बैटरी प्रबंधन प्रणाली: Difference between revisions
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Latest revision as of 17:13, 19 February 2023
एक बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) कोई भी इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली है जो एक फिर से आवेशित करने योग्य संप्रहार (विद्युत रासायनिक सेल या बैटरी का संकुल) का प्रबंधन करती है, जैसे कि बैटरी को उसके सुरक्षित संचालन क्षेत्र के बाहर संचालन से बचाकर रखने की प्रक्रिया।[clarification needed] इसकी स्थिति की निगरानी करना, द्वितीयक डेटा की गणना करना, उस डेटा की रिपोर्ट करना, उसके वातावरण को नियंत्रित करना, उसे प्रमाणित करना और बैटरी को संतुलित करना।[1] लिथियम-आयन बैटरी सिस्टम में एक बीएमएस (बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम) आवश्यक है। यह डिवाइस प्रत्येक बैटरी सेल का वास्तविक समय नियंत्रण करता है, बाहरी उपकरणों के साथ संचार करता है, एसओसी गणना, तापमान और वोल्टेज आदि का प्रबंधन करता है। बाहरी संचार बस (कंप्यूटिंग) के साथ बैटरी प्रबंधन प्रणाली के साथ मिलकर बनाया गया बैटरी समूह एक स्मार्ट बैटरी समूह है। स्मार्ट बैटरी समूह को स्मार्ट बैटरी आवेशक द्वारा आवेशित किया जाना चाहिए।[citation needed]
कार्य प्रणाली
मॉनिटर
मॉनिटर एक बीएमएस बैटरी की स्थिति की निगरानी कर सकता है जैसा कि विभिन्न मदों द्वारा दर्शाया गया है, जैसे:
- वोल्टेज: कुल वोल्टेज, व्यक्तिगत सेल के वोल्टेज, या आवधिक नल का वोल्टेज
- तापमान: औसत तापमान, शीतलक सेवन तापमान, शीतलक उत्पादन तापमान, या व्यक्तिगत सेल का तापमान
- शीतलक प्रवाह: तरल शीत बैटरी के लिए
- विद्युत प्रवाह: बैटरी में या बाहर विद्युत धारा
- व्यक्तिगत सेल की क्षमता
- सेल की बैटरी संतुलन
इलेक्ट्रिक वाहन प्रणाली: ऊर्जा पुनःप्राप्ति
- बीएमएस पुनर्प्राप्त ऊर्जा (अर्थात, पुनर्योजी ब्रेक से) को वापस बैटरी समूह में पुनर्निर्देशित करके बैटरी के आवेशन को नियंत्रित करेगा (सामान्यतः कई बैटरी मॉड्यूल से बना होता है, और प्रत्येक मॉड्यूल कई सेल से बना होता है)।
बैटरी ऊष्मीय प्रबंधन प्रणाली या तो निष्क्रिय या सक्रिय हो सकती है, और शीतलन माध्यम या तो हवा, तरल या चरण परिवर्तन का कोई रूप हो सकता है। इसकी कार्य प्रकृति में वायु शीतलन लाभप्रद है। इस तरह की प्रणालियां निष्क्रिय हो सकती हैं, जो केवल आसपास की हवा के संवहन पर निर्भर करती हैं, या वायु प्रवाह के लिए पंखों का उपयोग करके सक्रिय हो सकती हैं। व्यावसायिक रूप से, Honda Insight और Toyota Prius दोनों ही अपने बैटरी सिस्टम के सक्रिय वायु शीतलन का उपयोग करती हैं।[2] वायु शीतलन का प्रमुख नुकसान इसकी अक्षमता है। शीतलन तंत्र को संचालित करने के लिए बड़ी मात्रा में सक्रिय तरल शीतलन से कहीं अधिक शक्ति का उपयोग किया जाना चाहिए।[3] शीतलन मैकेनिज्म के अतिरिक्त घटक भी बीएमएस में वजन जोड़ते हैं, जिससे परिवहन के लिए उपयोग की जाने वाली बैटरियों की दक्षता कम हो जाती है।
