battery management system یا به اختصار BMS در واقع یک برد الکترونیکی است که برای نظارت بر عملکرد یک پک باتری طراحی شده است. این برد کنترل شارژ و دشارژ BMS وظیفه نظارت و کنترل بر ولتاژ سلولهای باتری، جریان خروجی، جریان شارژ و دمای سلولهای باتری را دارد.
وظایف برد کنترل شارژ یا BMS :
- نظارت بر باتری
- حفاظت از باتری
- تخمین وضعیت عملکرد باتری
- بهینه سازی مداوم عملکرد باتری
- گزارش وضعیت باتری به دستگاههای خارجی
در اینجا منظور از باتری کل پک باتری است. با این حال عملکرد BMS در نظارت و کنترل روی تک تک سلولها و گروههای باتری که به صورت سری و موازی در پک باتری وجود دارند اعمال میشود. در حال حاظر معمولا بردهای کنترل شارژ یا BMS بیشتر برای پک های لیتیومی اعم از Li-ion لیتیوم یون ، Li-po لیتیوم پلیمر و LiFePO4 لیتیوم فسفات آهن استفاده میشوند.
انواع برد کنترل شارژ BMS به لحاظ نوع باتری
- Li-ion BMS
- LiFePO4 BMS
در حال حاظر باتری های مبتنی بر لیتیوم به دلیل وزن پایین ، چگالی انرژی بالا و طول عمر نسبتا طولانی، جایگاه نخست را در بین انواع باتری در صنعت و خودرو سازی به خود اختصاص داده اند. انواع خودروهای برقی، لپ تاپها، موبایل، جاروهای شارژی و ابزارآلات قابل شارژ جدید همگی از باتریهای لیتیوم یونی و لیتیوم فسفات آهن استفاده میکنند.
این باتریها به غیر از مزیتهای زیادی که دارند، قیمت نسبتا بالا و خطرات زیادی را نیز میتوانند متوجه ما کنند. این خطرات کمترینشان ضرر مالی است و در موارد شدیدتر میتواند صدمات جبران ناپذیری از جمله انفجار، آتشسوزی، سقوط هواپیما، غرق شدن کشتی و ... نیز بشود. این موارد همگی به دلیل سهل انگاری و خطای انسانی چندین بار اتفاق افتاده است. اینجاست که لزوم و اهمیت استفاده از سیستمهای مدیریت باتری مشخص میشود. بردهای کنترل شارژ و دشارژ میتوانند در صورت اتصال کوتاه اتفاقی جریان را قطع کنند و مانع از یک فاجعه آتشسوزی بشوند.
سیستمهای مدیریت باتری چگونه کار میکنند؟
اصول کارکرد انواع بردهای کنترل شارژ BMS با هم متفاوت است و طراحان مختلف پارامترهای مختلفی را در سیستم خود میگنجانند. اما به طور کلی سیستم های مدیریت باتری BMS بر دو عامل اصلی نظارت و کنترل میکنند. اول حفاظت الکتریکی که به باتری اجازه نمیدهد خارج از محدوده ولتاژ و جریان امن safe operating area (SOA) فعالیت کند و آسیب ببیند. و دومین وظیفه اصلی سیستمهای مدیریت باتری حفاظت حرارتی از باتری است که با روشهای اکتیو و پسیو جلوی خروج پک باتری از محدوده امن SOA و آسیب دیدن باتری را میگیرد.
محافظت الکتریکی : جریان
هر پک باتری لیتیومی بسته به نوع سلول و طراحی پک باتری دارای مشخصات خاصی از جریان خروجی دایم، جریان لحظه ای و جریان شارژ است. یکی از وظایف سیستم مدیریت باتری، همین نظارت بر این جریانها و کنترل آنهاست. برد کنترل شارژ یا BMS با کنترل جریان شارژ و دشارژ از خروج پک باتری از محدوده امن safe operating area (SOA) جلوگیری کرده و سلامت باتری را از این لحاظ تضمین میکند. سیستم مدیریت باتری معمولا با محدود کردن و کنترل ولتاژ از خروج جریان از محدوده امن جلوگیری میکند. تصویر زیر محدوده امن شارژ و دشارژ یک باتری لیتیومی را نشان میدهد و یک BMS با طراحی خوب میتواند از خروج جریان شارژ و دشارژ از محدوده توصیه شده توسط کارخانه سازنده ممانعت کرده و از آسیب رسیدن به باتری جلوگیری کند. در بسیاری موارد محدود کردن جریان شارژ و دشارژ در محدوده امن باعث افزایش قابل توجه عمر باتری شما خواهد شد. 
در نظر داشته باشید که حد اکثر جریان شارژ و دشارژ در سلولهای باتری مختلف متفاوت است و در طراحی یا انتخاب برد کنترل شارژ یا BMS این نکته را در نظر بگیرید و نکته دوم این است که گاها بایستی اجازه بالا رفتن جریان را تا جریان پیک دشارژ در مواقع خاص به دستگاه بدهیم. مثلا یک کواد کوپتر در زمان بلند شدن از زمین یا یک وسیله نقلیه در زمان سبقت یا شروع حرکت به جریان بالایی نیاز دارد و قطع جریان در این مواقع میتواند باعث حادثه و خسارت بشود.
