مدیریت باتری با استفاده از یک SoC مبتنی بر هوش مصنوعی

باتری‌های لیتیومی-یونی (Li-ion) مدت‌هاست که از بهترین و محبوب‌ترین باتری‌ها در صنعت الکترونیک به حساب می‌آیند. این باتری‌ها ظرفیت ذخیره انرژی بسیار زیاد و همچنین میزان تخلیه خود به خودی متوسطی دارند. به علاوه این باتری‌ها بعد از هر بار شارژ و تخلیه کمی از ظرفیت خود را از دست می‌دهند. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های باتری‌های لیتیوم-یونی این است که بعد از هزاران چرخه شارژ-تخلیه دچار خرابی‌های قابل‌توجهی نمی‌شوند.

با وجود این ویژگی‌ها و همچنین کاربردهایی که در خودروهای برقی (EVs) دارند، باتری‌های لیتیومی-یونی ممکن است بسیار خطرناک باشند. به همین دلیل باید این باتری‌ها را توسط یک سیستم مدیریت باتری (BMS) به دقت کنترل کرد تا بتوان به صورت ایمن و مطمئن بیشترین استفاده را از این باتری‌ها کرد.

شرکت Eatron Technologies برای بهبود مدیریت باتری‌ها و اندازه‌گیری دقیق‌تر عملکرد آن‌ها در زمان واقعی، یک سیستم مدیریت باتری روی تراشه (BMS-on-chip یا SoC) تولید کرده است. شرکت Eatron Technologies این کار را با همکاری یک استارتاپ آمریکایی به نام Syntiant که در زمینه هوش مصنوعی فعالیت می‌کند، انجام داده است.

پردازنده عصبی تصمیم‌گیری (NDP)

شرکت Eatron Technologies این نرم‌افزار هوشمند مدیریت باتری (BMS) را درون پردازنده عصبی تصمیم‌گیری (NDP) تعبیه کرده تا به طور مداوم ارزیابی‌های دقیقی از سطح شارژ باقی‌مانده انجام دهد. Eatron مدعی است که NDP120 می‌تواند آخرین مدل‌های هوش مصنوعی را روی دستگاه ران کند. با استفاده از این فناوری می‌توان تا 10 درصد بیشتر از توان مفید باتری استفاده کرد، بدون اینکه نیازی به تغییر ساختار شیمیایی سلول‌های باتری یا ساختار فیزیکی باتری باشد.

این سیستم روی تراشه هوش مصنوعی (AI SoC) می‌تواند کارهای پیچیده‌ای مانند تشخیص رسوب لیتیوم را انجام دهد. رسوب لیتیوم در باتری‌های لیتیوم-یونی منجر به کاهش ظرفیت باتری یا حتی خرابی آن می‌شود. این سیستم به لطف هوش مصنوعی می‌تواند وضعیت داخلی باتری را با دقت بالا بررسی کند و مشکلات بالقوه را قبل از آنکه به خرابی‌های جدی تبدیل شوند، تشخیص دهد. به این صورت می‌توان تا حد زیادی از کاهش عملکرد باتری یا خرابی آن جلوگیری کرد.

نرم‌افزار مدیریت باتری (BMS)

نرم‌افزار مدیریت باتری (BMS) Eatron همچنین می‌تواند وضعیت سلامت کلی باتری و مدت زمانی که باتری عملکرد مفیدی خواهد داشت را پیش‌بینی کند. این قابلیت‌ها عمر مفید باتری را تا 25 درصد افزایش می‌دهند.

سیستم مدیریت باتری (BMS) نقشی مهمی در کنترل باتری‌های دستگاه‌های مختلف دارد. BMS به طور کلی دو کار مهم انجام می‌دهد:

کنترل وضعیت شارژ (SOC)
کنترل وضعیت سلامت (SOH)

نکته مهم این است که محاسبه دقیق این دو مورد به دلیل پیچیدگی‌های شیمیایی، الکتریکی و فیزیکی باتری، کار آسانی نیست. برخلاف دستگاه‌های دیگر که می‌توان پارامترها را مستقیماً اندازه‌گیری کرد،SOC و SOH را باید از طریق بررسی و تجزیه و تحلیل آنچه در داخل باتری اتفاق می‌افتد، برآورد کرد.

(SOH) بیشتر بر اساس همان عواملی که وضعیت شارژ (SOC) را تعیین می‌کنند، ارزیابی می‌شود. در SOH به عمر باتری، تعداد چرخه‌های شارژ و تخلیه‌ و دماهای مختلفی که باتری در طول زمان متحمل شده توجه می‌شود.

