभिन्न एप्लिकेशन विशिष्ट एकीकृत सर्किट (एएसआईसी) प्रदान करते हैं। एकल कोशिकाओं वाले छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए, एक "ईंधन गेज" आईसी है जो वोल्टेज, वर्तमान और तापमान की निगरानी कर सकता है, एसओसी का अनुमान लगा सकता है, और इसमें चार्जिंग नियामक जैसे कार्य भी शामिल हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, TI का "bq27220" और मैक्सिम का संबंधित IC।
उच्च शक्ति और ऊर्जा मांग प्रणालियों के लिए आईसी
मॉड्यूलरीकरण और फ़ंक्शन आवंटन:उच्च शक्ति और/या ऊर्जा आवश्यकताओं वाले अनुप्रयोगों के लिए, एक बैटरी पैक में कई बैटरियां होती हैं, और संबंधित आईसी एक साथ कई बैटरियों की निगरानी कर सकता है और संतुलन कार्यक्षमता प्रदान कर सकता है। सिस्टम में एक केंद्रीय मॉड्यूल (बीएमएस मास्टर) है जो एसओसी अनुमान और पावर भविष्यवाणी एल्गोरिदम जैसे जटिल कार्यों के लिए जिम्मेदार है; फ्रंट-एंड आईसी मॉड्यूल (बीएमएस स्लेव्स) सिग्नल अधिग्रहण और फ़िल्टरिंग जैसे बुनियादी कार्यों के लिए जिम्मेदार है।
चित्र 3. इलेक्ट्रिक वाहन अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट बीएमएस संरचना।
विभिन्न आईसी उदाहरण और संतुलन विधियाँ:उदाहरण के लिए, TI के bq76PL536A, MAX11068, और LT6802G-2 निष्क्रिय संतुलन प्रदान करते हैं, जबकि AMS के AS8506C का उपयोग निष्क्रिय संतुलन टोपोलॉजी के लिए किया जा सकता है और सक्रिय संतुलन क्षमता भी प्रदान करता है। कुछ आईसी में उत्तराधिकारी उत्पाद होते हैं, और वोल्टेज निगरानी विश्वसनीयता में सुधार के लिए, माध्यमिक सुरक्षा आईसी का उपयोग किया जा सकता है। हालाँकि पूरी तरह से निरर्थक बीएमएस विश्वसनीयता में सुधार कर सकता है, लेकिन लागत अधिक है।
संचार और डेटा ट्रांसमिशन
फ्रंट एंड आईसी कनेक्शन विधि:फ्रंट एंड आईसी को आमतौर पर डेज़ी श्रृंखला के माध्यम से जोड़ा जा सकता है, और अलग-अलग आईसी में अलग-अलग इंटरफ़ेस विधियां होती हैं। MAX11068 I2C पोर्ट के माध्यम से जुड़ा हुआ है, TI का bq76PL536A कई इंटरफेस प्रदान करता है, और LT6802G-2 SPI बस के माध्यम से जुड़ा हुआ है (एक अतिरिक्त डिजिटल आइसोलेटर की आवश्यकता है)।
सिस्टम संचार विधि:सिस्टम में, कम लागत वाले माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग आमतौर पर एक ही पीसीबी पर आईसी को जोड़ने के लिए किया जाता है, और अन्य पीसीबी और बीएमएस मुख्य मॉड्यूल पर मॉड्यूल फील्डबस (जैसे कैन) के माध्यम से जुड़े होते हैं।
वास्तविक मामला
मित्सुबिशी आई-एमआईईवी:बैटरी में 88 प्रिज्मीय बैटरियों के साथ स्क्रू से जुड़े कई मॉड्यूल होते हैं। मॉड्यूल पर पीसीबी में मॉनिटरिंग आईसी और तापमान सेंसर होते हैं, और बैटरी पैक हाउसिंग में कई घटक होते हैं। बीएमएस मुख्य मॉड्यूल वाहन की पिछली सीटों के नीचे स्थित है और एक आंतरिक कैन बस के माध्यम से संचार करता है। अन्य बैटरियों की तुलना में इसका आंतरिक स्थान अधिक विशाल है, जो वायु शीतलन का दुष्प्रभाव हो सकता है।