तरल शीतलन में वायु शीतलन की तुलना में अधिक प्राकृतिक शीतलन क्षमता होती है क्योंकि तरल कूलेंट में हवा की तुलना में अधिक तापीय चालकता होती है। बैटरियों को या तो सीधे शीतलक में डुबोया जा सकता है या शीतलक सीधे बैटरी से संपर्क किए बिना बीएमएस के माध्यम से प्रवाहित हो सकता है। शीतलन चैनलों की बढ़ी हुई लंबाई के कारण अप्रत्यक्ष शीतलन में बीएमएस में बड़े ऊष्मीय ग्रेडियेंट बनाने की क्षमता है। सिस्टम के माध्यम से शीतलक को तेजी से पंप करके इसे कम किया जा सकता है, पंपिंग गति और ऊष्मीय स्थिरता के बीच एक ट्रेडऑफ़ बना सकता है।[3]
गणना
इसके अतिरिक्त, एक बीएमएस निम्न मदों के आधार पर मूल्यों की गणना कर सकता है, जैसे:[citation needed]
- वोल्टेज: न्यूनतम और अधिकतम सेल वोल्टेज
- आवेशित की स्थिति (एसओसी) या डिस्आवेशित की गहराई (डीओडी), बैटरी के आवेशित स्तर को इंगित करने के लिए
- स्वास्थ्य की स्थिति (एसओएच), मूल क्षमता के % के रूप में बैटरी की शेष क्षमता का विभिन्न प्रकार से परिभाषित माप
- बिजली की स्थिति (एसओपी), वर्तमान बिजली के उपयोग, तापमान और अन्य स्थितियों को देखते हुए एक निर्धारित समय अंतराल के लिए उपलब्ध बिजली की मात्रा
- सुरक्षा की स्थिति (एसओएस)
- आवेशित वर्तमान सीमा (सीसीएल) के रूप में अधिकतम आवेशित विद्युत धारा
- निर्वहन वर्तमान सीमा (डीसीएल) के रूप में अधिकतम डिस्आवेशित विद्युत धारा
- ऊर्जा [किलोवाट/घंटा] पिछले आवेशित या आवेशित चक्र के बाद से वितरित
- एक सेल का आंतरिक प्रतिबाधा (ओपन परिपथ वोल्टेज निर्धारित करने के लिए)
- आवेशित वितरित या संग्रहीत (कभी-कभी इस सुविधा को कूलम्ब काउंटर कहा जाता है)
- पहले उपयोग के बाद से वितरित कुल ऊर्जा
- पहले उपयोग के बाद से कुल परिचालन समय
- चक्रों की कुल संख्या
- तापमान पर्यवेक्षक
- हवा या तरल शीत बैटरी के लिए शीतलक प्रवाह
संचार
बीएमएस का केंद्रीय नियंत्रक आंतरिक रूप से अपने हार्डवेयर के साथ एक सेल स्तर पर संचालित होता है, या बाहरी रूप से उच्च स्तरीय हार्डवेयर जैसे लैपटॉप या प्रयोक्ता इंटरफ़ेस के साथ संचार करता है।[clarification needed]उच्च स्तरीय बाहरी संचार सरल हैं और कई विधियों का उपयोग करते हैं:[citation needed]
- विभिन्न प्रकार के सीरियल संचार।
- कैन बस संचार, सामान्यतः मोटर वाहन वातावरण में उपयोग किया जाता है।
- विभिन्न प्रकार के वायरलेस संचार।[4]
कम वोल्टेज केंद्रीकृत बीएमएस में ज्यादातर कोई आंतरिक संचार नहीं होता है।
वितरित या मॉड्यूलर बीएमएस को कुछ निम्न स्तर के आंतरिक सेल-कंट्रोलर (मॉड्यूलर आर्किटेक्चर) या कंट्रोलर-कंट्रोलर (डिस्ट्रीब्यूटेड आर्किटेक्चर) संचार का उपयोग करना चाहिए। इस प्रकार के संचार कठिन हैं, विशेष रूप से उच्च वोल्टेज प्रणालियों के लिए। समस्या सेल के बीच वोल्टेज बदलाव है। पहला सेल ग्राउंड सिग्नल अन्य सेल ग्राउंड सिग्नल की तुलना में सैकड़ों वोल्ट अधिक हो सकता है। सॉफ्टवेयर प्रोटोकॉल के अलावा, वोल्टेज शिफ्टिंग सिस्टम, ऑप्टो आइसोलेटर, ऑप्टिकल-आइसोलेटर और वायरलेस संचार के लिए हार्डवेयर संचार के दो ज्ञात तरीके हैं। आंतरिक संचार के लिए एक और प्रतिबंध सेल की अधिकतम संख्या है। मॉड्यूलर आर्किटेक्चर के लिए अधिकांश हार्डवेयर अधिकतम 255 नोड्स तक सीमित है। उच्च वोल्टेज सिस्टम के लिए सभी सेल की मांग का समय एक और प्रतिबंध है, न्यूनतम बस गति को सीमित करना और कुछ हार्डवेयर विकल्प खोना। मॉड्यूलर सिस्टम की लागत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसकी तुलना सेल की कीमत से की जा सकती है।