Abstrait
Cet article se concentre sur les aspects matériels des systèmes de gestion de batterie (BMS) dans les véhicules électriques et les applications fixes. L'objectif est de décrire les concepts des systèmes avancés existants, permettant aux lecteurs de comprendre les facteurs à prendre en compte lors de la conception de BMS pour des applications spécifiques. Après une brève analyse des exigences générales, plusieurs structures topologiques possibles des packs de batteries et leur impact sur la complexité du BMS ont été étudiées. Prenons comme exemple de quatre blocs de batteries sélectionnés parmi les véhicules électriques disponibles dans le commerce. Par la suite, les aspects de mise en œuvre de la mesure des variables physiques requises (tension, courant, température, etc.), ainsi que les problèmes et stratégies d'équilibrage, ont été discutés. Enfin, les considérations de sécurité et les aspects de fiabilité ont été discutés.
1. Introduction
La complexité des systèmes de gestion de batterie (BMS) dépend de l'application. Une seule batterie, aussi simple qu'un téléphone portable ou un lecteur de livre électronique, peut être mesurée avec un simple circuit intégré « compteur de batterie », qui peut mesurer la tension, la température et le courant et estimer l'état de charge (SOC). Aussi complexe que les véhicules électriques, le BMS doit accomplir des tâches plus complexes. En plus de mesurer les paramètres de base tels que la tension, la température et le courant de la batterie, des algorithmes avancés sont également nécessaires pour déterminer l'énergie disponible afin de calculer l'autonomie de croisière.
Ce travail se concentre sur l’aspect matériel des systèmes de gestion de batteries lithium-ion. La partie 2 présente les exigences matérielles pour le BMS, notamment les valeurs de mesure, les interférences électromagnétiques, l'isolation électrique, les contacteurs et la redondance. La section 3 donne un aperçu de la topologie BMS, clarifie les différences entre les applications simples et complexes et fournit un exemple de batterie de véhicule électrique. La section 4 explique comment répondre aux exigences de mesure des valeurs physiques et aux pièges courants. La section 5 traite de l'équilibre, présente et compare les méthodes d'équilibrage des charges. La section 6 se concentre sur la sécurité et la fiabilité, y compris les risques et les contre-mesures liés au fonctionnement des blocs-batteries haute tension, et présente brièvement les méthodes de mesure de l'isolation et les normes associées.
2. Exigences de conception pour le système de gestion de batterie (BMS)
La conception d'un BMS est une tâche complexe qui nécessite la prise en compte des exigences spécifiques de l'application, de l'environnement système et des caractéristiques des batteries utilisées, à partir desquelles une série d'exigences système peuvent être dérivées. De manière générale, les composants BMS et les exigences fonctionnelles suivants sont généralement pertinents :
Collecte de température
Sélection et placement du capteur :La collecte précise de la température est difficile lors de la conception d'un BMS, et le type de capteur (numérique ou analogique) ainsi que l'emplacement de mesure de la température de la batterie doivent être pris en compte, ce qui détermine le nombre de capteurs de température de la batterie. Parfois, il est nécessaire de collecter la température des contacteurs, des fusibles ou des jeux de barres. Habituellement, il existe une certaine proportion de canaux entre les capteurs de température et les capteurs de tension.
Exigences de température pour différents scénarios d'application :Les exigences de température doivent prendre en compte trois situations : la charge, la décharge et le stockage, tout en prêtant également attention à la constante de temps thermique. Les batteries au lithium-ion ne peuvent pas fonctionner correctement en dehors d'une plage de température spécifique, et le placage au lithium peut se produire à des taux de courant élevés dans la plage de température normale. Il est donc nécessaire de collecter avec précision la température, la tension et le courant. La capacité thermique et la conductivité thermique des batteries sont affectées par des facteurs tels que la structure de la batterie, et un mauvais placement des capteurs de température peut entraîner des erreurs de lecture et des angles morts thermiques.