चित्र 4. (ए) मित्सुबिशी i-MiEV बैटरी पैक; (बी) वोक्सवैगन ई-अप बैटरी पैक; (सी) स्मार्ट फोर्टवो इलेक्ट्रिक ड्राइव बैटरी पैक। नोट: स्केलिंग के तरीके अलग-अलग हैं।
चित्र 5. (ए) टेस्ला मॉडल एस बैटरी मॉड्यूल का शीर्ष दृश्य; (बी) वोक्सवैगन ई-अप बैटरी मॉड्यूल, 6एस2पी मॉड्यूल, शीर्ष दृश्य।
स्मार्ट फोर्टवो इलेक्ट्रिक संस्करण:बैटरी में शीतलन प्रणाली के साथ 90 श्रृंखला से जुड़ी पाउच बैटरियां होती हैं, और बुनियादी निगरानी कार्य bq76PL536A के समान TI के IC द्वारा पूरे किए जाते हैं। प्रत्येक पीसीबी में कई मॉनिटरिंग आईसी और माइक्रोकंट्रोलर होते हैं, और बीएमएस मुख्य मॉड्यूल उच्च एकीकरण और कुछ केबलों के साथ बैटरी केस के अंदर स्थित होता है।
वोक्सवैगन ई-अप:बैटरी में कई श्रृंखला मॉड्यूल होते हैं, कोई शीतलन प्रणाली या सेवा डिस्कनेक्ट डिवाइस नहीं, केंद्रीकृत बीएमएस मॉड्यूल, बड़ी संख्या में वोल्टेज माप लाइनों के माध्यम से बैटरी और माप आईसी (MAX11068) से जुड़ा होता है, जिसमें बड़ी संख्या में संतुलित प्रतिरोधक और रूपांतरण के बिना एक माइक्रोकंट्रोलर होता है। संकेत.
टेस्ला मॉडल एस:बैटरी बड़ी संख्या में 18650 बैटरियों से बनी है, जो कई मॉड्यूल में विभाजित हैं, जो बॉन्ड तारों के माध्यम से जुड़ी हुई हैं। बीएमएस की निगरानी TI के bq76PL536A-Q1 का उपयोग करके की जाती है और वोल्टेज को वेल्डिंग तारों के माध्यम से मापा जाता है। अन्य बैटरियों की तुलना में, इसका एकीकरण स्तर अलग है, जैसे वोक्सवैगन ई-अप का निम्न एकीकरण स्तर और स्मार्ट फोर्टवो का उच्च एकीकरण स्तर।
4. एचवी बैटरी सिस्टम माप प्रौद्योगिकी का अवलोकन
माप प्रौद्योगिकी का महत्व:मापन तकनीक बैटरी प्रबंधन प्रणालियों का एक प्रमुख घटक है, जो एसओसी, एसओएच, एसओएफ इत्यादि जैसे राज्य चर निर्धारित कर सकता है। यह आमतौर पर बैटरी वोल्टेज, कुल वोल्टेज, कुल वर्तमान और बैटरी सिस्टम के तापमान जैसे चर को मापता है। ये राज्य चर बैटरी सिस्टम को ओवरचार्जिंग या ओवरडिस्चार्जिंग जैसी क्षति से बचा सकते हैं, और बैटरी सिस्टम के उपयोग को अनुकूलित कर सकते हैं।
सेंसर आवश्यकताएँ:लागत, बैंडविड्थ, सटीकता, माप सीमा और आकार सहित बैटरी भंडारण अनुप्रयोगों के आधार पर सेंसर के लिए विशिष्ट आवश्यकताएं निर्धारित करें, जैसा कि अनुभाग 2 में बताया गया है।
वर्तमान माप
मापन विधि वर्गीकरण:वर्तमान संग्रह उपकरण को दो बुनियादी सेंसर प्रौद्योगिकियों में विभाजित किया गया है: विद्युत कनेक्शन और अलगाव। आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला शंट रेसिस्टर करंट सेंसिंग विद्युत कनेक्शन प्रकार से संबंधित है, और हॉल सेंसर आइसोलेशन प्रकार का एक उदाहरण है।
सेंसर तकनीक के अलावा, बैटरी पैक की स्थिति पर भी विचार करना होगा। एकाधिक स्विच करने योग्य स्ट्रिंग वाले बैटरी सिस्टम के लिए, प्रत्येक स्ट्रिंग को बिजली असंतुलन को ट्रैक करने के लिए एक वर्तमान निगरानी उपकरण से सुसज्जित किया जाना चाहिए।
शंट प्रतिरोध का मापन
