Con il rapido sviluppo di nuovi veicoli energetici, l'applicazione di BMS è diventata all'ordine del giorno Il BMS è responsabile del monitoraggio e della protezione della batteria dalle condizioni che potrebbero danneggiare la batteria, il veicolo, l'utente o l'ambiente circostante BMS è anche responsabile della fornitura di stime Accurate SOC e SOH per garantire che le prestazioni della batteria e il degrado della capacità siano ridotti al minimo durante il ciclo di vita della batteria, garantendo l'esperienza di guida dell'utente

La struttura principale di un BMS è in genere costituito da tre IC: un anteriore end analogica (AFE), un microcontrollore (MCU) e un coulometro (Figura 1) Il coulometro può essere un IC autonomo o incorporato nell'MCU L'MCU è il componente principale del BMS e, sebbene collegato al resto del sistema, ottiene anche informazioni da AFE e coulometro

Figura 1 Diagramma del blocco dell'architettura BMS

AFE fornisce informazioni di tensione, temperatura e corrente per cellule e moduli per MCU e coulometri Poiché l'AFE è fisicamente più vicino alla batteria, l'AFE può anche controllare l'interruttore, che scollegerà la batteria dal resto del sistema se viene attivato un errore
Il coulometro IC prende le informazioni cellulari dall'AFE e quindi utilizza sofisticata modellazione cellulare e algoritmi avanzati per stimare i parametri chiave, come SOC e SOH Le funzioni del coulometro possono essere implementate tramite un MCU, ma ci sono diversi vantaggi nell'uso di un coulometro dedicato:

· Progettazione efficiente: l'uso di IC dedicati per eseguire algoritmi complessi consente ai progettisti di utilizzare MCU di specifiche più basse, riducendo i costi complessivi e il consumo attuale
· Sicurezza migliorata: un coulometro dedicato misura singoli SOC e SOH per ogni combinazione di celle in tandem in un pacco batteria, consentendo una precisione di misurazione più precisa e un rilevamento dell'invecchiamento durante il ciclo di vita della batteria Ciò è importante perché l'impedenza della batteria e la capacità divergono nel tempo, influenzando il tempo di attività e la sicurezza

Migliora la precisione SOC e SOH
L'obiettivo principale di progettare un BMS ad alta precisione è fornire calcoli accurati per il SOC e SOH del pacco batteria I progettisti di BMS possono pensare che l'unico modo per raggiungere questo obiettivo sia utilizzare AFE a maggiore precisione, ma questo è solo un fattore nell'accuratezza computazionale complessiva I fattori più importanti sono il modello della batteria del coulometro e l'algoritmo di calcolo del coulometro, seguito dalla capacità dell'AFE di fornire letture sincroni di corrente di tensione per il calcolo della resistenza della batteria
Il coulometro converte le misurazioni di tensione, corrente e temperatura nelle uscite SOC e SOH analizzando le informazioni calcolate in tempo reale dall'algoritmo in relazione a un modello di batteria specifico immagazzinato nella sua memoria Il modello cellulare viene generato caratterizzando la cella a diverse condizioni di temperatura, capacità e carico, definendo matematicamente la sua tensione a circuito aperto, nonché i suoi componenti di resistenza e capacità Questo modello consente all'algoritmo del coulometro di calcolare il SoC ottimale in base alla variazione di questi parametri in diverse condizioni operative Pertanto, se il modello della batteria o l'algoritmo del coulometro è inaccurato, il calcolo è inaccurato indipendentemente dall'accuratezza con cui la misurazione è effettuata da AFE

Lettura sincrona di tensione e corrente
Sebbene quasi tutti gli AFE offrano ADC diversi per la tensione e la corrente, non tutti gli AFE offrono misurazioni effettive di corrente sincrona e tensione per ciascuna cella Questa caratteristica, chiamata lettura sincrona-corrente di tensione, consente al coulometro di stimare accuratamente la resistenza delle serie equivalenti (ESR) della batteria Poiché l'ESR varia con diverse condizioni operative e tempo, la stima dell'ESR in tempo reale consente stime SOC più accurate

La Figura 2 mostra l'errore di una lettura sincronizzata rispetto a una lettura non sincronizzata

Figura 2 Confronto di errori SOC con e senza lettura sincrona

AFE Controllo dei guasti diretti
Come accennato in precedenza, il ruolo più importante che AFE svolge in un BMS è la gestione della protezione AFE può controllare direttamente il circuito di protezione, proteggendo il sistema e la batteria quando viene rilevato un guasto Alcuni sistemi implementano il controllo dei guasti nell'MCU, ma ciò si traduce in tempi di risposta più lunghi e richiedono più risorse dall'MCU, aumentando la complessità del firmware
Advanced AFE utilizza la sua lettura ADC e la configurazione dell'utente per rilevare eventuali condizioni di errore AFE risponde ai guasti accendendo un MOSFET protettivo per garantire la vera protezione dell'hardware In questo modo, l'MCU può fungere da meccanismo di protezione secondaria per una maggiore sicurezza e robustezza

Protezione della batteria per misurazioni ad alta e bassa tensione
Quando si progetta un BMS, è importante considerare dove viene posizionato l'interruttore protetto da batteria In genere, questi circuiti sono implementati utilizzando MOSFET a canale N perché hanno una resistenza interna inferiore rispetto ai MOSFET del canale P Questi interruttori possono essere posizionati sul lato ad alta tensione (il terminale positivo della batteria) o sul lato a bassa tensione (il terminale negativo della batteria)
L'architettura laterale alta garantisce una buona messa a terra (GND) per evitare potenziali problemi di sicurezza e comunicazione in caso di corto circuito Inoltre, una connessione GND pulita e stabile aiuta a ridurre le fluttuazioni del segnale di riferimento, che sono la chiave per un funzionamento accurato dell'MCU
Tuttavia, quando i MOSFET N-Canale vengono posizionati all'estremità positiva della cella, guidando il cancello richiede una tensione superiore a quella del pacco batteria, rendendo il processo di progettazione più impegnativo Pertanto, le pompe di carica specializzate integrate in AFE sono spesso utilizzate nelle architetture di fascia alta, il che aumenta il consumo complessivo del costo e dell'IC
Per le configurazioni di fascia bassa, le pompe di carica non sono necessarie, ma è più difficile ottenere una comunicazione efficace nelle configurazioni laterali a bassa tensione perché non vi è alcun riferimento GND quando la protezione è attivata

Equilibrio della batteria per estendere la durata della batteria
Un pacco batteria di alimentazione di solito consiste in un numero di celle in serie e parallele Ogni cellula è teoricamente identica, ma ogni cellula di solito si comporta in modo leggermente diverso a causa di tolleranze di produzione e differenze chimiche Nel tempo, queste differenze diventano più significative, quindi il bilanciamento della batteria è essenziale
L'equalizzazione passiva è il metodo più comune, che richiede lo scarico delle batterie più cariche fino a quando non hanno tutte uguali cariche Il bilanciamento delle unità passivi in ​​AFE può essere eseguito esternamente o internamente Il bilanciamento esterno consente una maggiore corrente di equilibrio, ma aumenta anche il BOM (come mostrato nella Figura 3)

Figura 3 Schema di bilanciamento della batteria esterna

L'equilibrio interno, d'altra parte, non aumenta il BOM, ma di solito limita la corrente di equilibrio a un valore inferiore a causa della dissipazione del calore (Figura 4) Nel determinare il saldo interno ed esterno, è necessario considerare il costo dell'hardware esterno e la corrente di bilancio target

Figura 4 Schema del blocco del bilanciamento dell'unità interna