Acquisition de tension
Canal d'acquisition et précision :Les BMS classiques basés sur des batteries lithium-ion nécessitent au moins un canal d'acquisition de tension pour chaque batterie connectée en série, et certaines applications automobiles disposent également d'une protection secondaire (obtenue via un comparateur à fenêtre programmable). Le taux de conversion des données d'acquisition de tension varie en fonction de l'application, et les puces frontales BMS couramment utilisées ont une certaine précision et résolution de tension.
L’impact sur l’estimation du SOC :En prenant comme exemples les batteries NMC et LFP, il est démontré que la précision de l'acquisition de tension a un impact significatif sur l'estimation du SOC. Plus la précision est élevée, plus l'estimation du SOC est précise, et utiliser uniquement les données de tension pour déterminer le SOC peut ne pas suffire.
Figure 1. La comparaison de l'incertitude SOC dépend de la précision de la tension de ± 1 mV.
Collection actuelle
Méthode de collecte et caractéristiques du capteur :Le SOC peut être déterminé non seulement en mesurant la tension en circuit ouvert (OCV), mais également en utilisant la méthode de comptage de Coulomb (mesure du courant et intégration). Cependant, les capteurs de courant présentent des caractéristiques non idéales telles que des erreurs de dérive, de décalage et de température, et peuvent devoir répondre simultanément à différentes exigences de plage de mesure et disposer d'une certaine bande passante.
Dans les applications pratiques, se fier uniquement au comptage de Coulomb pour déterminer le SOC est inexact, en particulier dans des conditions de courant faible. Pour résoudre ce problème, il est possible de combiner des algorithmes et des modèles paramétrés pour traiter les données actuelles, mais cela dépasse le cadre de cet article.
Exigences en matière de communication
Communication au sein du système :Le BMS doit communiquer avec l'ensemble du système (comme l'électronique de puissance, la gestion de l'énergie ou les unités de contrôle du véhicule), en tenant compte de facteurs tels que le mode de communication, la vitesse, la robustesse et la fiabilité. Par exemple, des interfaces CAN peuvent devoir être fournies dans les véhicules pour la communication du système, et différentes applications peuvent avoir déjà déterminé des exigences de communication au niveau du système, auxquelles le BMS doit s'adapter.
Communication inter-modules :Pour les systèmes modulaires, il est nécessaire de définir la méthode de communication entre les modules maître et esclave, qui est similaire aux exigences de base pour la communication inter-systèmes. Des exemples spécifiques peuvent être trouvés dans les chapitres suivants.
Protection contre les interférences électromagnétiques (EMI)
L'impact des EMI sur les capteurs :Les EMI peuvent affecter la collecte de données des capteurs, et tous les capteurs sont sensibles à leur influence, ce qui peut entraîner une légère distorsion ou une inutilité totale des données.
Mesures pour réduire l’impact des EMI :Pour minimiser l'impact, les moteurs, les composants électroniques de puissance et autres charges doivent avoir une bonne conception EMI, et des dispositifs de filtrage EMI appropriés tels que des selfs de mode commun et des condensateurs de blocage peuvent être utilisés et installés à proximité du chemin de mesure du capteur.
Exigences liées aux contacteurs
La fonction et les exigences des contacteurs :La plupart des batteries nécessitent la possibilité de déconnecter électriquement au moins une électrode, ce qui nécessite un contacteur approprié. En raison de la nature particulière de l'interruption du courant continu et de l'extinction de l'arc, les contacteurs doivent être équipés de dispositifs d'extinction d'arc magnétique et doivent éviter le soudage par contact.
Mesures de sécurité pour les opérations :Pour garantir la sécurité, un circuit spécial (tel qu'une unité de pré-charge composée d'un contacteur et d'une résistance connectés en série) est requis pendant le fonctionnement du contacteur pour garantir qu'il n'y a pas de différence de potentiel entre les deux extrémités et éviter les situations dangereuses.
Exigences de redondance
Le rôle de la redondance dans la fiabilité du système :Selon la norme ISO 26262, la redondance peut améliorer la fiabilité du système. La tension de la batterie est généralement observée de manière redondante dans une certaine mesure, avec deux méthodes : une mesure précise par la puce principale et des informations binaires fournies par la puce auxiliaire.