وضعیت شارژ (SOC) با چک کردن ولتاژ و جریانی که به سلول‌های باتری وارد یا از آن‌ها خارج می‌شوند، به همراه مقاومت و دیگر ویژگی‌ها بررسی می‌شود.

عملکرد سیستم BMS

در سیستم‌های مدیریت باتری (BMS)، وضعیت باتری از طریق سنسورهای جریان، ولتاژ و دما که هم در سلول و هم روی باتری نصب شده‌اند، به دقت کنترل می‌شود. این سنسورها معمولاً به مدار مجتمع مدیریت باتری (IC) متصل هستند که از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای تبدیل ولتاژ به داده‌های دیجیتال استفاده می‌کنند. این IC های آنالوگ همچنین سلول‌ها را بالانس می‌کند و یک ارتباط ایزوله با واحد کنترل مرکزی (MCU) در سیستم BMS برقرار می‌کند. واحد کنترل مرکزی با استفاده از فیدبک‌های دریافت ‌شده از باتری، وضعیت شارژ و تخلیه باتری را بهینه‌سازی می‌کند تا عملکرد باتری به حداکثر برسد.

فرار حرارتی چیست و BMS چگونه آن را کنترل می کند؟

BMS باید به خوبی از وضعیت باتری و نحوه عملکرد سلول‌ها آگاه باشد تا بتواند از بروز خطرات احتمالی جلوگیری کند. شارژ بیش از حد یا ناکافی به ساختار داخلی باتری آسیب می‌زند و عمر مفید باتری را کاهش می‌دهد. یکی از جدی‌ترین خطرات در باتری‌های لیتیوم-یونی، پدیده فرار حرارتی است که در صورت آسیب دیدن سلول‌های باتری، منجر به گرم شدن غیر قابل‌ کنترل و در نهایت آتش‌سوزی می‌شود؛ بنابراین، BMS با کنترل دقیق این عوامل به حفظ ایمنی در استفاده از باتری کمک می‌کند.

تنظیم دما

یکی دیگر از کارهایی که سیستم مدیریت باتری (BMS) انجام می‌دهد، تنظیم تغییرات دما درون و بیرون باتری است. دلیل این است که اگر باتری در معرض گرما و سرما قرار بگیرد، عملکرد کلی و عمر مفید آن کاهش می‌یابد.

مدار مجتمع مدیریت باتری (BMS IC)

سیستم مدیریت باتری (BMS) باید مقدار شارژ باقی‌مانده باتری را به دقت اندازه‌گیری کند تا وضعیت شارژ (SOC) را در محدوده ایمن (SOA) نگه دارد و بتواند حداکثر و حداقل میزان شارژ و تخلیه را تعیین ‌کند. این چیپ به طور مستقیم جریان، ولتاژ و دما را اندازه‌گیری نمی‌کند و به همین دلیل از لحاظ فنی یک مدار مجتمع مدیریت باتری (BMS IC) به حساب نمی‌آید. کاری که این چیپ می‌کند، ران کردن نرم‌افزار هوشمند ایترون (ISL) است که داده‌های باتری را پردازش می‌کند. در واقع به عنوان یک پردازنده کمکی برای BMS عمل می‌کند.

ایترون مدعی است که این نرم‌افزار در طول عمر باتری و در دماهای مختلف دقت بالایی دارد. این چیپ قادر است مقدار شارژ باقی‌مانده باتری را با دقت تا 1% اندازه‌گیری کند. این موضوع به طور خاص در باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) و نیکل-منگنز-کبالت (NMC) که در خودروهای برقی با ولتاژ بالا استفاده می‌شوند، اهمیت دارد. سیستم مدیریت باتری (BMS) معمولاً به گونه‌ای عمل می‌کند که باتری‌ها کاملاً پر یا کاملاً تخلیه نشوند. به این صورت وضعیت شارژ (SOC) در محدوده‌ای ایمن نگه داشته می‌شود.

ایترون اعلام کرده که این چیپ هوش مصنوعی علاوه بر اینکه انرژی کمی مصرف می‌کند، می‌تواند مدیریت و کنترل باتری را به‌طور مستقیم و بدون نیاز به فضای ابری انجام دهد. نرم‌افزار هوشمند ایترون را (ISL) هم می‌توان بر روی دستگاه و هم در فضای ابری استفاده کرد. به علاوه می‌توان آن را روی سیستم‌های مدیریت باتری موجود هم پیاده‌سازی کرد.

منبع : electronicdesign