ระบบจัดการแบตเตอรี่ ( BMS ) คือระบบอิเล็กทรอนิกส์ใดๆ ที่จัดการแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ ( เซลล์หรือชุดแบตเตอรี่ ) โดยอำนวยความสะดวกในการใช้งานอย่างปลอดภัยและยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ในสถานการณ์จริง พร้อมทั้งตรวจสอบและประเมินสถานะต่างๆ (เช่นสถานะสุขภาพและสถานะการชาร์จ ) ^{[ 1 ]}คำนวณข้อมูลรอง รายงานข้อมูล ควบคุมสภาพแวดล้อม ตรวจสอบความถูกต้อง หรือปรับสมดุล^{[ 2 ]}

โมดูลวงจรป้องกัน ( PCM ) เป็นทางเลือกที่ง่ายกว่า BMS ^{[ 3 ]}

ชุดแบตเตอรี่ที่สร้างขึ้นพร้อมกับ BMS ที่มีบัสข้อมูล การสื่อสารภายนอก เรียกว่าชุดแบตเตอรี่อัจฉริยะชุดแบตเตอรี่อัจฉริยะต้องชาร์จด้วยเครื่องชาร์จแบตเตอรี่อัจฉริยะ^{[ 1 ] [ 4 ]}

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อาจตรวจสอบสถานะของแบตเตอรี่โดยแสดงผ่านรายการต่างๆ เช่น:

• แรงดันไฟฟ้า : แรงดันไฟฟ้ารวม แรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์ หรือแรงดันไฟฟ้าของจุดวัดเป็นระยะๆ
• อุณหภูมิ : อุณหภูมิเฉลี่ย, อุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นขาเข้า, อุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นขาออก หรืออุณหภูมิของแต่ละเซลล์
• การไหลของสารหล่อเย็น: สำหรับแบตเตอรี่ระบายความร้อนด้วยของเหลว
• กระแสไฟฟ้า : กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าหรือออกจากแบตเตอรี่
• สุขภาพของเซลล์แต่ละเซลล์
• สภาวะสมดุลของเซลล์

• ระบบ BMS จะควบคุมการชาร์จแบตเตอรี่โดยการเปลี่ยนเส้นทางพลังงานที่กู้คืนได้ (เช่น จากการเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืน ) กลับไปยังชุดแบตเตอรี่ (โดยทั่วไปประกอบด้วยโมดูลแบตเตอรี่หลายโมดูล แต่ละโมดูลประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์)

ระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่อาจเป็นแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟ และตัวกลางในการระบายความร้อนอาจเป็นอากาศ ของเหลว หรือการเปลี่ยนสถานะบางรูปแบบ^{[ 5 ]}การระบายความร้อนด้วยอากาศมีข้อดีคือความเรียบง่าย ระบบดังกล่าวอาจเป็นแบบพาสซีฟ โดยอาศัยเพียงการพาความร้อนของอากาศโดยรอบ หรือแบบแอคทีฟ โดยใช้พัดลมเพื่อสร้างกระแสลม ในเชิงพาณิชย์ Honda Insight และ Toyota Prius ต่างก็ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบแอคทีฟสำหรับระบบแบตเตอรี่ของตน^{[ 6 ]}ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของการระบายความร้อนด้วยอากาศคือประสิทธิภาพต่ำ ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการทำงานของกลไกการระบายความร้อน ซึ่งมากกว่าการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแอคทีฟมาก^{[ 7 ]}ส่วนประกอบเพิ่มเติมของกลไกการระบายความร้อนยังเพิ่มน้ำหนักให้กับ BMS ซึ่งลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ใช้ในการขนส่ง

การระบายความร้อนด้วยของเหลวมีศักยภาพในการระบายความร้อนตามธรรมชาติที่สูงกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ เนื่องจากของเหลวหล่อเย็นมักมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าอากาศ แบตเตอรี่สามารถจุ่มลงในของเหลวหล่อเย็นโดยตรง หรือของเหลวหล่อเย็นสามารถไหลผ่าน BMS โดยไม่ต้องสัมผัสกับแบตเตอรี่โดยตรง การระบายความร้อนทางอ้อมอาจทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิสูงใน BMS เนื่องจากความยาวของช่องระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้น สามารถลดปัญหานี้ได้โดยการสูบของเหลวหล่อเย็นผ่านระบบให้เร็วขึ้น ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วในการสูบและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ^{[ 7 ]}