Concept de redondance de niveau supérieur :Des concepts de redondance existent également dans le traitement de niveau supérieur, tels que le pas de verrouillage, la correction des erreurs de mémoire et les mécanismes d'auto-test dans les processeurs spéciaux.
Exigences d'isolation électrique
Isolation du bloc batterie :La batterie est généralement divisée en parties haute tension et basse tension, qui nécessitent une isolation électrique et peuvent être obtenues par des méthodes optiques, inductives ou capacitives.
Isolation du capteur thermique :Tous les capteurs thermiques doivent également être isolés électriquement pour éviter les défauts haute tension affectant les parties basse tension, similaire au concept de configuration du réseau informatique de distribution d'énergie.
Exigences de solde
L'impact du déséquilibre de charge :Il peut y avoir un déséquilibre de charge entre les batteries connectées en série, ce qui peut affecter les performances et la fiabilité du système, et il est généralement nécessaire de le maintenir à un niveau bas.
Considérations spéciales relatives aux applications :Différentes applications peuvent avoir des considérations particulières, telles que des contraintes de poids ou des exigences en matière de courant de charge, qui peuvent conduire à la génération d'un courant d'équilibrage. La section 5 présentera davantage la nécessité et les méthodes de mise en œuvre de l'équilibrage.
Autres exigences
Exigences liées à la candidature :L'application peut également avoir d'autres exigences, telles que l'espace, le coût, la résistance mécanique du matériel, le poids et la consommation électrique, qui ne font pas l'objet de cet article mais doivent être prises en compte.
3. Structure topologique du BMS
Aperçu de la structure du système de batterie :Afin de répondre aux spécifications électriques du système, les batteries doivent souvent être combinées dans des packs de batteries avec plusieurs topologies de connexion. La connexion en série peut atteindre une plage de tension spécifique et réduire le courant ; La connexion parallèle peut augmenter la capacité. Il existe différentes variantes dans les applications pratiques, telles que la connexion en parallèle de batteries de petite capacité dans des modules et la connexion en série, ou l'utilisation directe de batteries de grande capacité en connexion en série. Différentes topologies ont des impacts différents sur la complexité du BMS, comme l'augmentation du coût de surveillance et d'équilibrage lorsque plusieurs batteries série sont connectées en parallèle.
Figure 2. Diagramme schématique de différentes topologies de blocs-batteries : (a) cellule unique ; (b) Connexion parallèle de deux batteries ; (c) Connexion en série de trois batteries ; (d) Connexion parallèle de deux batteries série et trois batteries série ; (e) Une connexion en série de trois modules constitués de deux batteries parallèles.
Tableau 1. Les caractéristiques des variantes topologiques sont présentées à la figure 2.
Fournissez un exemple pour illustrer la méthode de connexion de la batterie et les exigences en matière de canaux de mesure de tension : par exemple, la combinaison de batteries connectées en série m et de n batteries connectées en parallèle nécessite un nombre différent de canaux de mesure de tension pour différentes méthodes de connexion.
Discussion de cas particulier :Dans certaines applications spéciales (telles que la sonde Mars et la sonde Rosetta de l'Agence spatiale européenne), la surveillance et l'équilibrage d'une seule cellule peuvent ne pas être effectués en raison de facteurs tels que la taille, le poids et la consommation électrique. Bien que certains avis suggèrent qu'une sélection minutieuse des batteries d'un même lot peut omettre la surveillance, des recherches ont montré que même les batteries du même lot peuvent avoir des comportements de vieillissement différents, et l'omission de la surveillance peut présenter des risques. Toutefois, pour les petits systèmes et les tensions de batterie situées dans une certaine plage, l’impact de l’omission de la surveillance peut être relativement faible.