[5] आंतरिक संचार के लिए कुछ विकल्पों में हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर प्रतिबंधों के संयोजन का परिणाम होता है:
- पृथक सीरियल संचार
- वायरलेस सीरियल संचार
विद्युत प्रवाह से ऊष्मा के कारण उपलब्ध यूएसबी केबलों की बिजली सीमाओं को बायपास करने के लिए, मोबाइल फ़ोन का आवेशित में उच्च वोल्टेज पर संचरण के लिए कार्यान्वित संचार प्रोटोकॉल विकसित किए गए हैं, जिनमें से सबसे व्यापक रूप से क्वालकॉम क्विक आवेशित और मीडियाटेक पंप एक्सप्रेस का उपयोग किया जाता है। ओप्पो द्वारा वूक (वनप्लस के साथ डैश आवेशित के रूप में भी ब्रांडेड) डिवाइस में उत्पन्न ऊष्मा को आंतरिक रूप से बैटरी के टर्मिनल आवेशन वोल्टेज में परिवर्तित करने के उद्देश्य से वोल्टेज के स्थान पर वर्तमान को बढ़ाता है, जो इसे उपलब्ध यूएसबी के साथ असंगत बनाता है। केबल और तदनुसार मोटे तांबे के तारों के साथ विशेष उच्च-वर्तमान यूएसबी केबल पर निर्भर करता है। हाल ही में, यूएसबी पॉवर डिलीवरी मानक का उद्देश्य 240 वाट तक के उपकरणों में एक सार्वभौमिक संचरण प्रोटोकॉल है।[6]
सुरक्षा
बीएमएस अपनी बैटरी को उसके सुरक्षित संचालन क्षेत्र के बाहर संचालन से रोक कर उसकी सुरक्षा कर सकता है, जैसे:[citation needed]
- ओवर-आवेशन
- ओवर-ऋणावेशन
- आवेशन के दौरान ओवर-विद्युत धारा
- डिस्आवेशित के दौरान ओवर-विद्युत धारा
- आवेशन के दौरान ओवर-वोल्टेज, विशेष रूप से लेड-एसिड, ली-आयन और लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी सेल के लिए महत्वपूर्ण
- ऋणावेशन के दौरान अंडर-वोल्टेज, विशेष रूप से ली-आयन और LiFePO4 सेल के लिए महत्वपूर्ण
- ज्यादा तापमान
- कम तापमान में आवेशित करना
- अधिक दबाव (एनआईएमएच बैटरी)
- ग्राउंड फॉल्ट या लीकेज विद्युत धारा डिटेक्शन (सिस्टम मॉनिटरिंग कि हाई वोल्टेज बैटरी किसी भी प्रवाहकीय वस्तु से विद्युत रूप से डिस्कनेक्ट हो जाती है, जिसे वाहन बॉडी की तरह उपयोग किया जा सकता है)
बीएमएस बैटरी के सुरक्षित संचालन क्षेत्र के बाहर संचालन को निम्न द्वारा रोक सकता है:
- एक आंतरिक बदलना (जैसे रिले या MOSFET) सहित, जो बैटरी के सुरक्षित संचालन क्षेत्र के बाहर संचालित होने पर खोला जाता है।
- उन उपकरणों से अनुरोध करना जिनसे बैटरी जुड़ी हुई है, बैटरी का उपयोग कम करना या यहां तक कि बंद करना या बैटरी आवेशित करना।
- पर्यावरण को हीटर, पंखे, एयर कंडीशनिंग या तरल शीतलन के माध्यम से सक्रिय रूप से नियंत्रित करना।
लोड परिपथ के लिए बैटरी कनेक्शन
एक बीएमएस में एक पूर्व आवेशित सिस्टम भी हो सकता है जिससे बैटरी को अलग-अलग लोड से कनेक्ट करने का सुरक्षित तरीका मिल सके और संधारित्र लोड करने के लिए अत्यधिक अशुभ धाराओं को समाप्त किया जा सके।