माप सिद्धांत और विशेषताएं:कम प्रतिरोध, उच्च परिशुद्धता प्रतिरोध और उच्च परिशुद्धता वोल्टेज माप प्रणाली को मिलाकर, धारा को मापा जाता है। प्रतिरोध वर्तमान पथ पर स्थित होता है, और जब धारा गुजरती है तो बिजली की हानि और तापमान में वृद्धि होती है। अवरोधक का चयन करते समय, नुकसान और एक उपयुक्त वोल्टेज ड्रॉप उत्पन्न करने की आवश्यकता को संतुलित करना आवश्यक है। उच्च परिशुद्धता के साथ मापते समय, तापमान गुणांक और अवरोधक की दीर्घकालिक स्थिरता पर भी विचार किया जाना चाहिए।
इस विधि का उपयोग डीसी और एसी धाराओं को मापने के लिए किया जा सकता है, और इसमें सरलता, रैखिकता और उच्च बैंडविड्थ के फायदे हैं। हालाँकि, माप सीमा वोल्टेज माप की सटीकता से सीमित है।
निम्न पक्ष और उच्च पक्ष माप की तुलना
लो साइड माप बैटरी के सकारात्मक टर्मिनल और लोड के बीच स्थित अवरोधक को संदर्भित करता है। इसका लाभ यह है कि इनपुट सामान्य मोड वोल्टेज कम है, और बड़ी संख्या में करंट सेंस एम्पलीफायरों का उपयोग किया जा सकता है। सर्किट सरल और लागत प्रभावी है, लेकिन यह ग्राउंड पथ में हस्तक्षेप करेगा और उच्च लोड वर्तमान बाईपास का पता नहीं लगा सकता है।
हाई साइड माप से तात्पर्य बैटरी के लोड और नकारात्मक ध्रुव या जमीन के बीच स्थित अवरोधक से है। इसका लाभ यह है कि यह जमीनी पथ के हस्तक्षेप से बच सकता है और शॉर्ट सर्किट का पता लगा सकता है, लेकिन इसके लिए एम्पलीफायर आउटपुट के स्तर रूपांतरण की आवश्यकता होती है और एम्पलीफायर को उच्च सामान्य मोड वोल्टेज का सामना करने की आवश्यकता होती है।
संपर्क रहित वर्तमान सेंसर (हॉल सेंसर, आदि)
माप सिद्धांत और लाभ:माप के लिए करंट द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करना, जैसे कि हॉल प्रभाव पर आधारित हॉल सेंसर, वर्तमान पथ प्रतिरोध को बढ़ाए बिना, अतिरिक्त प्रवाहकीय नुकसान के बिना, विद्युत अलगाव लाभ के साथ, और सिग्नल कंडीशनिंग के लिए अतिरिक्त ऑप्टोकॉप्लर्स या डिजिटल इंसुलेटर की आवश्यकता के बिना।
हॉल सेंसर को एकीकृत सर्किट के रूप में खरीदा जा सकता है, वर्तमान पथ पर रखा जा सकता है, और उनके आउटपुट को फ़िल्टर करने की आवश्यकता होती है। उपयोग के लिए संपूर्ण मॉड्यूल भी उपलब्ध हैं, जो हॉल सेंसर युक्त फेराइट रिंगों से बने होते हैं और विद्युत अलगाव प्रदान कर सकते हैं।
सेंसर विशेषताएँ और सीमाएँ:मुख्य नुकसान सीमित बैंडविड्थ है, आमतौर पर दसियों किलोहर्ट्ज़ से अधिक नहीं, और आउटपुट सिग्नल में तापमान का बहाव जिसके लिए मुआवजा दिया जाना आवश्यक है। यदि बैटरी सिस्टम को उच्च बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है, तो शंट प्रतिरोध माप का उपयोग किया जाना चाहिए, और हॉल सेंसर महंगे और भारी हैं।
वोल्टेज माप
बैटरी पैक वोल्टेज माप का अंतर:लिथियम-आयन बैटरी पैक में, प्रत्येक बैटरी के वोल्टेज और बैटरी पैक के कुल वोल्टेज को मापने के बीच अंतर करना आवश्यक है। दोनों की वोल्टेज रेंज अलग-अलग हैं, और सभी बैटरी वोल्टेज का योग कुल वोल्टेज के बराबर होना चाहिए, जिसका उपयोग तर्कसंगत निर्णय के मानदंड के रूप में किया जा सकता है।
