Con l'aumento del numero di veicoli elettrici, il sistema di gestione dell'energia della batteria sta diventando sempre più importante oltre alla ricerca di batterie ad alta densità energetica e alta sicurezza. Diverse batterie di potenza hanno proprietà diverse e anche se lo stesso tipo di proprietà della batteria è incoerente, nel processo di utilizzo, ci sarà la possibilità di incidenti causati dall'espansione. Pertanto, è molto importante gestire efficacemente il sistema di batterie di alimentazione per garantire la sicurezza dei veicoli elettrici. Allo stesso tempo, è necessario garantire le prestazioni del sistema batteria, prolungare la durata della batteria e migliorare l'efficienza della batteria.

Struttura e principio del sistema di gestione della batteria.

Il sistema di gestione della batteria (BMS), ovvero il sistema di gestione della batteria, determina lo stato dell'intero sistema di batterie rilevando lo stato di ogni singola batteria nel pacco batterie e svolge la corrispondente regolazione del controllo e l'implementazione della strategia per il sistema di batterie di potenza in base al loro stato, per realizzare la gestione di carica e scarica del sistema di batterie di alimentazione e di ciascuna unità per garantire il funzionamento sicuro e stabile del sistema di batterie di alimentazione.

Una tipica struttura topologica di un sistema di gestione della batteria è principalmente suddivisa in due parti: modulo di controllo master e modulo di controllo slave. Nello specifico, è composto dall'unità di elaborazione centrale (modulo di controllo principale), modulo di acquisizione dati, modulo di rilevamento dati, modulo unità display, componenti di controllo (dispositivo fusibile, relè) e così via. Generalmente, la comunicazione delle informazioni sui dati tra i moduli viene realizzata utilizzando la tecnologia CAN bus interna.
Sulla base delle funzioni di ciascun modulo, BMS può rilevare in tempo reale la tensione, la corrente, la temperatura e altri parametri della batteria di alimentazione, realizzare la gestione termica, la gestione bilanciata, l'alta tensione e il rilevamento dell'isolamento della batteria di alimentazione e calcolare la capacità residua, la potenza di carica e scarica e lo stato SOC&SOH della batteria di alimentazione.

Funzioni di base del sistema di gestione della batteria.

Le funzioni di base di un sistema di gestione della batteria possono essere suddivise in tre parti: rilevamento, gestione e protezione. In particolare, include funzioni come acquisizione dati, monitoraggio delle condizioni, controllo bilanciato, gestione termica, protezione della sicurezza e così via.
(I) raccolta dei dati.
Come base e premessa di altre funzioni nel sistema di gestione della batteria, l'accuratezza e la velocità dell'acquisizione dei dati possono riflettere i vantaggi e gli svantaggi del sistema di gestione della batteria. Altre funzioni del sistema di gestione, come l'analisi dello stato SOC, la gestione dell'equilibrio, la gestione termica e così via, si basano sui dati raccolti per l'analisi e l'elaborazione.
Gli oggetti dell'acquisizione dei dati sono generalmente tensione, corrente e temperatura. Nel processo di utilizzo pratico, le prestazioni elettrochimiche della batteria sono diverse a temperature diverse, con conseguente diversa energia rilasciata dalla batteria. La batteria di alimentazione agli ioni di litio è sensibile alla tensione e alla temperatura, quindi l'effetto della temperatura deve essere preso in considerazione quando si valuta il SOC della batteria.

(II) Analisi dello stato.