นอกจากนี้ BMS อาจคำนวณค่าตามรายการที่ระบุไว้ด้านล่าง เช่น: ^{[ 1 ] [ 4 ]}

• แรงดันไฟฟ้า : แรงดันไฟฟ้าเซลล์ต่ำสุดและสูงสุด
• สถานะการชาร์จ (SoC) หรือระดับการคายประจุ (DoD) เพื่อแสดงระดับการชาร์จของแบตเตอรี่
• สถานะสุขภาพ (State of healthหรือ SoH) คือการวัดความจุที่เหลืออยู่ของแบตเตอรี่ในรูปเศษส่วนของความจุเดิม ซึ่งมีการนิยามไว้หลายแบบ
• สถานะพลังงาน (State of power: SoP) คือปริมาณพลังงานที่พร้อมใช้งานในช่วงเวลาที่กำหนด โดยพิจารณาจากปริมาณการใช้พลังงานในปัจจุบัน อุณหภูมิ และสภาวะอื่นๆ
• สถานะความปลอดภัย (SOS)
• กระแสประจุสูงสุดเป็นขีดจำกัดกระแสประจุ (CCL)
• กระแสปล่อยประจุสูงสุดเป็นขีดจำกัดกระแสปล่อยประจุ (DCL)
• พลังงานที่ส่งมอบนับตั้งแต่การชาร์จครั้งล่าสุดหรือรอบการชาร์จครั้งล่าสุด
• อิมพีแดนซ์ภายในของเซลล์ (เพื่อหาค่าแรงดันไฟฟ้าวงเปิด)
• ประจุที่ส่งหรือเก็บสะสม (บางครั้งคุณสมบัตินี้เรียกว่าการนับคูลอม บ์ )
• ระยะเวลาการใช้งานทั้งหมดนับตั้งแต่เริ่มใช้งานครั้งแรก
• จำนวนรอบทั้งหมด
• การตรวจสอบอุณหภูมิ
• อัตราการไหลของสารหล่อเย็นสำหรับแบตเตอรี่ระบายความร้อนด้วยอากาศหรือของเหลว

ตัวควบคุมส่วนกลางของระบบ BMS จะสื่อสารภายในกับฮาร์ดแวร์ที่ทำงานในระดับเซลล์ หรือ สื่อสาร ภายนอกกับฮาร์ดแวร์ระดับสูง เช่น แล็ปท็อป หรือHMI

การสื่อสารภายนอกระดับสูงนั้นเรียบง่ายและใช้หลายวิธี:

• การ สื่อสารแบบอนุกรมประเภทต่างๆ
• ระบบสื่อสาร CAN busเป็นระบบที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมยานยนต์
• การ สื่อสารไร้สายประเภทต่างๆ^{[ 8 ]}

ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบรวมศูนย์แรงดันต่ำส่วนใหญ่ไม่มีการสื่อสารภายในใดๆ

ระบบ BMS แบบกระจายหรือแบบโมดูลาร์ต้องใช้การสื่อสารภายในระดับต่ำระหว่างเซลล์กับตัวควบคุม (สถาปัตยกรรมแบบโมดูลาร์) หรือระหว่างตัวควบคุมกับตัวควบคุม (สถาปัตยกรรมแบบกระจาย) การสื่อสารประเภทนี้ทำได้ยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบแรงดันสูง ปัญหาคือการเปลี่ยนแปลงแรงดันระหว่างเซลล์ สัญญาณกราวด์ของเซลล์แรกอาจสูงกว่าสัญญาณกราวด์ของเซลล์อื่นหลายร้อยโวลต์ นอกเหนือจากโปรโตคอลซอฟต์แวร์แล้ว ยังมีวิธีการสื่อสารฮาร์ดแวร์ที่เป็นที่รู้จักสองวิธีสำหรับระบบที่มีการเปลี่ยนแปลงแรงดัน ได้แก่ตัวแยกแสงและการสื่อสารไร้สายข้อจำกัดอีกประการหนึ่งสำหรับการสื่อสารภายในคือจำนวนเซลล์สูงสุด สำหรับสถาปัตยกรรมแบบโมดูลาร์ ฮาร์ดแวร์ส่วนใหญ่จำกัดอยู่ที่โหนดสูงสุด 255 โหนด สำหรับระบบแรงดันสูง เวลาในการค้นหาเซลล์ทั้งหมดเป็นข้อจำกัดอีกประการหนึ่ง ซึ่งจำกัดความเร็วบัสขั้นต่ำและทำให้สูญเสียตัวเลือกฮาร์ดแวร์บางอย่าง ต้นทุนของระบบโมดูลาร์มีความสำคัญ เนื่องจากอาจเทียบได้กับราคาเซลล์^{[ 9 ]}การรวมกันของข้อจำกัดของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ส่งผลให้มีตัวเลือกการสื่อสารภายในเพียงไม่กี่อย่าง:

• การสื่อสารแบบอนุกรมที่แยกออกจากกัน
• การสื่อสารแบบอนุกรมไร้สาย

เพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดด้านพลังงานของสาย USB ที่มีอยู่เนื่องจากความร้อนจากกระแสไฟฟ้า จึงมีการพัฒนาโปรโตคอลการสื่อสารที่ใช้ในที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือเพื่อเจรจาแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งโปรโตคอลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือQualcomm Quick ChargeและMediaTek Pump Express " VOOC " ของ Oppo (หรือที่รู้จักในชื่อ "Dash Charge" กับ "OnePlus") เพิ่มกระแสไฟฟ้าแทนที่จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า โดยมีเป้าหมายเพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์จากการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นภายในให้เหลือแรงดันไฟฟ้าสำหรับชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งอย่างไรก็ตามทำให้ไม่สามารถใช้งานร่วมกับสาย USB ที่มีอยู่ได้ และต้องใช้สาย USB กระแสสูงพิเศษที่มีสายทองแดงหนาขึ้นตามไปด้วย ล่าสุด มาตรฐาน USB Power Deliveryมีเป้าหมายที่จะใช้โปรโตคอลการเจรจาแบบสากลในอุปกรณ์ต่างๆ ที่มีกำลังไฟสูงสุดถึง 240 วัตต์^{[ 10 ]}

BMS อาจปกป้องแบตเตอรี่โดยป้องกันไม่ให้ทำงานนอกพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยเช่น: ^{[ 1 ] [ 11 ]}

• การคิดค่าบริการเกิน
• การคายประจุมากเกินไป
• กระแสไฟเกินขณะชาร์จ
• กระแสไฟเกินขณะคายประจุ
• แรงดันไฟฟ้าเกินขณะชาร์จ เป็นปัญหาสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่ ลิเธียมเหล็ก _{ฟอสเฟต} (LiFePO4 )
• แรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไปในระหว่างการคายประจุ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่ ลิเธียมเหล็ก _{ฟอสเฟต (LiFePO4)}
• อุณหภูมิสูงเกินไป
• อุณหภูมิต่ำกว่าปกติ
• แรงดันเกิน ( แบตเตอรี่NiMH )
• การตรวจจับกระแสไฟรั่วลงดินหรือกระแสไฟลัดวงจร (ระบบตรวจสอบว่าแบตเตอรี่แรงดันสูงถูกตัดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าจากวัตถุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่สามารถสัมผัสได้ เช่น ตัวถังรถ)

ระบบ BMS อาจป้องกันการทำงานนอกช่วงการทำงานที่ปลอดภัยของแบตเตอรี่โดย:

• รวมถึง สวิตช์ภายใน(เช่นรีเลย์หรือMOSFET ) ซึ่งจะตัดการทำงานหากแบตเตอรี่ถูกใช้งานนอกช่วงการทำงานที่ปลอดภัย
• สั่งให้อุปกรณ์ลดหรือหยุดการใช้งานหรือการชาร์จแบตเตอรี่
• การควบคุมสภาพแวดล้อมอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น การใช้เครื่องทำความร้อน พัดลม เครื่องปรับอากาศ หรือระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว
• ลดความเร็วของโปรเซสเซอร์เพื่อลดความร้อน

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อาจมีระบบชาร์จล่วงหน้า ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมต่อแบตเตอรี่กับโหลดต่างๆ ได้อย่างปลอดภัย และกำจัดกระแสไฟกระชากที่มากเกินไปในตัวเก็บประจุของโหลด