बैटरी वोल्टेज माप:आमतौर पर एक एकीकृत बीएमएस फ्रंट-एंड चिप द्वारा पूरा किया जाता है। बाज़ार में चिप्स से जोड़ी जा सकने वाली बैटरियों की संख्या अलग-अलग होती है, और द्वितीयक पर्यवेक्षण आईसी के माध्यम से अतिरेक और सिस्टम विश्वसनीयता में भी सुधार किया जा सकता है।
बैटरी पैक वोल्टेज माप:वोल्टेज डिवाइडर, प्रतिबाधा कनवर्टर, फ़िल्टर और एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) सहित एक अलग माप इकाई द्वारा पूरा किया गया। वोल्टेज डिवाइडर का उपयोग बैटरी पैक के वोल्टेज को उचित सीमा तक कम करने के लिए किया जाता है, जिसके लिए सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए कई प्रतिरोधकों की आवश्यकता हो सकती है, साथ ही बाद के सर्किट की सुरक्षा के लिए जेनर डायोड की भी आवश्यकता हो सकती है। उसी समय, मापा वोल्टेज प्राप्त करने के लिए प्रतिबाधा कनवर्टर, फिल्टर और एडीसी का उपयोग किया जाता है।
तापमान माप
तापमान सेंसर के सामान्य प्रकार और सिद्धांत:सामान्य तापमान सेंसर में नकारात्मक तापमान गुणांक (एनटीसी) और सकारात्मक तापमान गुणांक (पीटीसी) प्रकार शामिल होते हैं, जो निरंतर धारा के तहत वोल्टेज ड्रॉप को मापकर तापमान को मापते हैं। उनका प्रतिरोध तापमान के साथ बदलता रहता है और एक निश्चित तापमान सीमा के भीतर उपयोग किया जा सकता है, लेकिन गैर-रैखिक मुद्दे भी हैं।
सेंसर के उपयोग में समस्याएँ और समाधान:गैर-रैखिकता के कारण, तापमान गणना को कैलिब्रेट करने के लिए डिजिटल प्रोसेसिंग श्रृंखला में एक लुकअप टेबल की आवश्यकता होती है। ऐसे कुछ सेंसर भी हैं जो डिजिटल इंटरफेस का उपयोग करते हैं जो उपयोग करने के लिए अधिक सुविधाजनक हैं, लेकिन उन्हें बैटरी पैक में उच्च-शक्ति पथ के पास रखते समय ईएमआई मुद्दों पर ध्यान दिया जाना चाहिए। धातु पीटीसी और थर्मोकपल जैसी अन्य माप विधियां उच्च सटीकता और व्यापक तापमान सीमा प्रदान कर सकती हैं, लेकिन उच्च इलेक्ट्रॉनिक जटिलता के साथ।
डेटा ट्रांसमिशन
विभिन्न संचार बसों की विशेषताएँ और अनुप्रयोग परिदृश्य:बीएमएस मॉड्यूल के बीच और बीएमएस और पूरे सिस्टम के बीच संचार आवश्यक है। लचीलेपन और शोर प्रतिरोध के साथ CAN बस का उपयोग आमतौर पर वाहन वातावरण में किया जाता है; लिन बस अपेक्षाकृत सरल है लेकिन गति में धीमी है, इसमें लचीलापन कम है, और इसमें कोई अंतर नहीं है, जो इसे उच्च लागत आवश्यकताओं वाले परिदृश्यों के लिए उपयुक्त बनाता है; अन्य कम दूरी के संचार इंटरफेस जैसे एसपीआई, आई2सी और वनवायर बस लंबी दूरी, हस्तक्षेप प्रवण मॉड्यूल से मॉड्यूल संचार के लिए उपयुक्त नहीं हैं; यदि CAN बस की गति अपर्याप्त है या वास्तविक समय नियतात्मक क्षमता की आवश्यकता है, तो FlexRay बस या ईथरनेट का उपयोग किया जा सकता है।
5. बैटरी संतुलन