Lié aux circuits intégrés (CI)
IC avec fonction de surveillance de base :Pour réaliser la fonction de surveillance de base du fonctionnement sûr de la batterie, les fabricants de semi-conducteurs proposent divers circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC). Pour les petits appareils électroniques dotés de cellules uniques, il existe un circuit intégré de « jauge de carburant » qui peut surveiller la tension, le courant et la température, estimer le SOC et peut également inclure des fonctions telles que des régulateurs de charge. Par exemple, le « bq27220 » de TI et les circuits intégrés associés de Maxim.
IC pour les systèmes à haute puissance et à forte demande d'énergie
Modularisation et allocation des fonctions :Pour les applications ayant des besoins élevés en puissance et/ou en énergie, un bloc de batteries se compose de plusieurs batteries, et le circuit intégré correspondant peut surveiller simultanément plusieurs batteries et fournir une fonctionnalité d'équilibrage. Il existe un module central (BMS Master) dans le système responsable de fonctions complexes telles que les algorithmes d'estimation SOC et de prédiction de puissance ; Le module IC frontal (esclaves BMS) est responsable des fonctions de base telles que l'acquisition et le filtrage du signal.
Figure 3. Structure BMS typique pour les applications de véhicules électriques.
Différents exemples de circuits intégrés et méthodes d'équilibrage :Par exemple, les bq76PL536A, MAX11068 et LT6802G-2 de TI fournissent un équilibrage passif, tandis que l'AS8506C d'AMS peut être utilisé pour une topologie d'équilibrage passif et offre également une capacité d'équilibrage actif. Certains circuits intégrés ont des produits successeurs et pour améliorer la fiabilité de la surveillance de la tension, des circuits intégrés de protection secondaire peuvent être utilisés. Même si un BMS entièrement redondant peut améliorer la fiabilité, le coût est élevé.
Communication et transmission de données
Méthode de connexion IC frontale :Les circuits intégrés frontaux peuvent généralement être connectés via une chaîne en série, et différents circuits intégrés ont différentes méthodes d'interface. Le MAX11068 est connecté via le port I2C, le bq76PL536A de TI fournit plusieurs interfaces et le LT6802G-2 est connecté via le bus SPI (nécessitant un isolateur numérique supplémentaire).
Méthode de communication du système :Dans le système, des microcontrôleurs à faible coût sont généralement utilisés pour connecter des circuits intégrés sur le même PCB, et les modules sur d'autres PCB et les modules principaux BMS sont connectés via un bus de terrain (tel que CAN).
Cas réel
Mitsubishi i-MiEV :La batterie se compose de plusieurs modules reliés par des vis, avec 88 batteries prismatiques. Le PCB du module contient des circuits intégrés de surveillance et des capteurs de température, et le boîtier de la batterie contient plusieurs composants. Le module principal BMS est situé sous les sièges arrière du véhicule et communique via un bus CAN interne. Par rapport aux autres batteries, son espace interne est plus spacieux, ce qui peut être un effet secondaire du refroidissement par air.
Figure 4. (a) Batterie Mitsubishi i-MiEV ; (b) Batterie Volkswagen e-Up ; (c) Bloc-batterie Smart fortwo à propulsion électrique. Remarque : Les méthodes de mise à l'échelle sont différentes.
Figure 5. (a) Vue de dessus du module de batterie Tesla Model S ; (b) Module batterie Volkswagen e-Up, module 6s2p, vue de dessus.
Smart Fortwo édition électrique :La batterie se compose de batteries de poche connectées de la série 90, avec un système de refroidissement, et les tâches de surveillance de base sont effectuées par le circuit intégré de TI, similaire au bq76PL536A. Chaque PCB contient plusieurs circuits intégrés de surveillance et microcontrôleurs, et le module principal BMS est situé à l'intérieur du boîtier de la batterie, avec une intégration élevée et peu de câbles.
Volkswagen e-Up :La batterie contient plusieurs modules en série, sans système de refroidissement ni dispositif de déconnexion de service, module BMS centralisé, connecté à la batterie et au circuit intégré de mesure (MAX11068) via un grand nombre de lignes de mesure de tension, avec un grand nombre de résistances équilibrées et un microcontrôleur sans conversion. signaux.