โดยปกติแล้ว การเชื่อมต่อกับโหลดจะถูกควบคุมผ่านรีเลย์แม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่าคอนแทคเตอร์ วงจรการชาร์จล่วงหน้าอาจเป็นตัวต้านทานกำลังที่ต่ออนุกรมกับโหลดจนกว่าตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จ หรือ อาจใช้ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดที่ต่อขนานกับโหลดเพื่อชาร์จแรงดันไฟฟ้าของวงจรโหลดให้มีระดับใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่มากพอที่จะทำให้คอนแทคเตอร์ระหว่างแบตเตอรี่และวงจรโหลดปิดได้ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อาจมีวงจรที่สามารถตรวจสอบว่ารีเลย์ปิดอยู่แล้วหรือไม่ก่อนที่จะทำการชาร์จใหม่ (เช่น เนื่องจากการเชื่อมโลหะ) เพื่อป้องกันกระแสไฟกระชาก

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานแบตเตอรี่ให้สูงสุด และป้องกันการชาร์จไฟเกินหรือต่ำเกินไปเฉพาะจุด ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อาจทำการปรับสมดุลเพื่อให้เซลล์ทั้งหมดที่ประกอบเป็นแบตเตอรี่มีแรงดันไฟฟ้าหรือสถานะการชาร์จเท่ากัน โดย BMS สามารถปรับสมดุลเซลล์ได้โดย:

• ระบายพลังงานออกจากเซลล์ที่มีประจุมากที่สุดโดยการเชื่อมต่อเข้ากับโหลด (เช่น ผ่านตัวควบคุม แบบพาสซีฟ )
• การกระจายพลังงานจากเซลล์ที่มีประจุมากที่สุดไปยังเซลล์ที่มีประจุน้อยที่สุด ( ตัวปรับสมดุล )
• ลดกระแสไฟชาร์จลงให้อยู่ในระดับที่ต่ำพอที่จะไม่ทำให้แบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มแล้วเสียหาย ในขณะที่แบตเตอรี่ที่มีประจุเหลือน้อยอาจยังคงชาร์จต่อไปได้ (ไม่适用于แบตเตอรี่ลิเธียม)

เครื่องชาร์จบางรุ่นใช้การปรับสมดุลโดยการชาร์จแต่ละเซลล์แยกกัน ซึ่งมักจะดำเนินการโดย BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่) ไม่ใช่เครื่องชาร์จ (ซึ่งโดยทั่วไปจะจ่ายกระแสไฟชาร์จรวมเท่านั้น และไม่โต้ตอบกับชุดแบตเตอรี่ในระดับกลุ่มเซลล์) เช่น เครื่องชาร์จ จักรยานไฟฟ้าและโฮเวอร์บอร์ดในวิธีนี้ BMS จะร้องขอกระแสไฟชาร์จที่ต่ำกว่า (เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า) หรือจะปิดการป้อนกระแสไฟชาร์จ (โดยทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา) โดยใช้ วงจร ทรานซิสเตอร์ในขณะที่การปรับสมดุลกำลังทำงานอยู่ (เพื่อป้องกันการชาร์จเซลล์มากเกินไป)

เทคโนโลยี BMS มีความซับซ้อนและประสิทธิภาพแตกต่างกันไป:

• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบพาสซีฟอย่างง่ายจะช่วยปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าระหว่างแบตเตอรี่หรือเซลล์โดยการตัดกระแสไฟชาร์จเมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ถึงระดับที่กำหนด แรงดันไฟฟ้าของเซลล์เป็นตัวบ่งชี้ที่ไม่ดีสำหรับสถานะการชาร์จ (และสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมบางชนิด เช่นLiFePO4)₄(ซึ่งไม่ใช่ตัวบ่งชี้ใดๆ เลย) ดังนั้น การทำให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์เท่ากันโดยใช้ตัวควบคุมแบบพาสซีฟจึงไม่ทำให้ค่า SoC สมดุล ซึ่งเป็นเป้าหมายของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์ดังกล่าว แม้จะมีประโยชน์ แต่ก็มีข้อจำกัดอย่างมากในด้านประสิทธิภาพ
• ตัวควบคุมแบบแอคทีฟจะเปิดและปิดโหลดอย่างชาญฉลาดเมื่อเหมาะสม เพื่อให้เกิดความสมดุล หากใช้เพียงแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เป็นพารามิเตอร์ในการเปิดใช้งานตัวควบคุมแบบแอคทีฟ ข้อจำกัดต่างๆ ที่กล่าวไว้ข้างต้นสำหรับตัวควบคุมแบบพาสซีฟก็จะยังคงใช้ได้อยู่
• ระบบ BMS ที่สมบูรณ์แบบยังสามารถรายงานสถานะของแบตเตอรี่ไปยังหน้าจอแสดงผล และปกป้องแบตเตอรี่ได้อีกด้วย

