Avec le nombre croissant de véhicules électriques, le système de gestion de l'énergie des batteries devient de plus en plus important en plus de rechercher des batteries à haute densité énergétique et à haute sécurité. Différentes batteries d'alimentation ont des propriétés différentes, et même si le même type de propriétés de batterie est incohérent, en cours d'utilisation, il y aura la possibilité d'accidents causés par l'expansion. Par conséquent, il est très important de gérer efficacement le système de batterie d'alimentation pour assurer la sécurité des véhicules électriques. Dans le même temps, il est nécessaire d'assurer les performances du système de batterie, de prolonger la durée de vie de la batterie et d'améliorer l'efficacité de la batterie.

Structure et principe du système de gestion de batterie.

The battery management system (BMS), namely Battery Management System, determines the state of the whole battery system by detecting the state of every single battery in the battery pack, and carries on the corresponding control adjustment and strategy implementation to the power battery system according to their state, to realize the charge and discharge management of the power battery system and each unit to ensure the safe and stable operation of the power battery system.

Une structure de topologie typique d'un système de gestion de batterie est principalement divisée en deux parties : le module de contrôle maître et le module de contrôle esclave. Plus précisément, il est composé de l'unité centrale de traitement (module de contrôle principal), d'un module d'acquisition de données, d'un module de détection de données, d'un module d'unité d'affichage, de composants de contrôle (fusible, relais), etc. Généralement, la communication des informations de données entre les modules est réalisée en utilisant la technologie de bus CAN interne.
Sur la base des fonctions de chaque module, BMS peut détecter en temps réel la tension, le courant, la température et d'autres paramètres de la batterie d'alimentation, réaliser la gestion thermique, la gestion équilibrée, la haute tension et la détection d'isolation de la batterie d'alimentation, et calculer la capacité résiduelle, la puissance de charge et de décharge et l'état SOC&SOH de la batterie d'alimentation.

Fonctions de base du système de gestion de la batterie.

Les fonctions de base d'un système de gestion de batterie peuvent être divisées en trois parties : détection, gestion et protection. Plus précisément, il comprend des fonctions telles que l'acquisition de données, la surveillance de l'état, le contrôle équilibré, la gestion thermique, la protection de la sécurité, etc.
(I) collecte de données.
En tant que base et prémisse d'autres fonctions du système de gestion de batterie, la précision et la vitesse d'acquisition des données peuvent refléter les avantages et les inconvénients du système de gestion de batterie. D'autres fonctions du système de gestion, telles que l'analyse de l'état SOC, la gestion de l'équilibre, la gestion thermique, etc., sont basées sur les données collectées pour l'analyse et le traitement.
Les objets d'acquisition de données sont généralement la tension, le courant et la température. Dans le processus d'utilisation pratique, les performances électrochimiques de la batterie sont différentes à différentes températures, ce qui entraîne une énergie différente libérée par la batterie. La batterie d'alimentation lithium-ion est sensible à la tension et à la température, de sorte que l'effet de la température doit être pris en compte lors de l'évaluation du SOC de la batterie.

(II) Analyse de l'état.

L'analyse de l'état de la batterie comprend principalement deux aspects : la charge restante de la batterie et le degré de vieillissement de la batterie, à savoir l'évaluation SOC et l'évaluation SOH. Le SOC permet aux conducteurs d'obtenir des informations directes sur l'impact de la puissance restante sur le kilométrage. Au stade actuel, de nombreuses études se concentrent sur l'analyse du SOC, améliorant constamment sa précision. L'analyse du SOC sera affectée par le SOH. Le SOH de la batterie est continuellement affecté par la température et le courant en cours d'utilisation, il doit donc être analysé en continu pour garantir la précision de l'analyse SOC.
Dans l'analyse du SOC, il existe la méthode de mesure de charge, la méthode de tension en circuit ouvert, la méthode du filtre de Kalman, l'algorithme de réseau neuronal artificiel et la méthode de logique floue, etc. La méthode de mesure de charge et la méthode de tension en circuit ouvert sont brièvement présentées ici.
(1) méthode de mesure de charge.
La méthode de mesure de la charge calcule le SOC à travers les statistiques de la charge chargée et déchargée par la batterie sur un certain temps, c'est-à-dire l'accumulation de courant dans le temps. Bien qu'il s'agisse de la méthode de mesure la plus couramment utilisée, elle sera affectée par de nombreux facteurs, notamment l'exactitude des données, l'autodécharge, etc. Par exemple, en raison du manque de précision du capteur de courant, il existe une erreur entre le courant utilisé pour le calcul intégral et la valeur réelle, ce qui rend l'écart du résultat de SOC de plus en plus grand. Par conséquent, lors de l'utilisation de la méthode de mesure de charge, nous devons utiliser certains algorithmes de correction pour corriger divers facteurs d'influence afin de réduire l'erreur des résultats de calcul et d'analyse.
(2) Méthode de tension en circuit ouvert.
La méthode de la tension en circuit ouvert consiste à mesurer la tension en circuit ouvert de la batterie lorsque la batterie est dans un état statique pour calculer le SOC de la batterie. Cependant, il convient de noter que lors de l'utilisation de la méthode de tension en circuit ouvert, on considère généralement qu'il existe une certaine relation linéaire entre SOC et EMF, et toute valeur SOC correspond à une seule valeur EMF. L'effet de retour de tension doit être pris en compte lors de l'utilisation de la méthode de tension en circuit ouvert, et le SOC calculé sera trop petit lorsque la tension ne rebondit pas à la valeur stable. Par rapport à la méthode de mesure de charge, la méthode de tension en circuit ouvert ne peut pas être utilisée lorsque la batterie fonctionne normalement, ce qui est son plus gros problème.