Tesla modèle S :La batterie est composée d'un grand nombre de batteries 18650, divisées en plusieurs modules, connectés via des fils de liaison. Le BMS est surveillé à l'aide du bq76PL536A-Q1 de TI et la tension est mesurée via des fils de soudage. Par rapport aux autres batteries, son niveau d'intégration est différent, comme le faible niveau d'intégration de Volkswagen e-Up et le niveau d'intégration élevé de Smart Fortwo.
4. Aperçu de la technologie de mesure des systèmes de batteries HT
L’importance de la technologie de mesure :La technologie de mesure est un élément clé des systèmes de gestion de batterie, qui peut déterminer des variables d'état telles que SOC, SOH, SOF, etc. Elle mesure généralement des variables telles que la tension de la batterie, la tension totale, le courant total et la température des systèmes de batterie. Ces variables d'état peuvent protéger le système de batterie contre des dommages tels qu'une surcharge ou une décharge excessive, et optimiser l'utilisation du système de batterie.
Exigences du capteur :Déterminez les exigences typiques pour les capteurs basés sur les applications de stockage sur batterie, y compris le coût, la bande passante, la précision, la plage de mesure et la taille, comme détaillé dans la section 2.
Mesure de courant
Classification des méthodes de mesure :L'équipement de collecte de courant est divisé en deux technologies de capteurs de base : la connexion électrique et l'isolation. La détection de courant par résistance shunt couramment utilisée appartient au type de connexion électrique, et le capteur Hall est un exemple de type d'isolation.
Outre la technologie des capteurs, l'emplacement dans la batterie doit également être pris en compte. Pour les systèmes de batteries contenant plusieurs chaînes commutables, chaque chaîne doit être équipée d'un dispositif de surveillance du courant pour suivre le déséquilibre de puissance.
Mesure de la résistance shunt
Principe et caractéristiques de mesure :En combinant une faible résistance, une résistance de haute précision et un système de mesure de tension de haute précision, le courant est mesuré. La résistance est située sur le chemin du courant, et une perte de puissance et une augmentation de la température se produisent lorsque le courant la traverse. Lors de la sélection d’une résistance, il est nécessaire d’équilibrer la perte et la nécessité de générer une chute de tension appropriée. Lors de mesures de haute précision, le coefficient de température et la stabilité à long terme de la résistance doivent également être pris en compte.
Cette méthode peut être utilisée pour mesurer des courants continus et alternatifs et présente les avantages de simplicité, de linéarité et de bande passante élevée. Cependant, la plage de mesure est limitée par la précision de la mesure de tension.
Comparaison des mesures du côté bas et du côté haut
La mesure du côté bas fait référence à la résistance située entre la borne positive de la batterie et la charge. Son avantage est que la tension de mode commun d'entrée est faible et qu'un grand nombre d'amplificateurs de détection de courant peuvent être utilisés. Le circuit est simple et économique, mais il interférera avec le chemin de terre et ne pourra pas détecter un contournement de courant de charge élevé.
La mesure du côté haut fait référence à la résistance située entre la charge et le pôle négatif ou la masse de la batterie. Son avantage est qu'il peut éviter les interférences sur le chemin de terre et détecter les courts-circuits, mais il nécessite une conversion de niveau de la sortie de l'amplificateur et nécessite que l'amplificateur résiste à une tension de mode commun élevée.
Capteurs de courant sans contact (capteurs à effet Hall, etc.)
Principe de mesure et avantages :Utilisation du champ magnétique généré par le courant pour la mesure, comme les capteurs Hall basés sur l'effet Hall, sans augmenter la résistance du trajet du courant, sans pertes conductrices supplémentaires, avec des avantages d'isolation électrique et sans avoir besoin d'optocoupleurs ou d'isolateurs numériques supplémentaires pour le conditionnement du signal.
Les capteurs à effet Hall peuvent être achetés sous forme de circuits intégrés, placés sur le chemin du courant, et leur sortie doit être filtrée. Il existe également des modules complets disponibles, composés d'anneaux de ferrite contenant des capteurs à effet Hall et pouvant assurer une isolation électrique.