L'analisi dello stato della batteria comprende principalmente due aspetti: la carica residua della batteria e il grado di invecchiamento della batteria, vale a dire la valutazione SOC e la valutazione SOH. Il SOC consente ai conducenti di ottenere informazioni dirette sull'impatto della carica residua sul chilometraggio. Allo stato attuale, molti studi sono focalizzati sull'analisi del SOC, migliorandone costantemente l'accuratezza. L'analisi di SOC sarà influenzata da SOH. Il SOH della batteria è continuamente influenzato dalla temperatura e dalla corrente durante il processo di utilizzo, quindi deve essere analizzato continuamente per garantire l'accuratezza dell'analisi SOC.
Nell'analisi del SOC, ci sono il metodo di misurazione della carica, il metodo della tensione a circuito aperto, il metodo del filtro di Kalman, l'algoritmo della rete neurale artificiale e il metodo della logica fuzzy e così via. Il metodo di misurazione della carica e il metodo della tensione a circuito aperto sono brevemente introdotti qui.
(1) metodo di misurazione della carica.
Il metodo di misurazione della carica calcola il SOC attraverso le statistiche della carica caricata e scaricata dalla batteria nel tempo, ovvero l'accumulo di corrente nel tempo. Sebbene sia il metodo di misurazione più comunemente utilizzato, sarà influenzato da molti fattori, tra cui l'accuratezza dei dati, l'autoscarica e così via. Ad esempio, a causa della mancanza di precisione del sensore di corrente, c'è un errore tra la corrente utilizzata per il calcolo dell'integrale e il valore reale, che rende sempre più grande la deviazione del risultato di SOC. Pertanto, quando si utilizza il metodo di misurazione della carica, è necessario utilizzare alcuni algoritmi di correzione per correggere vari fattori di influenza per ridurre l'errore dei risultati di calcolo e analisi.
(2) Metodo della tensione a circuito aperto.
Il metodo della tensione a circuito aperto consiste nel misurare la tensione a circuito aperto della batteria quando la batteria è in uno stato statico per calcolare il SOC della batteria. Tuttavia, va notato che quando si utilizza il metodo della tensione a circuito aperto, si ritiene generalmente che esista una certa relazione lineare tra SOC ed EMF e qualsiasi valore SOC corrisponde a un solo valore EMF. L'effetto ritorno elastico di tensione deve essere preso in considerazione quando si utilizza il metodo della tensione a circuito aperto e il SOC calcolato sarà troppo piccolo quando la tensione non rimbalza al valore stabile. Rispetto al metodo di misurazione della carica, il metodo della tensione a circuito aperto non può essere utilizzato quando la batteria funziona normalmente, che è il problema più grande.

È molto difficile misurare accuratamente il SOC in questa fase, ad esempio, l'imprecisione dei dati di campionamento causata dall'accuratezza del sensore e dall'interferenza elettromagnetica porta alla deviazione dell'analisi dello stato. Inoltre, anche l'incoerenza della batteria, i dati storici e l'incertezza delle condizioni operative hanno un grande impatto sul calcolo del SOC.

(III) controllo equilibrato.
A causa dell'influenza della produzione e dell'ambiente di lavoro, l'unità cella è incoerente e vi sono differenze di tensione, capacità, resistenza interna e altre proprietà, con conseguente diversa capacità effettiva e capacità di carica e scarica di ogni singola cella nel processo di utilizzo effettivo . Pertanto, al fine di garantire le prestazioni complessive del sistema di batterie e prolungarne la durata, è assolutamente necessario bilanciare la batteria per ridurre la differenza tra le singole celle.
La gestione equilibrata contribuisce al mantenimento della capacità della batteria e al controllo della profondità di scarica. Se non c'è un controllo bilanciato della batteria, a causa dell'impostazione della funzione di protezione del sistema di gestione della batteria, si verificherà un fenomeno per cui quando una singola batteria è completamente carica, le altre batterie non sono completamente cariche o quando la scarica di un singolo batteria con potenza minima è interrotta, le altre batterie non hanno raggiunto il limite di interruzione della scarica. Una volta che la batteria è sovraccarica o scaricata eccessivamente, nella batteria si verificheranno alcune reazioni chimiche irreversibili, che influenzeranno le proprietà della batteria, influenzando così la durata della batteria.
Secondo la struttura del circuito e la modalità di controllo nella gestione dell'equalizzazione, la prima è divisa in equalizzazione centralizzata ed equalizzazione distribuita, e la seconda è divisa in equalizzazione attiva ed equalizzazione passiva. Equalizzazione centralizzata significa che tutte le unità batteria nel pacco batteria condividono un singolo equalizzatore per il controllo dell'equalizzazione, mentre l'equalizzazione distribuita è un equalizzatore dedicato a una o più celle della batteria. Il primo presenta i vantaggi di una comunicazione semplice e diretta e di un'elevata velocità di equalizzazione. Tuttavia, la disposizione del cablaggio tra l'unità batteria e l'equalizzatore è complessa, quindi non è adatta per il sistema batteria con un numero elevato di unità. Quest'ultimo può risolvere il problema dell'imbracatura del primo, ma lo svantaggio è il costo elevato.
L'equilibrio attivo, noto anche come equilibrio non dissipativo, la teoria dell'immagine è il trasferimento di energia tra le unità batteria. L'energia nella cella ad alta energia viene trasferita al monomero a bassa energia per raggiungere lo scopo del bilancio energetico. Il tipo passivo è l'equilibrio dissipativo, che consuma l'energia del monomero ad alta energia in uno stato di equilibrio con altri monomeri mediante resistenza parallela. L'equilibrio attivo è efficiente e l'energia viene trasferita piuttosto che consumata, ma la struttura complessa porta ad un aumento dei costi.