محافظت الکتریکی : ولتاژ
انواع باتریها از لحاظ تکنولوژی شیمیایی با یکدیگر متفاوت هستند و بر همین اساس بازه ولتاژ آنها نیز متفاوت است. مثلا در باتریهای لیتیوم یونی این بازه ولتاژ از 2.5 ولت تا 4.2 ولت است. یعنی حد پایین شارژ 2.5 ولت و حد بالای شارژ 4.2 ولت است. بدهیهی است که تجاوز از این بازه های ولتاژ باعث آسیب رسیدن به باتری میشود. یکی دیگر از وظایف بردهای کنترل شارژ PCM نظارت و کنترل این بازه های ولتاژ است. مثلا در یک پک باتری 6 سلولی لیتیوم یون حد بالای شارژ 25.2 ولت (6*4.2) و حد پایین شارژ 15 ولت (6*2.5) میباشد. بنابر این در زمان شارژ باتری برد PCM جریان را روی ولتاژ 25.2 ولت قطع میکند و در زمان دشارژ اجازه پایین آمدن ولتاژ از سطح 15 ولت را نمیدهد. در مورد سایر تکنولوژیهای باتری لیتیوم پلیمر رفتاری مشابه لیتیوم یون دارد. و در مورد باتریهای لیتیوم فسفات آهن LiFePO4 این بازه ولتاژ بین 2.5 ولت تا 3.65 ولت میباشد.
محافظت حرارتی
دما تاثیرات زیادی روی باتریها و کارایی آنها دارد. به عنوان مثال ظرفیت یک پک باتری لیتیوم یونی در دماهای پایین کاهش میابد و همینطور در دماهای بالاتر از حد توصیه شده سلولها آسیب میبننند. یا باتریهای سیلد اسید نیز در دماهای پایین واکنشهای شیمیایی بسیار کم میشود، در نتیجه در ظرفیت و کارآیی باتری تاثیر منفی دارد. بالعکس در دماهای بالا واکنشهای شیمیایی شدت یافته و آسیبهای برگشت ناپذیری به باتری وارد میشود. بنابراین نظارت و کنترل دمای پک باتری الزامی است و این یکی دیگر از وظایف سیستم مدیریت باتری یا BMS است. 
در برخی از مناطق جغرافیایی به دلیل سرمای بیش از حد هوا، در طراحی BMS باید گرم کردن پک باتری را هم مدنظر قرار دهیم تا شروع به کار باتری در بازه توصیه شده دمایی قرار بگیرد. در مورد بالا رفتن دما نیز این مساله صادق است مثلا یک پک لیتیوم یونی در دمای 20 درجه سانتیگراد بهترین کارایی را دارد و با رسیدن این دما به 30 درجه سانتیکراد 20 درصد از کارایی و ظرفیت خود را از دست میدهد. بنا بر این در پکهای باتری که مقدور است میتوان برای حل این مشکل از خنک کننده هایی استفاده کرد. این دما در صورتی که به طور مداوم به 45 درجه برسد باتری با 50 درصد کارایی خود فعالیت میکند و عمر باتری نیز بیش از 50 درصد کاهش مییابد. بردهای مدیریت باتری معمولا با استفاده از سنسورهای دما و سوییچهای حرارتی به نمونه برداری از دما و کنترل دما میپردازند.
مدیریت ظرفیت و تعادل
سلولهای لیتیومی در زمان تولید سورت شده و تلاش میشود سلولهای باتری با مشخصات کاملا یکسان در پک باتری قرار گیرند. اما به مرور زمان و شارژ و دشارژ و شرایط محیطی ویژگیهای باتریها از جمله مقاومت داخلی و ظرفیت واقعی باتریها تا حدودی تغییر میکند. تصور کنید یک سلول 20 درصد از ظرفیت خود را از دست داده و یک سلول دیگر با ظرفیت کامل کار میکند. بدون مدیریت ظرفیت و بالانسر کارایی و راندمان پک باتری به شدت پایین می آید. مثلا یک خودرو به خاطر مشکل یک سلول 30 درصد از ظرفیت خود را از دست میدهد. بردهای مدیریت باتری بالانسر دار به وسیله سوییچ کردن تعدادی ترانزیستور ولتاژ لازم را به سلولهایی که از تعادل خارج شده اند میرساند تا همه سلولها به تعادل بازگردند و به اصطلاح بالانس شوند. این عمل راندمان کلی را در بالاترین حالت ممکن تنظیم میکند و ما میتوانیم از حداکثر ظرفیت باتری خود استفاده کنیم. 
بالانسر در زمان شارژ جریان را مدیریت کرده و جریان باتریهای فول شارژ شده را قطع و جریان بیشتری به باتریهای کمتر شارژ شده میرساند. در تصویر زیر ملاحظه میکنید که عدم بالانس بودن باتریها چه مقدار در ظرفیت و راندمان پک باتری ما تاثیر گزار است.
اهمیت سیستمهای مدیریت باتری
همانطور که میدانید بدون سیستمهای مدیریت باتری عمر باتری شما بسیار پایین می آید و بدون آنهای مدیریت باتری عملا ممکن نیست. تصور کنید باتری خودرو شما که هزینه ای حدود 30 درصد از مبلغ خودرو را شامل میشود به خاطر یک اشتباه عدم کنترل حد پایین شارژ خراب شود!!! و هزینه چند هزار دلاری را روی دست شما بگذارد و یا اشتباه در حد بالای شارژ باعث آتشسوزی و از دست رفتن کل اتوموبیل شود. در واقع سیستم های مدیریت باتری بیمه باتری شما هستند و از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند.