Caractéristiques et limites du capteur :Le principal inconvénient est une bande passante limitée, ne dépassant généralement pas des dizaines de kHz, et une dérive de température dans le signal de sortie qui doit être compensée. Si le système de batterie nécessite une bande passante plus élevée, une mesure de résistance shunt doit être utilisée, et les capteurs Hall sont coûteux et encombrants.
Mesure de tension
Différenciation de la mesure de la tension des batteries :Dans les batteries lithium-ion, il est nécessaire de faire la distinction entre la mesure de la tension de chaque batterie et la tension totale de la batterie. Les plages de tension des deux sont différentes et la somme de toutes les tensions de la batterie doit être égale à la tension totale, ce qui peut être utilisé comme critère de jugement de rationalité.
Mesure de la tension de la batterie :généralement complété par une puce frontale BMS intégrée. Le nombre de batteries pouvant être connectées aux puces sur le marché varie, et la redondance et la fiabilité du système peuvent également être améliorées grâce à des circuits intégrés de supervision secondaires.
Mesure de la tension du bloc batterie :complété par une unité de mesure distincte, comprenant un diviseur de tension, un convertisseur d'impédance, un filtre et un convertisseur analogique-numérique (ADC). Le diviseur de tension est utilisé pour réduire la tension de la batterie à une plage appropriée, ce qui peut nécessiter plusieurs résistances pour assurer la sécurité, ainsi qu'une diode Zener pour protéger le circuit suivant. Dans le même temps, des convertisseurs d'impédance, des filtres et des CAN sont utilisés pour obtenir la tension mesurée.
Mesure de température
Types et principes courants des capteurs de température :Les capteurs de température courants incluent les types à coefficient de température négatif (NTC) et à coefficient de température positif (PTC), qui mesurent la température en mesurant la chute de tension sous un courant constant. Leur résistance varie en fonction de la température et peut être utilisée dans une certaine plage de température, mais il existe des problèmes non linéaires.
Problèmes et solutions dans l'utilisation des capteurs :En raison de la non-linéarité, une table de recherche est requise dans la chaîne de traitement numérique pour calibrer les calculs de température. Certains capteurs utilisent également des interfaces numériques plus pratiques à utiliser, mais les problèmes EMI doivent être pris en compte lorsqu'ils sont placés à proximité de chemins à haute puissance dans des batteries. D'autres méthodes de mesure telles que la PTC métallique et le thermocouple peuvent fournir une plus grande précision et une plage de température plus large, mais avec une complexité électronique plus élevée.
Transmission de données
Les caractéristiques et scénarios d’application des différents bus de communication :la communication est requise entre les modules BMS et entre le BMS et l'ensemble du système. Le bus CAN est couramment utilisé dans les environnements automobiles, avec flexibilité et résistance au bruit ; Le bus LIN est relativement simple mais lent en vitesse, a une faible flexibilité et n'est pas différentiel, ce qui le rend adapté aux scénarios avec des exigences de coût élevées ; Les autres interfaces de communication à courte portée telles que les bus SPI, I2C et OneWire ne conviennent pas à la communication module à module longue distance et sujette aux interférences ; Si la vitesse du bus CAN est insuffisante ou si une capacité déterministe en temps réel est requise, le bus FlexRay ou Ethernet peut être utilisé.
5. Équilibre de la batterie
La raison de la différence dans le SOC de la batterie :Dans les batteries connectées en série, les différences de production et les différentes conditions de fonctionnement et environnementales (telles que la température) peuvent entraîner des inégalités entre les batteries. Ces facteurs peuvent entraîner des conditions initiales, un vieillissement et des taux d'autodécharge différents, entraînant des écarts dans les valeurs de SOC, de capacité et de résistance. Cette section se concentre principalement sur les différences de SOC et de capacité, et n'implique pas de différences de résistance interne. Des recherches ont montré que même les batteries ayant la même capacité et la même charge initiales connaîtront des différences de capacité après utilisation. Par exemple, les batteries 18650 avec la même capacité initiale, avec une capacité restante de 80 % comme norme de fin de vie, ont une durée de vie comprise entre 1000-1500 fois. Dans le même temps, il existe des différences dans le taux d'autodécharge des différentes batteries, telles que les batteries souples commerciales stockées à 40 degrés C, où la résistance d'autodécharge varie entre 10 000 Ω et 14 000 Ω.
