С быстрой разработкой новых энергетических транспортных средств применение BMS стало обычным явлением BMS отвечает за мониторинг и защиту аккумулятора от условий, которые могут нанести ущерб аккумулятору, транспортному средству, пользователю или окружающей среде BMS также отвечает за предоставление точных оценок SOC и SOH, чтобы гарантировать, что производительность аккумулятора и деградация емкости минимизировалась на протяжении всего жизненного цикла батареи, обеспечивая опыт вождения пользователя

Основная структура BMS обычно состоит из трех ICS: аналоговый передний конец (AFE), микроконтроллер (MCU) и кулону (рис 1) Кулона может быть отдельным IC или встроенным в MCU MCU является основным компонентом BMS, и в то время как он подключен к остальной части системы, он также получает информацию из AFE и кулона

Рисунок 1 Диаграмма BMS Architecture Block

AFE предоставляет информацию о напряжении, температуре и тока для ячеек и модулей для MCU и кулонометров Поскольку AFE физически ближе к аккумулятору, AFE также может управлять выключателем цепи, что отключит батарею от остальной части системы, если какой -либо сбой будет запускается
IC Coulometer берет информацию о ячейке из AFE, а затем использует сложное моделирование клеток и передовые алгоритмы для оценки ключевых параметров, таких как SOC и SOH Функции кулона могут быть реализованы через MCU, но есть несколько преимуществ использования специального IC Coulometer:

· Эффективный дизайн: Использование выделенных ICS для запуска сложных алгоритмов позволяет дизайнерам использовать более низкую спецификацию MCU, снижая общую стоимость и потребление тока
· Улучшенная безопасность: выделенный кулон измеряет отдельный SOC и SOH для каждой комбинации тандемных ячейков в батарейке, что обеспечивает более точную точность измерения и обнаружение старения на протяжении всего жизненного цикла батареи Это важно, потому что импеданс батареи и емкость расходятся со временем, влияя на время безотказной работы и безопасность

Повысить точность SOC и SOH
Основной целью разработки высокой учебы BMS является предоставление точных расчетов для SOC и SOH батареи Дизайнеры BMS могут подумать, что единственный способ достичь этого-это использовать AFE с более высокой рецепцией, но это только один фактор в общей точности вычисления Наиболее важными факторами являются модель кулона батареи и алгоритм расчета кулона, за которым следует способность AFE обеспечивать синхронные показания тока напряжения для расчета сопротивления аккумулятора
Кулона преобразует измерения напряжения, тока и температуры в выходы SOC и SOH, анализируя информацию, рассчитанную в режиме реального времени алгоритмом в отношении конкретной модели батареи, хранящейся в его памяти Модель ячейки генерируется путем характеристики ячейки при различной температуре, емкости и условиях нагрузки, математически определяя его напряжение с открытым кругом, а также компоненты сопротивления и емкости Эта модель позволяет алгоритму кулона для расчета оптимального SOC на основе изменения этих параметров в различных условиях эксплуатации Следовательно, если модель батареи или алгоритм кулона неточна, расчет неточен независимо от точности, с которой измерение проводится AFE

Синхронное чтение напряжения и тока
Хотя почти все AFE предлагают разные АЦП для напряжения и тока, не все AFE предлагают фактические измерения синхронного тока и напряжения для каждой ячейки Эта функция, называемая синхронным показанием с точкой напряжения, позволяет кулонам точно оценить эквивалентное серийное сопротивление (ESR) батареи Поскольку СОс варьируется в зависимости от различных условий работы и времени, оценка СОС в режиме реального времени позволяет получить более точные оценки SOC

На рисунке 2 показана ошибка синхронизированного чтения по сравнению с несинхронизированным чтением

Рисунок 2 Сравнение ошибок SOC с и без синхронного чтения

Прямой контроль разлома AFE
Как упоминалось ранее, наиболее важной ролью AFE в BMS является управление защитой AFE может непосредственно управлять цепью защиты, защищая систему и батарею при обнаружении неисправности Некоторые системы реализуют контроль неисправностей в MCU, но это приводит к более длительному времени отклика и требует большего количества ресурсов от MCU, увеличивая сложность прошивки
Advanced AFE использует свою АЦП и конфигурацию пользователя для обнаружения любых условий сбоя AFE отвечает на сбои, включив защитный MOSFET, чтобы обеспечить истинную защиту оборудования Таким образом, MCU может действовать как механизм вторичной защиты для более высокой безопасности и надежности

Защита аккумулятора для измерений высокого и низкого напряжения
При разработке BMS важно рассмотреть, где расположен защищенный аккумуляторным автоматическим выключателем Как правило, эти схемы реализуются с использованием N-канальных MOSFET, потому что они имеют более низкое внутреннее сопротивление по сравнению с MSFET P-канала Эти автоматические выключатели могут быть размещены на стороне высокого напряжения (положительный терминал аккумулятора) или на стороне низкого напряжения (отрицательный клемма батареи)
Высокая боковая архитектура гарантирует хорошее заземление (GND), чтобы избежать потенциальных проблем безопасности и связи в случае короткого замыкания Кроме того, чистое, стабильное соединение GND помогает уменьшить колебания эталонного сигнала, которые являются ключом к точной работе MCU
Тем не менее, когда N-канальные тела размещены на положительном конце ячейки, для их затвора требуется напряжение выше, чем у батареи, что делает процесс проектирования более сложным Следовательно, специализированные зарядные насосы, интегрированные в AFE, часто используются в высококлассных архитектурах, что увеличивает общую стоимость и потребление тока IC
Для конфигураций низкого уровня насосы заряда не требуются, но труднее достичь эффективной связи в конфигурациях с низким напряжением, поскольку при включении защиты нет ссылки на GND

Баланс аккумулятора для продления срока службы батареи
Борьба с питанием обычно состоит из ряда ячеек последовательно и параллельно Каждая ячейка теоретически идентична, но каждая ячейка обычно ведет себя немного по -разному из -за производственных допусков и химических различий Со временем эти различия становятся более значительными, поэтому балансировка батареи имеет важное значение
Пассивное выравнивание является наиболее распространенным методом, который требует разрядки наиболее заряженных батарей, пока все они не имеют равных зарядов Пассивное балансирование подразделений в AFE может быть сделано снаружи или внутри Внешнее балансирование обеспечивает больший ток баланса, но также увеличивает DOD (как показано на рисунке 3)

Рисунок 3 Диаграмма баланса внешнего батареи

Внутренний баланс, с другой стороны, не увеличивает СОО, но обычно он ограничивает ток баланса до более низкого значения из -за рассеивания тепла (рис 4) При определении внутреннего и внешнего баланса необходимо учитывать стоимость внешнего оборудования и целевого баланса

Рисунок 4 Блок -схема внутренней единичной баланса