IV) Gestione termica.
Sistema batteria in diverse condizioni operative a causa della propria resistenza interna, nella potenza di uscita, energia elettrica allo stesso tempo per generare una certa quantità di calore, con conseguente accumulo di calore per aumentare la temperatura della batteria, la diversa disposizione dello spazio rende la temperatura della batteria è incoerente. Quando la temperatura della batteria supera il suo normale intervallo di temperatura operativa, la potenza deve essere limitata, altrimenti la durata della batteria ne risentirà. Al fine di garantire le prestazioni elettriche e la durata del sistema di batterie, il sistema di batterie di potenza è generalmente progettato con un sistema di gestione termica. Il sistema di gestione termica della batteria è un insieme di sistemi di gestione utilizzati per garantire che il sistema della batteria funzioni in un intervallo di temperatura adeguato, composto principalmente da scatola batteria, mezzo di trasferimento del calore,
La funzione principale del sistema di gestione della batteria nella gestione termica è misurare e monitorare accuratamente la temperatura della batteria. Quando la temperatura della batteria è troppo elevata, vengono utilizzate l'effettiva dissipazione del calore e la ventilazione per garantire la distribuzione uniforme del campo di temperatura della batteria. In condizioni di bassa temperatura, il pacco batteria può essere riscaldato rapidamente per ottenere un normale ambiente di lavoro.