बैटरी एसओसी में अंतर का कारण:श्रृंखला से जुड़ी बैटरियों में, उत्पादन अंतर और विभिन्न परिचालन और पर्यावरणीय स्थितियाँ (जैसे तापमान) बैटरियों के बीच असमानता पैदा कर सकती हैं। ये कारक अलग-अलग प्रारंभिक स्थितियों, उम्र बढ़ने और स्व-निर्वहन दरों का कारण बन सकते हैं, जिससे एसओसी, क्षमता और प्रतिरोध मूल्यों में विचलन हो सकता है। यह खंड मुख्य रूप से एसओसी और क्षमता में अंतर पर ध्यान केंद्रित करता है, और इसमें आंतरिक प्रतिरोध में अंतर शामिल नहीं है- अनुसंधान से पता चला है कि समान प्रारंभिक क्षमता और भार वाली बैटरियां भी उपयोग के बाद क्षमता में अंतर का अनुभव करेंगी। उदाहरण के लिए, समान प्रारंभिक क्षमता वाली 18650 बैटरियां, जीवन के अंत के मानक के रूप में 80% की शेष क्षमता के साथ, चक्र जीवन 1000-1500 बार के बीच होती हैं। साथ ही, अलग-अलग बैटरियों की सेल्फ डिस्चार्ज दर में अंतर होता है, जैसे कि 40 डिग्री सेल्सियस पर संग्रहीत वाणिज्यिक सॉफ्ट पैक बैटरी, जहां सेल्फ डिस्चार्ज प्रतिरोध 10k Ω और 14k Ω के बीच भिन्न होता है।
चित्र 6. (ए) असंतुलित बैटरी सेल के कारण, संख्याएँ [57] पर आधारित; (बी) विभिन्न संतुलन विधियों का वर्गीकरण ऊर्जा हस्तांतरण की दिशा को संदर्भित करता है जैसा कि दिखाए गए गैर-विघटनकारी विधि के नाम से होता है।
संतुलन की आवश्यकता:एसओसी, क्षमता और आंतरिक प्रतिरोध में अंतर से बैटरी पैक की उपलब्ध ऊर्जा में कमी हो सकती है, जिसे बैलेंस सर्किट के माध्यम से हल किया जा सकता है।
संतुलन विधियों का अवलोकन
हार्डवेयर कार्यान्वयन:साहित्य सर्किट को संतुलित करने के लिए विभिन्न हार्डवेयर कार्यान्वयन विधियों का वर्णन करता है, जिन्हें विभिन्न टोपोलॉजी संरचनाओं, नियंत्रण विधियों (जैसे सक्रिय/निष्क्रिय), या व्यावसायिक उपलब्धता में वर्गीकृत किया जा सकता है।
व्यावसायिक अनुप्रयोगों में संतुलन के तरीके:अधिकांश वाणिज्यिक बैटरी पैक नियंत्रित निष्क्रिय संतुलन प्रणालियों का उपयोग करते हैं, जो बैटरी के दोनों सिरों पर समानांतर संतुलन प्रतिरोधों द्वारा प्राप्त किया जाता है। यह विधि केवल एसओसी भिन्नता की समस्या को हल कर सकती है, जिसमें एक छोटा संतुलन वर्तमान (लगभग 100 एमए) और बैटरी क्षमता में कोई बदलाव नहीं होता है, जो बीएमएस की ऊर्जा अपव्यय या बैटरी और मॉनिटरिंग सर्किट के बीच केबल व्यास द्वारा सीमित हो सकता है। प्रत्येक बैटरी या बैटरी के समानांतर संयोजन में एक स्विच करने योग्य संतुलन अवरोधक होता है जिसका प्रतिरोध मान 30 Ω -40 Ω (बैटरी वोल्टेज 4.2V मानते हुए) के बीच होता है, और प्रत्येक बैटरी 387 mW -430 mW के बीच बिजली की खपत करती है।
विभिन्न क्षमता समस्याओं को हल करने की विधियाँ:विभिन्न क्षमता समस्याओं को हल करने के लिए, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके बैटरियों के बीच ऊर्जा को पुनर्वितरित करने के लिए अधिक जटिल तरीकों की आवश्यकता होती है। हालाँकि, इन विधियों के लिए जटिल नियंत्रण एल्गोरिदम और महंगे इंडक्टर्स की आवश्यकता होती है। यद्यपि संबंधित बीएमएस आईसी उत्पाद हैं, लेकिन उनका वाणिज्यिक ऑटोमोटिव बैटरी पैक में व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया है।