โครงสร้าง BMS สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท:

• แบบรวมศูนย์: ตัวควบคุมเพียงตัวเดียวเชื่อมต่อกับเซลล์แบตเตอรี่ผ่านสายไฟจำนวนมาก
• แบบกระจาย: แผงวงจร BMS จะถูกติดตั้งที่แต่ละเซลล์ โดยมีเพียงสายเคเบิลสื่อสารเส้นเดียวเชื่อมระหว่างแบตเตอรี่และตัวควบคุม
• แบบแยกส่วน: ประกอบด้วยตัวควบคุมไม่กี่ตัว แต่ละตัวจัดการเซลล์จำนวนหนึ่ง โดยมีการสื่อสารระหว่างตัวควบคุมเหล่านั้น

ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบรวมศูนย์ (Centralized BMS) เป็นระบบที่ประหยัดที่สุด ขยายได้น้อยที่สุด และมีปัญหาเรื่องสายไฟจำนวนมาก ส่วนระบบจัดการแบตเตอรี่แบบกระจาย (Distributed BMS) เป็นระบบที่แพงที่สุด ติดตั้งง่ายที่สุด และประกอบได้เรียบร้อยที่สุด ขณะที่ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบโมดูลาร์ (Modular BMS) เป็นการประนีประนอมระหว่างคุณสมบัติและปัญหาของทั้งสองแบบข้างต้น

ข้อกำหนดสำหรับระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ในแอปพลิเคชันแบบเคลื่อนที่ (เช่น รถยนต์ไฟฟ้า) และแอปพลิเคชันแบบอยู่กับที่ (เช่น UPS สำรองในห้องเซิร์ฟเวอร์ ) นั้นแตกต่างกันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านข้อจำกัดด้านพื้นที่และน้ำหนัก ดังนั้นการออกแบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์จึงต้องปรับให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะนั้น ในกรณีของรถยนต์ไฟฟ้าหรือรถยนต์ไฮบริด ระบบ BMS เป็นเพียงระบบย่อยและไม่สามารถทำงานเป็นอุปกรณ์แบบเดี่ยวได้ ต้องสื่อสารกับอย่างน้อยที่สุด เครื่องชาร์จ (หรือโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ) โหลด การจัดการความร้อน และระบบปิดระบบฉุกเฉิน ดังนั้นในการออกแบบยานยนต์ที่ดี ระบบ BMS จึงต้องบูรณาการอย่างแน่นหนากับระบบย่อยเหล่านั้น แอปพลิเคชันแบบเคลื่อนที่ขนาดเล็กบางอย่าง (เช่น รถเข็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ รถเข็นคนพิการแบบใช้มอเตอร์ สกูเตอร์ และรถยก) มักจะมีฮาร์ดแวร์การชาร์จภายนอก อย่างไรก็ตาม ระบบ BMS บนตัวรถยังคงต้องมีการออกแบบที่บูรณาการอย่างแน่นหนากับเครื่องชาร์จภายนอก

มีการใช้วิธีการปรับสมดุลแบตเตอรี่หลายวิธี ซึ่งบางวิธีนั้นอิงตาม ทฤษฎี สถานะการชาร์จ

• การปรับสมดุลแบตเตอรี่
• แบตเตอรี่อัจฉริยะ
• เครื่องชาร์จแบตเตอรี่
• ตัวควบคุมการชาร์จ

• แนวทางแบบโมดูลาร์สำหรับการปรับสมดุลระดับเซลล์อย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติกันยายน 2557