लोड से कनेक्शन को सामान्यतः विद्युत चुम्बकीय रिले के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है जिसे संपर्ककर्ता कहा जाता है। पूर्व आवेशित परिपथ या तो संधारित्र आवेशित होने तक लोड के साथ श्रृंखला में जुड़े पावर रेसिस्टर्स हो सकते हैं। वैकल्पिक रूप से, बैटरी और लोड परिपथ के बीच संपर्ककर्ताओं को बंद करने की अनुमति देने के लिए लोड परिपथ के वोल्टेज को बैटरी वोल्टेज के काफी करीब तक लोड परिपथ के वोल्टेज को आवेशित करने के लिए स्विच-मोड बिजली की आपूर्ति का उपयोग किया जा सकता है। एक बीएमएस में एक परिपथ हो सकता है जो यह जांच कर सकता है कि प्रीआवेशन (उदाहरण के लिए वेल्डिंग के कारण) से पहले एक रिले पहले से ही बंद है या नहीं, ताकि आने वाली धाराओं को रोका जा सके।
संतुलन
बैटरी की क्षमता को अधिकतम करने के लिए, और स्थानीयकृत अंडर-आवेशन या ओवर-आवेशन को रोकने के लिए, बीएमएस सक्रिय रूप से यह सुनिश्चित कर सकता है कि बैटरी बनाने वाली सभी सेल को संतुलन के माध्यम से एक ही वोल्टेज या आवेशित की स्थिति में रखा जाए। बीएमएस सेल को संतुलित कर सकता है:
- सबसे अधिक आवेशित सेल को विद्युत भार से जोड़कर ऊर्जा बर्बाद करना (जैसे निष्क्रिय बैटरी नियामक के माध्यम से)
- सबसे अधिक आवेशित किए गए सेल से सबसे कम आवेशित किए गए सेल में ऊर्जा को शफल करना (बैटरी बैलेंसर)
- आवेशन विद्युत धारा को पर्याप्त रूप से निम्न स्तर तक कम करना जो पूरी तरह आवेशित सेल को नुकसान नहीं पहुंचाएगा, जबकि कम आवेशित सेल आवेशित करना जारी रख सकते हैं (लिथियम केमिस्ट्री सेल पर लागू नहीं होता है)
टोपोलॉजी
बीएमएस तकनीक जटिलता और प्रदर्शन में भिन्न होती है:
- साधारण पैसिव रेगुलेटर सेल के वोल्टेज के एक निश्चित स्तर तक पहुंचने पर आवेशन विद्युत धारा को बायपास करके बैटरी या सेल में संतुलन प्राप्त करते हैं। सेल वोल्टेज सेल के एसओसी का एक खराब संकेतक है (और कुछ लिथियम केमिस्ट्री के लिए, जैसे कि लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी LiFePO
4, यह बिल्कुल भी संकेतक नहीं है), इस प्रकार, निष्क्रिय नियामकों का उपयोग करके सेल वोल्टेज को समान बनाना एसओसी को संतुलित नहीं करता है, जो कि बीएमएस का लक्ष्य है। इसलिए, ऐसे उपकरण, जबकि निश्चित रूप से लाभकारी होते हैं, उनकी प्रभावशीलता में गंभीर सीमाएँ होती हैं। - सक्रिय नियामक बुद्धिमानी से संतुलन प्राप्त करने के लिए उपयुक्त होने पर लोड को चालू और बंद कर देते हैं। यदि सक्रिय नियामकों को सक्षम करने के लिए केवल सेल वोल्टेज को एक पैरामीटर के रूप में उपयोग किया जाता है, तो निष्क्रिय नियामकों के लिए ऊपर उल्लिखित समान बाधाएं लागू होती हैं।
- एक पूर्ण बीएमएस एक डिस्प्ले को बैटरी की स्थिति की रिपोर्ट भी करता है, और बैटरी की सुरक्षा करता है।
बीएमएस टोपोलॉजी तीन श्रेणियों में आती है:
- केंद्रीकृत: एक नियंत्रक कई तारों के माध्यम से बैटरी सेल से जुड़ा होता है
- वितरित: बैटरी और नियंत्रक के बीच केवल एक संचार केबल के साथ, प्रत्येक सेल में एक बीएमएस बोर्ड स्थापित किया गया है
- मॉड्यूलर: नियंत्रकों के बीच संचार के साथ कुछ नियंत्रक, प्रत्येक एक निश्चित संख्या में सेल को संभालते हैं