6. सुरक्षा एघ विश्वसनीयता
जोखिम न्यूनीकरण का समग्र लक्ष्य:बीएमएस का एक मुख्य उद्देश्य बैटरी पैक में लिथियम-आयन बैटरी के संचालन से जुड़े जोखिमों को कम करना है।
चित्र 7. बैटरी वोल्टेज अधिग्रहण फ्रंट-एंड का समतुल्य सर्किट मॉडल, सेंसिंग लाइन दोषों का पता लगाने की क्षमता प्रदर्शित करता है।
विशिष्ट सुरक्षा उपाय
उच्च वोल्टेज सुरक्षा:बैटरी पैक की हाई-वोल्टेज सुरक्षा इन्सुलेशन मॉनिटरिंग और इंटरलॉकिंग सर्किट के माध्यम से सुनिश्चित की जाती है, जो प्रदूषण या संघनन के कारण उत्पन्न होने वाले जोखिम को कम कर सकती है। साथ ही, बीएमएस हार्डवेयर डिज़ाइन को पीसीबी और कनेक्टर्स की क्रीपेज दूरी और विद्युत निकासी सुनिश्चित करने के लिए प्रासंगिक मानकों का पालन करना चाहिए।
विद्युत अलगाव:अन्य नियंत्रण इकाइयों या सहायक बिजली स्रोतों के साथ इंटरफेस पर उच्च बैटरी वोल्टेज से विद्युत अलगाव सुनिश्चित करने के लिए, "उन्नत अलगाव" मानक को पूरा करने वाले अलगाव उपकरण का उपयोग किया जा सकता है। पारंपरिक ऑप्टोकॉप्लर्स का उपयोग किया जाता है, लेकिन अब "डिजिटल आइसोलेटर्स" का आईसी प्रदर्शन बेहतर है।
आग से बचाव के उपाय:बैटरी पैक के अंदर तापमान सेंसर लगाएं और महत्वपूर्ण तापमान पर प्रतिक्रिया दें। आग के जोखिम को कम करने के लिए सेंसर रहित तापमान का पता लगाने के तरीकों (जैसे इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी) और नए तापमान माप तरीकों का भी उपयोग किया जा सकता है।
संपर्ककर्ता और फ़्यूज़:फ़्यूज़ के साथ समन्वय करते हुए, सिस्टम से बैटरी पैक को डिस्कनेक्ट करने के लिए एक संपर्ककर्ता का उपयोग करें। दोनों की परिचालन विशेषताओं और फ़्यूज़ के चयन पर बैटरी पैक के भीतर परजीवी कैपेसिटेंस और इंडक्शन के प्रभाव पर विचार करें।
बैटरियों की आंतरिक सुरक्षा:बीएमएस को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि बैटरी को निर्दिष्ट तापमान सीमा के भीतर चार्ज किया जाए, ऑपरेशन से पहले कम तापमान वाली लिथियम प्लेटिंग और गहरे डिस्चार्ज से बचा जाए। साथ ही, आंतरिक शॉर्ट सर्किट का पता लगाने के लिए डायग्नोस्टिक एल्गोरिदम का उपयोग किया जा सकता है।
चित्र 8. इन्सुलेशन माप: (ए) आईटी कनेक्शन में इन्सुलेशन; (बी) इन्सुलेशन माप का योजनाबद्ध आरेख।
बीएमएस हार्डवेयर डिज़ाइन संबंधी मुद्दे
सेंसर दोष का पता लगाना:बीएमएस हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन की बढ़ती जटिलता के साथ, सॉफ्टवेयर त्रुटियों और सेंसर विफलताओं की संभावना बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, बैटरी वोल्टेज का पता लगाने में केबल दोषों को अकेले वोल्टेज माप के माध्यम से आसानी से पता नहीं लगाया जा सकता है, लेकिन बैटरी संतुलन प्रणाली या वर्तमान स्रोत सर्किट के माध्यम से इसका पता लगाया जा सकता है।
सेंसर वैधता जांच:अन्य दोष जैसे सेंसर दोष का पता डायग्नोस्टिक एल्गोरिदम के माध्यम से लगाया जा सकता है, और बैटरी विद्युत व्यवहार का उपयोग करके सेंसर सिग्नल की वैधता की जांच की जा सकती है।
