Wraz z szybkim rozwojem nowych pojazdów energetycznych zastosowanie BM stało się powszechne BMS jest odpowiedzialny za monitorowanie i ochronę baterii przed warunkami, które mogą zaszkodzić akumulatorowi, pojazdowi, użytkownikowi lub otaczającym środowisku BMS jest również odpowiedzialny za zapewnienie dokładnych szacunków SOC i SOH w celu zapewnienia, że ​​wydajność baterii i degradacja pojemności są zminimalizowane w całym cyklu życia baterii, zapewniając wrażenia z jazdy użytkownika

Główna struktura BMS zazwyczaj składa się z trzech układów scalonych: analogowego frontu (AFE), mikrokontrolera (MCU) i coulometru (ryc 1) Coulometr może być samodzielnym IC lub osadzonym w MCU MCU jest podstawowym składnikiem BMS i podłączonym do reszty systemu uzyskuje również informacje z AFE i Coulometry

Rysunek 1 Schemat bloków architektury BMS

AFE zapewnia informacje o napięciu, temperaturze i prądu dla komórek i modułów dla MCU i Coulometers Ponieważ AFE jest fizycznie najbliżej akumulatora, AFE może również sterować wyłącznikiem, który odłączy akumulator od reszty systemu, jeśli jakakolwiek awaria zostanie uruchomiona
Coulometr IC przyjmuje informacje o komórkach z AFE, a następnie wykorzystuje wyrafinowane modelowanie komórek i zaawansowane algorytmy do oszacowania kluczowych parametrów, takich jak SOC i SOH Funkcje coulometru można zaimplementować za pośrednictwem MCU, ale istnieje kilka zalet korzystania z dedykowanego Coulometra IC:

 · Efektywna konstrukcja: Wykorzystanie dedykowanych ICS do uruchamiania złożonych algorytmów pozwala projektantom stosować niższą specyfikację MCU, zmniejszając całkowity koszt i bieżące zużycie
 · Ulepszone bezpieczeństwo: dedykowany kulometr mierzy indywidualne SOC i SOH dla każdej kombinacji komórek tandemowych w pakiecie baterii, umożliwiając dokładniejszą dokładność pomiaru i wykrywanie starzenia się w cyklu życia baterii Jest to ważne, ponieważ impedancja baterii i pojemność rozchodzą się z czasem, wpływając na czas pracy i bezpieczeństwo

Popraw dokładność SOC i SOH
Głównym celem projektowania bardzo precyzyjnych BMS jest zapewnienie dokładnych obliczeń dla SOC i SOH pakietu baterii Projektanci BMS mogą myśleć, że jedynym sposobem na osiągnięcie tego jest użycie AFE o wyższej precyzji, ale jest to tylko jeden czynnik ogólnej dokładności obliczeniowej Najważniejszymi czynnikami są model akumulatora kulometru i algorytm obliczania Coulometra, a następnie zdolność AFE do dostarczania synchronicznych odczytów prądu napięcia do obliczania rezystancji baterii
Coulometr przekształca pomiary napięcia, prądu i temperatury w wyjścia SOC i SOH poprzez analizę informacji obliczonych w czasie rzeczywistym przez algorytm w odniesieniu do określonego modelu akumulatora przechowywanego w jego pamięci Model komórki jest generowany przez scharakteryzowanie ogniwa w różnych warunkach temperatury, pojemności i obciążenia, matematycznie definiując jego napięcie obwodu, a także składniki oporności i pojemności Ten model umożliwia algorytmowi kulometru obliczenie optymalnego SoC w oparciu o zmianę tych parametrów w różnych warunkach pracy Dlatego jeśli model lub algorytm akumulatora jest niedokładne, obliczenia jest niedokładne, niezależnie od dokładności, z jaką pomiar jest wykonany przez AFE

Odczyt synchroniczny napięcia i prądu
Chociaż prawie wszystkie AFE oferują różne ADC dla napięcia i prądu, nie wszystkie AFE oferują rzeczywiste pomiary prądu synchronicznego i napięcia dla każdej komórki Ta funkcja, zwana odczytem synchronicznego prądu napięcia, umożliwia dokładne oszacowanie równoważnej oporności serii (ESR) baterii Ponieważ ESR zmienia się w zależności od różnych warunków pracy i czasu, oszacowanie ESR w czasie rzeczywistym pozwala na dokładniejsze szacunki SOC

