Avec le développement rapide de nouveaux véhicules énergétiques, l'application de BMS est devenue monnaie courante Le BMS est responsable de la surveillance et de la protection de la batterie contre les conditions qui pourraient nuire à la batterie, au véhicule, à l'utilisateur ou à l'environnement environnant BMS est également chargé de fournir des estimations précises de SOC et SOH pour garantir que les performances de la batterie et la dégradation des capacités sont minimisées tout au long du cycle de vie de la batterie, assurant l'expérience de conduite de l'utilisateur

La structure principale d'un BMS se compose généralement de trois CI: une extrémité avant analogique (AFE), un microcontrôleur (MCU) et un coulomètre (figure 1) Le coulomètre peut être un IC autonome ou intégré dans le MCU Le MCU est le composant central du BMS, et bien que connecté au reste du système, il obtient également des informations de l'AFE et du coulomètre

Figure 1 Diagramme de blocs d'architecture BMS

L'AFE fournit des informations de tension, de température et de courant pour les cellules et les modules pour les MCU et les coulomètres Parce que l'AFE est physiquement le plus proche de la batterie, l'AFE peut également contrôler le disjoncteur, qui déconnectera la batterie du reste du système si une défaillance est déclenchée
Le Coulomètre IC prend les informations cellulaires de l'AFE, puis utilise une modélisation de cellules sophistiquée et des algorithmes avancés pour estimer les paramètres clés, tels que SOC et SOH Les fonctions du coulomètre peuvent être implémentées via un MCU, mais il y a plusieurs avantages à utiliser un Coulomètre dédié IC:

 · Conception efficace: l'utilisation de CI dédiés pour exécuter des algorithmes complexes permet aux concepteurs d'utiliser des MCU à spécification plus faible, en réduisant le coût global et la consommation de courant
 · Amélioration de la sécurité: un coulomètre dédié mesure le SOC et le SOH individuels pour chaque combinaison de cellules en tandem dans une batterie, permettant une précision de mesure plus précise et une détection vieillissante tout au long du cycle de vie de la batterie Ceci est important car l'impédance de la batterie et la capacité divergent avec le temps, affectant la disponibilité et la sécurité

Améliorer la précision SOC et SOH
L'objectif principal de la conception d'un BMS de haute précision est de fournir des calculs précis pour le SOC et le SOH de la batterie Les concepteurs de BMS peuvent penser que la seule façon d'y parvenir est d'utiliser des AFE de précision plus élevée, mais ce n'est qu'un facteur de précision globale de calcul Les facteurs les plus importants sont le modèle de batterie de coulomètre et l'algorithme de calcul du coulomètre, suivi de la capacité de l'AFE à fournir des lectures de courant de tension synchrone pour le calcul de la résistance à la batterie
Le coulomètre convertit les mesures de tension, de courant et de température en sorties SOC et SOH en analysant les informations calculées en temps réel par l'algorithme par rapport à un modèle de batterie spécifique stocké dans sa mémoire Le modèle de cellule est généré en caractérisant la cellule dans des conditions de température, de capacité et de charge différentes, définissant mathématiquement sa tension en circuit ouvert ainsi que ses composants de résistance et de capacité Ce modèle permet à l'algorithme du coulomètre de calculer le SOC optimal en fonction de la variation de ces paramètres dans différentes conditions de fonctionnement Par conséquent, si le modèle de batterie ou l'algorithme du coulomètre est inexact, le calcul est inexact quelle que soit la précision avec laquelle la mesure est effectuée par AFE

Tension et lecture synchrone de courant
Bien que presque tous les AFE offrent différents ADC pour la tension et le courant, tous les AFS n'offrent pas des mesures réelles de courant synchrone et de tension pour chaque cellule Cette caractéristique, appelée lecture synchrone à courant de tension, permet au coulomètre d'estimer avec précision la résistance de série équivalente (ESR) de la batterie Parce que l'ESR varie selon les conditions de fonctionnement et le temps différentes, l'estimation de l'ESR en temps réel permet des estimations SOC plus précises

La figure 2 montre l'erreur d'une lecture synchronisée par rapport à une lecture non synchronisée

Figure 2 Comparaison des erreurs SOC avec et sans lecture synchrone

AFE Contrôle des défauts directs
Comme mentionné précédemment, le rôle le plus important joué par l'AFE dans un BMS est la gestion de la protection L'AFE peut contrôler directement le circuit de protection, protégeant le système et la batterie lorsqu'un défaut est détecté Certains systèmes mettent en œuvre un contrôle des défauts dans le MCU, mais cela se traduit par des temps de réponse plus longs et nécessite plus de ressources du MCU, augmentant la complexité du micrologiciel
AFE AFE utilise sa lecture ADC et sa configuration utilisateur pour détecter toutes les conditions de défaillance AFE répond aux échecs en activant un MOSFET protecteur pour assurer une véritable protection matérielle De cette façon, le MCU peut agir comme un mécanisme de protection secondaire pour une sécurité et une robustesse plus élevées

Protection de la batterie pour les mesures de haute et basse tension
Lors de la conception d'un BMS, il est important de considérer où le disjoncteur protégé par batterie est placé En règle générale, ces circuits sont mis en œuvre à l'aide de MOSFET à canal N car ils ont une résistance interne plus faible par rapport aux MOSFET à canal p Ces disjoncteurs peuvent être placés du côté haute tension (la borne positive de la batterie) ou du côté basse tension (la borne négative de la batterie)
L'architecture de haute côté assure une bonne mise à la terre (GND) pour éviter les problèmes potentiels de sécurité et de communication en cas de court-circuit De plus, une connexion GND propre et stable aide à réduire les fluctuations du signal de référence, qui sont essentielles pour un fonctionnement précis du MCU
Cependant, lorsque les MOSFET à canal N sont placés à l'extrémité positive de la cellule, la conduite de leur porte nécessite une tension supérieure à celle de la batterie, ce qui rend le processus de conception plus difficile Par conséquent, les pompes de charge spécialisées intégrées dans l'AFE sont souvent utilisées dans des architectures haut de gamme, ce qui augmente le coût global et la consommation de courant CI
Pour les configurations bas de gamme, les pompes de charge ne sont pas nécessaires, mais il est plus difficile d'obtenir une communication efficace dans les configurations latérales basse tension car il n'y a pas de référence GND lorsque la protection est activée

Balance de la batterie pour prolonger la durée de vie de la batterie
Une batterie d'alimentation se compose généralement d'un certain nombre de cellules en série et parallèles Chaque cellule est théoriquement identique, mais chaque cellule se comporte généralement légèrement différemment en raison des tolérances de fabrication et des différences chimiques Au fil du temps, ces différences deviennent plus significatives, donc l'équilibrage de la batterie est essentiel
L'égalisation passive est la méthode la plus courante, qui nécessite la décharge des batteries les plus chargées jusqu'à ce qu'elles aient toutes des charges égales L'équilibrage d'unité passif en AFE peut être effectué en externe ou en interne L'équilibrage externe permet un plus grand courant d'équilibre, mais augmente également le BOM (comme le montre la figure 3)

Figure 3 Diagramme de solde de la batterie externe

L'équilibre interne, en revanche, n'augmente pas la nomenclature, mais il limite généralement le courant d'équilibre à une valeur inférieure en raison de la dissipation de la chaleur (figure 4) Lors de la détermination de l'équilibre interne et externe, le coût du matériel externe et le courant de l'équilibre cible doivent être pris en compte

Figure 4 Diagramme de bloc d'équilibre de l'unité interne