इन्सुलेशन माप
इन्सुलेशन माप का महत्व और प्रणाली संरचना:इलेक्ट्रिक या आंशिक रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों की उच्च-वोल्टेज प्रणाली आमतौर पर एक आईटी नेटवर्क के रूप में बनाई जाती है और पहली गलती का पता लगाने की आवश्यकता होती है। इन्सुलेशन प्रतिरोध को मापते समय, सिस्टम की कैपेसिटेंस और प्रतिरोध विशेषताओं पर विचार करना आवश्यक है, क्योंकि कैपेसिटेंस माप में हस्तक्षेप कर सकता है।
सामान्य माप विधियाँ:सामान्य तरीकों में लूप कॉइल का उपयोग करके सामान्य मोड करंट को मापना और स्विच और रेसिस्टर्स के माध्यम से सिस्टम और चेसिस के बीच क्षमता को बदलकर इन्सुलेशन प्रतिरोध की गणना करना शामिल है। अन्य सरल या अधिक जटिल तरीके भी पेश किए गए हैं।
इन्सुलेशन माप मानक:इन्सुलेशन माप में माप विधियों और न्यूनतम इन्सुलेशन प्रतिरोध आवश्यकताओं के लिए प्रासंगिक मानक विनिर्देश हैं। विभिन्न मानकों में माप विधियों, प्रतिरोध मूल्यों और माप समय में अंतर होता है।
7. सारांश
सामान्य आवश्यकताएँ और डिज़ाइन संबंधी विचार:यह आलेख सामान्य आवश्यकताओं से लेकर कार्यान्वयन संबंधी विचार प्रदान करते हुए बीएमएस हार्डवेयर की सामान्य अवधारणाओं का परिचय देता है। डिज़ाइन प्रक्रिया में यथासंभव अधिक से अधिक पैरामीटर शामिल होने चाहिए, लेकिन आवश्यकताओं को लक्ष्य डिवाइस की आवश्यकताओं के अनुसार निर्धारित किया जाना चाहिए। विभिन्न अनुप्रयोगों की आवश्यकताएं बहुत भिन्न होती हैं, और ये आवश्यकताएं बैटरी पैक डिजाइन विचारों के लिए एक अच्छा प्रारंभिक बिंदु हैं।
बीएमएस टोपोलॉजी:बैटरी सिस्टम संरचना बीएमएस टोपोलॉजी को प्रभावित करती है, और कुछ एप्लिकेशन वजन या जटिलता को कम करने के लिए विशेष निगरानी विधियों का उपयोग करते हैं, जैसे कि धारा 3.3 में तुलना की गई चार वाणिज्यिक इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियां, जिनमें उनके समान अनुप्रयोगों के कारण कुछ समानताएं हैं (जैसे कि CAN संचार का उपयोग करना) ), लेकिन एकीकरण और आंतरिक संचार में भिन्न हैं।
भौतिक मूल्य माप:धारा 4 आवश्यक भौतिक मूल्यों के संग्रह और संचरण विधियों का विस्तृत परिचय प्रदान करती है। विभिन्न माप आवश्यकताओं के लिए अनुप्रयोग बाधाओं और आवश्यकताओं के आधार पर विभिन्न तरीकों के चयन की आवश्यकता होती है।
संतुलन की समस्या:धारा 5 श्रृंखला बैटरियों में चार्ज असंतुलन के कारणों और क्षतिपूर्ति विधियों का वर्णन करती है, जिसमें निष्क्रिय संतुलन वर्तमान में सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि है।
सुरक्षा और विश्वसनीयता:धारा 6 सुरक्षा पहलुओं का एक सिंहावलोकन प्रदान करती है, जिसमें जीवनकाल सुनिश्चित करने और उपयोगकर्ताओं को उच्च वोल्टेज खतरों से बचाने के लिए बैटरी ऑपरेटिंग रेंज का अनुपालन शामिल है। यह इन्सुलेशन निगरानी के लिए मानक तरीकों का परिचय देता है और बैटरियों की सुरक्षा करते समय सिस्टम स्तर के जोखिमों पर विचार करने की आवश्यकता का उल्लेख करता है।