Rysunek 2 pokazuje błąd zsynchronizowanego odczytu w porównaniu do odczytu niezsynchronizowanego

Ryc 2 Porównanie błędów SOC z synchronicznym odczytem i bez

AFE Bezpośrednia kontrola błędu
Jak wspomniano wcześniej, najważniejszą rolą AFE w BMS jest zarządzanie ochroną AFE może bezpośrednio kontrolować obwód ochrony, chroniąc system i akumulator po wykryciu błędu Niektóre systemy wdrażają kontrolę błędów w MCU, ale skutkuje to dłuższym czasem reakcji i wymagają większej ilości zasobów z MCU, zwiększając złożoność oprogramowania układowego
Advanced AFE używa odczytu ADC i konfiguracji użytkownika do wykrywania wszelkich warunków awarii AFE reaguje na awarie, włączając ochronne MOSFET, aby zapewnić prawdziwą ochronę sprzętu W ten sposób MCU może działać jako wtórny mechanizm ochrony wyższego bezpieczeństwa i solidności

Ochrona baterii dla pomiarów wysokiego i niskiego napięcia
Podczas projektowania BMS ważne jest, aby rozważyć, gdzie jest umieszczony wyłącznik chronionego baterii Zazwyczaj obwody te są wdrażane przy użyciu MOSFET w kanale N, ponieważ mają one niższą odporność wewnętrzną w porównaniu do MOSFET kanałów P Te wyłączniki można umieścić po stronie wysokiego napięcia (dodatni zacisk baterii) lub po stronie niskiego napięcia (ujemny zacisk akumulatora)
Architektura wysokiej strony zapewnia dobre uziemienie (GND), aby uniknąć potencjalnych problemów związanych z bezpieczeństwem i komunikacją w przypadku zwarcia Ponadto czyste, stabilne połączenie GND pomaga zmniejszyć fluktuacje sygnału odniesienia, które są kluczem do dokładnej pracy MCU
Jednak gdy MOSFET w kanale N są umieszczone na dodatnim końcu komórki, prowadzenie bramy wymaga napięcia wyższego niż w pakiecie akumulatora, co czyni proces projektowania trudniejszym Dlatego wyspecjalizowane pompy ładowania zintegrowane z AFE są często stosowane w architekturach wysokiej klasy, co zwiększa całkowity koszt i zużycie prądu IC
W przypadku konfiguracji niskiej klasy pompy ładowania nie są wymagane, ale trudniej jest osiągnąć skuteczną komunikację w konfiguracjach bocznych niskiego napięcia, ponieważ nie ma odniesienia GND po włączeniu ochrony

Bilans baterii, aby wydłużyć żywotność baterii
Pakiet akumulatora zasilania zwykle składa się z wielu ogniw w szeregu i równolegle Każda komórka jest teoretycznie identyczna, ale każda komórka zwykle zachowuje się nieco inaczej z powodu tolerancji produkcyjnych i różnic chemicznych Z czasem różnice te stają się bardziej znaczące, więc równoważenie baterii jest niezbędne
Wyrównanie pasywne jest najczęstszą metodą, która wymaga rozładowania najlepiej naładowanych baterii, dopóki wszystkie nie mają równych ładunków Bilansowanie jednostek pasywnych w AFE można wykonywać zewnętrznie lub wewnętrznie Zewnętrzne równoważenie pozwala na większy prąd bilansowy, ale także zwiększa BOM (jak pokazano na rycinie 3)

Rysunek 3 Zewnętrzny schemat bilansu akumulatora

Z drugiej strony równowaga wewnętrzna nie zwiększa BOM, ale zwykle ogranicza prąd bilansowy do niższej wartości z powodu rozproszenia ciepła (ryc 4) Przy określaniu równowagi wewnętrznej i zewnętrznej należy wziąć pod uwagę koszt zewnętrznego sprzętu i prąd bilansu docelowego

Rysunek 4 Schemat bloków równowagi wewnętrznej jednostki