Il est très difficile de mesurer le SOC avec précision à ce stade, par exemple, l'imprécision des données d'échantillonnage causée par la précision du capteur et les interférences électromagnétiques entraînent une déviation de l'analyse de l'état. De plus, l'incohérence de la batterie, les données historiques et l'incertitude des conditions de fonctionnement ont également un impact important sur le calcul du SOC.

(III) contrôle équilibré.
En raison de l'influence de la fabrication et de l'environnement de travail, l'unité de cellule est incohérente et il existe des différences de tension, de capacité, de résistance interne et d'autres propriétés, ce qui entraîne une capacité effective différente et une capacité de charge et de décharge de chaque cellule dans le processus d'utilisation réel. . Par conséquent, afin d'assurer les performances globales du système de batterie et de prolonger la durée de vie, il est très nécessaire d'équilibrer la batterie afin de réduire la différence entre les cellules individuelles.
Une gestion équilibrée contribue au maintien de la capacité de la batterie et au contrôle de la profondeur de décharge. S'il n'y a pas de contrôle équilibré de la batterie, en raison du réglage de la fonction de protection du système de gestion de la batterie, il y aura un phénomène selon lequel lorsqu'une seule batterie est complètement chargée, d'autres batteries ne sont pas complètement chargées, ou lorsque la décharge d'une seule batterie avec la puissance minimale est coupée, les autres batteries n'ont pas atteint la limite de coupure de décharge. Une fois que la batterie est surchargée ou trop déchargée, certaines réactions chimiques irréversibles se produiront dans la batterie, ce qui affectera les propriétés de la batterie, affectant ainsi la durée de vie de la batterie.
Selon la structure du circuit et le mode de contrôle dans la gestion de l'égalisation, le premier est divisé en égalisation centralisée et égalisation distribuée, et le second est divisé en égalisation active et égalisation passive. L'égalisation centralisée signifie que toutes les unités de batterie du bloc-batterie partagent un seul égaliseur pour le contrôle de l'égalisation, tandis que l'égalisation distribuée est un égaliseur dédié à une ou plusieurs cellules de batterie. Le premier présente les avantages d'une communication simple et directe et d'une vitesse d'égalisation rapide. Cependant, l'agencement du faisceau de câbles entre l'unité de batterie et l'égaliseur est complexe, il n'est donc pas adapté au système de batterie avec un grand nombre d'unités. Ce dernier peut résoudre le problème de harnais du premier, mais l'inconvénient est le coût élevé.
L'équilibre actif, également connu sous le nom d'équilibre non dissipatif, la théorie de l'image est le transfert d'énergie entre les unités de batterie. L'énergie dans la cellule à haute énergie est transférée au monomère à faible énergie pour atteindre l'objectif de l'équilibre énergétique. Le type passif est l'équilibre dissipatif, qui consomme l'énergie du monomère à haute énergie jusqu'à un état d'équilibre avec d'autres monomères au moyen d'une résistance parallèle. L'équilibre actif est efficace et l'énergie est transférée plutôt que consommée, mais la structure complexe entraîne une augmentation des coûts.

IV) Gestion thermique.
Système de batterie dans différentes conditions de fonctionnement en raison de sa propre résistance interne, dans la puissance de sortie, l'énergie électrique en même temps pour générer une certaine quantité de chaleur, entraînant une accumulation de chaleur pour augmenter la température de la batterie, une disposition différente de l'espace rend la température de la batterie est pas cohérent. Lorsque la température de la batterie dépasse sa plage de température de fonctionnement normale, la puissance doit être limitée, sinon la durée de vie de la batterie sera affectée. Afin d'assurer les performances électriques et la durée de vie du système de batterie, le système de batterie de puissance est généralement conçu avec un système de gestion thermique. Le système de gestion thermique de la batterie est un ensemble de système de gestion utilisé pour garantir que le système de batterie fonctionne dans une plage de température appropriée, qui est principalement composé d'un boîtier de batterie, d'un milieu de transfert de chaleur,
La fonction principale du système de gestion de la batterie dans la gestion thermique est de mesurer et de surveiller avec précision la température de la batterie. Lorsque la température de la batterie est trop élevée, la dissipation thermique et la ventilation efficaces sont utilisées pour assurer une répartition uniforme du champ de température de la batterie. Dans des conditions de basse température, la batterie peut être chauffée rapidement pour obtenir un environnement de travail normal.