Figure 6. (a) Raisons du déséquilibre des cellules de batterie, chiffres basés sur [57] ; (b) La classification des différentes méthodes d'équilibre fait référence à la direction du transfert d'énergie comme nom de la méthode non dissipative indiquée.
La nécessité de l'équilibre :Les différences de SOC, de capacité et de résistance interne peuvent entraîner une diminution de l'énergie disponible de la batterie, qui peut être résolue grâce à un circuit d'équilibrage.
Aperçu des méthodes d'équilibrage
Implémentation matérielle :La littérature décrit diverses méthodes de mise en œuvre matérielle pour les circuits d'équilibrage, qui peuvent être classées en différentes structures topologiques, méthodes de contrôle (telles que active/passive) ou disponibilité commerciale.
Méthodes d’équilibrage dans les applications commerciales :La plupart des batteries commerciales utilisent des systèmes d'équilibrage passif contrôlés, obtenus par des résistances d'équilibrage parallèles aux deux extrémités de la batterie. Cette méthode ne peut résoudre le problème de la variation du SOC qu'avec un faible courant d'équilibre (environ 100 mA) et aucun changement dans la capacité de la batterie, qui peut être limitée par la dissipation d'énergie du BMS ou par le diamètre du câble entre la batterie et le circuit de surveillance. Chaque batterie ou combinaison de batteries parallèles possède une résistance d'équilibrage commutable avec une valeur de résistance comprise entre 30 Ω -40 Ω (en supposant une tension de batterie de 4,2 V), et chaque batterie consomme de l'énergie entre 387 mW -430 mW.
Méthodes pour résoudre différents problèmes de capacité :Pour résoudre différents problèmes de capacité, des méthodes plus complexes sont nécessaires pour redistribuer l’énergie entre les batteries à l’aide de l’électronique de puissance. Cependant, ces méthodes nécessitent des algorithmes de contrôle complexes et des inducteurs coûteux. Bien qu'il existe des produits BMS IC associés, ils n'ont pas été largement utilisés dans les batteries automobiles commerciales.
6. Sécurité etd fiabilité
L’objectif global de réduction des risques :L'un des principaux objectifs du BMS est de réduire les risques liés au fonctionnement des batteries lithium-ion dans les packs de batteries.
Figure 7. Modèle de circuit équivalent du frontal d'acquisition de tension de batterie, démontrant la détectabilité des défauts de ligne de détection.
Mesures de sécurité spécifiques
Sécurité haute tension :La sécurité haute tension de la batterie est assurée grâce à des circuits de surveillance de l'isolation et de verrouillage, qui peuvent réduire le risque d'arc causé par la pollution ou la condensation. Dans le même temps, la conception matérielle du BMS doit respecter les normes en vigueur pour garantir la ligne de fuite et le dégagement électrique du PCB et des connecteurs.
Isolation électrique :Pour garantir l'isolation électrique de la tension élevée de la batterie au niveau des interfaces avec d'autres unités de commande ou sources d'alimentation auxiliaires, un équipement d'isolation répondant à la norme « isolation améliorée » peut être utilisé. Des optocoupleurs traditionnels sont utilisés, mais désormais les « isolateurs numériques » ont de meilleures performances IC.
Mesures de prévention des incendies :Placez des capteurs de température à l’intérieur de la batterie et réagissez aux températures critiques. Des méthodes de détection de température sans capteur (telles que la spectroscopie d'impédance électrochimique) et de nouvelles méthodes de mesure de température peuvent également être utilisées pour réduire le risque d'incendie.