केंद्रीकृत बीएमएस सबसे लाभप्रद, सबसे कम विस्तार योग्य हैं, और कई तारों से ग्रस्त हैं।
वितरित बीएमएस सबसे महंगे हैं, स्थापित करने में आसान हैं, और सबसे साफ असेंबली पेश करते हैं।
मॉड्यूलर बीएमएस अन्य दो टोपोलॉजी की सुविधाओं और समस्याओं का एक समझौता प्रदान करते हैं।
मोबाइल एप्लिकेशन (जैसे इलेक्ट्रिक वाहन) और स्टेशनरी एप्लिकेशन (जैसे सर्वर कक्ष में स्टैंड-बाय यूपीएस) में बीएमएस की आवश्यकताएं काफी भिन्न होती हैं, विशेष रूप से अंतरिक्ष और वजन की कमी की आवश्यकताओं से विशिष्ट उपयोग के लिए, इसलिए हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन के अनुरूप होना चाहिए। इलेक्ट्रिक या हाइब्रिड वाहनों के सन्दर्भ में, बीएमएस केवल एक सबसिस्टम है और एक स्टैंड-अलोन डिवाइस के रूप में काम नहीं कर सकता है। इसे कम से कम एक आवेशित (या आवेशन इंफ्रास्ट्रक्चर), एक लोड, ऊष्मीय प्रबंधन और आपातकालीन शटडाउन सबसिस्टम के साथ संचार करना चाहिए। इसलिए, एक अच्छे वाहन डिजाइन में बीएमएस उन सबसिस्टम के साथ मजबूती से एकीकृत होता है। कुछ छोटे मोबाइल एप्लिकेशन (जैसे चिकित्सा उपकरण गाड़ियां, मोटर चालित व्हीलचेयर, स्कूटर और फोर्क लिफ्ट) में प्रायः बाहरी आवेशन हार्डवेयर होते हैं, हालांकि ऑन-बोर्ड बीएमएस में अभी भी बाहरी आवेशक के साथ तंग डिजाइन एकीकरण होना चाहिए।
विभिन्न बैटरी संतुलन विधियों का उपयोग किया जा रहा है, उनमें से कुछ आवेश सिद्धांत की स्थिति पर आधारित हैं।
यह भी देखें
- बैटरी संतुलन
- स्मार्ट बैटरी
- बैटरी आवेशक
- प्रभारी नियंत्रक
संदर्भ
- ↑ Barsukov, Yevgen; Qian, Jinrong (May 2013). Battery Power Management for Portable Devices. ISBN 9781608074914.
- ↑ Liu, Huaqiang; Wei, Zhongbao; He, Weidong; Zhao, Jiyun (October 2017). "Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review". Energy Conversion and Management. 150: 304–330. doi:10.1016/j.enconman.2017.08.016. ISSN 0196-8904.
- ↑ 3.0 3.1 Chen, Dafen; Jiang, Jiuchun; Kim, Gi-Heon; Yang, Chuanbo; Pesaran, Ahmad (February 2016). "Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells". Applied Thermal Engineering. 94: 846–854. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015. ISSN 1359-4311.
- ↑ "Kapper ledninger for å gi lengre rekkevidde til elbiler". Teknisk Ukeblad. 2016-11-19. Retrieved 2016-11-20.
- ↑ "Different Battery Management System Topology".
- ↑ Article: Qualcomm Quick Charge vs OnePlus Warp Charge vs Oppo VOOC vs USB-PD – Battle of the fast charging technologies – TechPP, 9 April 2020
बाहरी संबंध
- Electropaedia on Battery Management Systems
- NREL Energy Storage Systems Evaluation
- Modular Approach for Continuous Cell-Level Balancing to Improve Performance of Large Battery Packs, National Renewable Energy Laboratory, September 2014
- A Modular Battery Management System for HEVs, National Renewable Energy Laboratory, 2002