(V) Sécurité et protection.
En tant que fonction la plus importante de l'ensemble du système de gestion de la batterie, la protection de la sécurité est basée sur les quatre premières fonctions. Il comprend principalement la protection contre les surintensités, la protection contre les surcharges et les décharges, la protection contre les surchauffes et la surveillance de l'isolation.
(1) protection contre les surintensités.
Parce que la batterie a une certaine résistance interne, lorsque la batterie fonctionne, le flux de courant provoquera la chaleur interne de la batterie, et l'augmentation de l'accumulation de chaleur conduit à l'augmentation de la température de la batterie, ce qui conduit à la diminution de la thermique stabilité de la batterie. Pour la batterie lithium-ion, la capacité de désintercalation des matériaux d'électrode positive et négative est certaine. Lorsque le courant de charge et de décharge est supérieur à sa capacité de désintercalation, la tension de polarisation de la batterie augmente et la capacité réelle de la batterie diminue et affecte la durée de vie de la batterie. Dans les cas graves, cela affectera la sécurité de la batterie. Le système de gestion de la batterie jugera si la valeur actuelle dépasse la plage de sécurité, et si elle la dépasse,
(2) protection contre les surcharges et les décharges excessives.
Dans le processus de charge, lorsque la tension de charge dépasse la tension de charge de coupure de la batterie, la structure du réseau positif sera détruite et la capacité de la batterie deviendra plus petite. Et lorsque la tension est trop élevée, cela entraînera un danger caché d'explosion dans le court-circuit des pôles positif et négatif. La surcharge est strictement interdite. BMS détecte la tension d'une seule batterie dans le système, et lorsque la tension dépasse la limite de charge, BMS déconnecte le circuit de charge pour protéger le système de batterie.
En cours de décharge, lorsque la tension de décharge est inférieure à la tension de coupure de décharge de la batterie, le collecteur métallique sur l'électrode négative de la batterie sera dissous, causant des dommages irréversibles à la batterie. Lors de la charge d'une batterie trop déchargée, il existe un risque de court-circuit interne ou de fuite. Lorsque la tension dépasse la tension limite de décharge, le BMS ouvre le circuit pour protéger le système de batterie.
(3) protection contre la surchauffe.
Pour la protection contre la surchauffe, il doit être combiné avec les fonctions de gestion thermique ci-dessus. L'activité de la batterie varie à différentes températures. Lorsqu'il est exposé à des températures élevées pendant une longue période, la stabilité structurelle des matériaux de la batterie s'aggrave et raccourcit la durée de vie de la batterie. La limitation de l'activité de la batterie à basse température réduira la capacité disponible, en particulier la capacité de charge deviendra très faible, et peut entraîner des risques pour la sécurité. Le système de gestion de la batterie peut interdire la charge et la décharge lorsque la température de la batterie dépasse la limite de température élevée ou est inférieure à la limite de température basse.
(4) Surveillance de l'isolement.
La fonction de surveillance de l'isolement est également l'une des fonctions importantes pour assurer la sécurité du système de batterie. La tension du système de batterie est généralement de plusieurs centaines de volts, et une fois que la fuite se produit, elle sera dangereuse pour le personnel, la fonction de surveillance de l'isolation est donc très importante. BMS surveillera la résistance d'isolation du total positif et négatif au fer corporel en temps réel. Si la résistance d'isolement est inférieure à la plage de sécurité, le défaut sera signalé et la haute tension sera déconnectée.
Conception du système et exigences techniques.

Lors de la conception du système de gestion de la batterie, nous devons d'abord déterminer la fonction du BMS en fonction des exigences de conception de l'ensemble du véhicule, puis déterminer sa topologie, suivie de la conception logicielle et matérielle du travail principal. Après l'achèvement des travaux de base ci-dessus, nous devons effectuer le test unitaire BMS et le test global de la batterie d'alimentation. Avant la conception logicielle et matérielle, la charge et la décharge, la capacité, la résistance et d'autres caractéristiques de la batterie unique doivent être testées afin de mieux protéger la conception du circuit, la conception de l'algorithme, etc.
La conception du matériel doit être combinée avec les exigences des algorithmes logiciels, et une attention particulière doit être accordée à l'isolation de tension, aux interférences anti-électromagnétiques, à la compatibilité électromagnétique, à l'isolation des communications, à la ventilation et à la dissipation thermique dans le développement des cartes de circuits imprimés et la conception des composants. Les fonctions générales de conception logicielle comprennent la détection de tension, l'acquisition de température, la détection de courant, la détection d'isolation, l'estimation SOC, la communication CAN, la fonction d'égalisation de décharge, la fonction d'autotest du système, la fonction de détection du système, la gestion de la charge, la gestion thermique, etc.
La conception matérielle connexe prend en charge les fonctions de la conception logicielle, telles que le module MCU est utilisé pour collecter et analyser des données, envoyer et recevoir des signaux de contrôle, et le module de détection de courant doit collecter le courant de charge et de décharge de la batterie pendant le processus de charge et de décharge.