Contacteur et fusible :Utilisez un contacteur pour déconnecter la batterie du système, tout en coordination avec un fusible. Tenez compte des caractéristiques opérationnelles des deux et de l’impact de la capacité et de l’inductance parasites au sein de la batterie sur la sélection des fusibles.
Sécurité interne des batteries :BMS doit garantir que la batterie est chargée dans la plage de température spécifiée, en évitant le placage au lithium à basse température et la décharge profonde avant l'utilisation. Parallèlement, des algorithmes de diagnostic peuvent être utilisés pour détecter les courts-circuits internes.
Figure 8. Mesure d'isolation : (a) Isolation dans les connexions informatiques ; (b) Diagramme schématique de la mesure de l'isolation.
Problèmes liés à la conception matérielle du BMS
Détection de défaut de capteur :Avec la complexité croissante de la mise en œuvre du matériel et des logiciels BMS, la probabilité d'erreurs logicielles et de pannes de capteurs augmente. Par exemple, les défauts de câble dans la détection de la tension de la batterie ne sont pas facilement détectés par la seule mesure de la tension, mais peuvent être détectés par les systèmes d'équilibrage de la batterie ou les circuits de source de courant.
Contrôle de validité du capteur :D'autres défauts, tels que les défauts des capteurs, peuvent être détectés grâce à des algorithmes de diagnostic, et la validité des signaux des capteurs peut être vérifiée à l'aide du comportement électrique de la batterie.
Mesure d'isolation
L'importance et la structure du système de mesure de l'isolation :Le système haute tension des véhicules électriques ou partiellement électriques est généralement construit comme un réseau informatique et doit détecter le premier défaut. Lors de la mesure de la résistance d'isolement, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques de capacité et de résistance du système, car la capacité peut interférer avec la mesure.
Méthodes de mesure courantes :Les méthodes courantes incluent la mesure du courant de mode commun à l'aide d'une bobine en boucle et le calcul de la résistance d'isolement en modifiant le potentiel entre le système et le châssis via des commutateurs et des résistances. D'autres méthodes plus simples ou plus complexes sont également présentées.
Normes de mesure d'isolation :La mesure de l'isolement comporte des spécifications standard pertinentes pour les méthodes de mesure et les exigences minimales en matière de résistance d'isolement. Différentes normes présentent des différences dans les méthodes de mesure, les valeurs de résistance et le temps de mesure.
7. Résumé
Exigences générales et considérations de conception :Cet article présente les concepts courants du matériel BMS, en partant des exigences générales et en fournissant des considérations de mise en œuvre. Le processus de conception doit inclure autant de paramètres que possible, mais les exigences doivent être définies en fonction des besoins du périphérique cible. Les exigences des différentes applications varient considérablement et ces exigences constituent un bon point de départ pour les considérations de conception des blocs-batteries.
Topologie GTB :La structure du système de batterie affecte la topologie du BMS, et certaines applications utilisent des méthodes de surveillance spéciales pour réduire le poids ou la complexité, comme les quatre batteries de véhicules électriques commerciaux comparées à la section 3.3, qui présentent certains points communs en raison de leurs applications similaires (telles que l'utilisation de la communication CAN). ), mais diffèrent par l'intégration et la communication interne.
Mesure de la valeur physique :La section 4 fournit une introduction détaillée aux méthodes de collecte et de transmission des valeurs physiques requises. Différentes exigences de mesure nécessitent la sélection de différentes méthodes en fonction des contraintes et des besoins de l'application.
Problème d'équilibre :La section 5 décrit les raisons et les méthodes de compensation du déséquilibre de charge dans les batteries en série, l'équilibrage passif étant actuellement la méthode la plus couramment utilisée.
Sécurité et fiabilité :La section 6 donne un aperçu des aspects de sécurité, y compris le respect des plages de fonctionnement de la batterie pour garantir la durée de vie et protéger les utilisateurs des risques liés à la haute tension. Il présente des méthodes standard de surveillance de l'isolation et mentionne la nécessité de prendre en compte les risques au niveau du système lors de la protection des batteries.