(V) Sicurezza e protezione.
Essendo la funzione più importante dell'intero sistema di gestione della batteria, la protezione di sicurezza si basa sulle prime quattro funzioni. Include principalmente protezione da sovracorrente, protezione da sovraccarico e scarica, protezione da sovratemperatura e monitoraggio dell'isolamento.
(1) protezione da sovracorrente.
Poiché la batteria ha una certa resistenza interna, quando la batteria è in funzione, il flusso di corrente causerà il calore interno della batteria e l'aumento dell'accumulo di calore porta all'aumento della temperatura della batteria, che porta alla diminuzione della temperatura termica stabilità della batteria. Per la batteria agli ioni di litio, la capacità di deintercatura dei materiali degli elettrodi positivi e negativi è certa. Quando la corrente di carica e scarica è maggiore della sua capacità di deintercalazione, la tensione di polarizzazione della batteria aumenterà e la capacità effettiva della batteria diminuirà e influirà sulla durata della batteria. In casi gravi, influirà sulla sicurezza della batteria. Il sistema di gestione della batteria giudicherà se il valore corrente supera l'intervallo di sicurezza e, se lo supera,
(2) protezione da sovraccarico e sovraccarico.
Nel processo di carica, quando la tensione di carica supera la tensione di carica di interruzione della batteria, la struttura reticolare positiva verrà distrutta e la capacità della batteria diminuirà. E quando la tensione è troppo alta, causerà il pericolo nascosto di esplosione nel cortocircuito del polo positivo e negativo. Il sovraccarico è severamente vietato. Il BMS rileva la tensione di una singola batteria nel sistema e, quando la tensione supera il limite di carica, BMS disconnette il circuito di carica per proteggere il sistema della batteria.
Nel processo di scarica, quando la tensione di scarica è inferiore alla tensione di interruzione della scarica della batteria, il collettore metallico sull'elettrodo negativo della batteria si dissolverà, causando danni irreversibili alla batteria. Quando si carica una batteria eccessivamente scarica, esiste la possibilità di un cortocircuito interno o di perdite. Quando la tensione supera la tensione limite di scarica, il BMS aprirà il circuito per proteggere il sistema della batteria.
(3) protezione da sovratemperatura.
Per la protezione da sovratemperatura, deve essere combinato con le suddette funzioni di gestione termica. L'attività della batteria varia a diverse temperature. Se esposto a temperature elevate per lungo tempo, la stabilità strutturale dei materiali della batteria peggiorerà e ridurrà la durata della batteria. La limitazione dell'attività della batteria a bassa temperatura ridurrà la capacità disponibile, in particolare la capacità di carica diventerà molto bassa e potrebbe causare rischi per la sicurezza. Il sistema di gestione della batteria può proibire la carica e la scarica quando la temperatura della batteria supera il limite di alta temperatura o è inferiore al limite di bassa temperatura.
(4) Monitoraggio dell'isolamento.
La funzione di monitoraggio dell'isolamento è anche una delle funzioni importanti per garantire la sicurezza del sistema di batterie. La tensione del sistema batteria è solitamente di diverse centinaia di volt e, una volta che si verifica la perdita, sarà pericoloso per il personale, quindi la funzione di monitoraggio dell'isolamento è molto importante. BMS monitorerà in tempo reale la resistenza di isolamento del totale positivo e negativo al ferro del corpo. Se la resistenza di isolamento è inferiore all'intervallo di sicurezza, il guasto verrà segnalato e l'alta tensione verrà scollegata.
Progettazione del sistema e requisiti tecnici.

Durante la progettazione del sistema di gestione della batteria, dobbiamo prima determinare la funzione del BMS in base ai requisiti di progettazione dell'intero veicolo, quindi determinarne la topologia, seguita dalla progettazione software e hardware dell'opera principale. Dopo il completamento del lavoro di base di cui sopra, è necessario eseguire il test dell'unità BMS e il test complessivo del pacco batterie di alimentazione. Prima della progettazione del software e dell'hardware, è necessario testare la carica e la scarica, la capacità, la resistenza e altre caratteristiche della singola batteria per proteggere meglio la progettazione del circuito, la progettazione dell'algoritmo e così via.
La progettazione dell'hardware dovrebbe essere combinata con i requisiti degli algoritmi software e si dovrebbe prestare attenzione all'isolamento della tensione, alle interferenze anti-elettromagnetiche, alla compatibilità elettromagnetica, all'isolamento della comunicazione, alla ventilazione e alla dissipazione del calore nello sviluppo del circuito stampato e nella progettazione dei componenti. Le funzioni generali di progettazione del software includono il rilevamento della tensione, l'acquisizione della temperatura, il rilevamento della corrente, il rilevamento dell'isolamento, la stima SOC, la comunicazione CAN, la funzione di equalizzazione della scarica, la funzione di autotest del sistema, la funzione di rilevamento del sistema, la gestione della carica, la gestione termica e così via.
La progettazione hardware correlata supporta le funzioni della progettazione software, ad esempio il modulo MCU viene utilizzato per raccogliere e analizzare dati, inviare e ricevere segnali di controllo e il modulo di rilevamento corrente serve a raccogliere la corrente di carica e scarica del pacco batteria durante il processo di carica e scarica.