Le système de gestion de batterie (BMS) est une technologie spécialement conçue pour superviser les blocs-batteries, qui sont des composants de cellules de batterie qui sont électriquement organisés dans une configuration matricielle en rangées et en colonnes pour fournir une plage cible de tension et de courant pour les conditions de charge attendues sur une période de temps. .
La supervision assurée par BMS comprend généralement :
- Batterie de surveillance
- Assurer la protection de la batterie
- Estimer l'état de fonctionnement de la batterie
- Optimisation continue des performances de la batterie
- Signaler l'état de fonctionnement aux appareils externes
Ici, le terme 'batterie« désigne la batterie entière ; Cependant, les fonctions de surveillance et de contrôle sont spécifiquement appliquées à des batteries individuelles ou à des blocs-batteries, appelés modules au sein de l'ensemble du bloc-batterie dans son ensemble. Les batteries rechargeables au lithium-ion ont la densité énergétique la plus élevée et constituent le choix standard pour de nombreuses batteries grand public, des ordinateurs portables aux véhicules électriques. Bien qu'ils fonctionnent bien, ils peuvent être assez impitoyables s'ils sont utilisés en dehors de la zone d'exploitation sécurisée (SOA) généralement étroite, avec des résultats allant de la dégradation des performances de la batterie à des conséquences totalement dangereuses. La description de poste de BMS est sans aucun doute un défi, car sa complexité globale et l'étendue de sa supervision peuvent impliquer plusieurs disciplines telles que l'électricité, le numérique, le contrôle, la thermique et l'hydraulique.
Comment fonctionne le système de gestion de la batterie ?
Il n’existe aucune norme fixe ou unique qui doit être adoptée pour les systèmes de gestion de batterie. La portée de la conception technique et les caractéristiques de mise en œuvre sont généralement liées aux éléments suivants :
- Le coût, la complexité et la taille des batteries
- L'application des batteries et tout problème de sécurité, de durée de vie et de garantie
- Les exigences de certification de diverses réglementations gouvernementales, si les mesures de sécurité fonctionnelle ne sont pas en place, les coûts et les pénalités sont cruciaux
Le BMS a de nombreuses fonctions de conception, et la gestion de la protection des batteries et la gestion de la capacité sont deux fonctions de base. Nous discuterons ici du fonctionnement de ces deux fonctions. Il existe deux domaines clés dans la gestion de la protection des batteries : la protection électrique, ce qui signifie que les batteries ne peuvent pas être endommagées lorsqu'elles sont utilisées en dehors de SOA ; Protection thermique, qui implique un contrôle passif et/ou actif de la température pour maintenir ou amener la batterie en SOA.
Protection de la gestion électrique : courant
La surveillance du courant de la batterie et de la tension de la batterie ou du module est un moyen d'obtenir une protection électrique. Le SOA électrique de toute cellule de batterie est limité par le courant et la tension. La figure 1 montre une SOA de batterie lithium-ion typique, dans laquelle un BMS bien conçu protégera la batterie en l'empêchant de fonctionner en dehors des limites nominales de la batterie du fabricant. Dans de nombreux cas, un déclassement supplémentaire peut être appliqué dans la zone de sécurité SOA pour prolonger la durée de vie de la batterie.
Les batteries au lithium-ion ont des limites de courant de charge et de décharge différentes, et les deux modes peuvent gérer des courants de pointe plus élevés, même si le temps est court. Les fabricants de batteries spécifient généralement des limites maximales de courant de charge et de décharge continue, ainsi que des limites de tension de pointe de charge et de décharge. Le BMS qui fournit une protection actuelle appliquera certainement un courant continu maximum. Toutefois, des changements soudains dans les conditions de charge peuvent être pris en compte au préalable ; Par exemple, une accélération soudaine des véhicules électriques. BMS peut combiner la surveillance du courant de pointe en intégrant le courant et en décidant de réduire le courant disponible ou d'interrompre complètement le courant de groupe après le temps Δ. Cela permet au BMS d'avoir une sensibilité presque instantanée aux pics de courant extrêmes, tels que les situations de court-circuit qui n'attirent pas l'attention des fusibles résidents, mais peuvent également tolérer des demandes de pointe élevées tant qu'elles ne sont pas excessives pendant trop longtemps.
Protection de la gestion électrique : tension
La figure 2 montre que les batteries lithium-ion doivent fonctionner dans une certaine plage de tension. Ces limites SOA seront finalement déterminées par les propriétés chimiques inhérentes à la batterie lithium-ion sélectionnée et par la température de la batterie à un moment donné. De plus, en raison de la grande quantité de cycles de courant, de décharge due à la demande de charge et de charge à partir de diverses sources d'énergie que subit tout bloc de batterie, ces limitations de tension SOA sont souvent davantage restreintes pour optimiser la durée de vie de la batterie. BMS doit connaître quelles sont ces limites et prendre des décisions en fonction de la proximité de ces seuils. Par exemple, à l'approche de la limite haute tension, le BMS peut demander une diminution progressive du courant de charge, ou si la limite est atteinte, il peut demander l'arrêt complet du courant de charge. Cependant, cette limitation s'accompagne souvent de considérations supplémentaires inhérentes à l'hystérésis de tension pour empêcher les oscillations de commande concernant le seuil de désactivation. D'un autre côté, à l'approche de la limite basse de tension, le BMS demandera aux charges actives critiques non conformes de réduire leur demande de courant. Dans le cas des véhicules électriques, cela peut être réalisé en réduisant le couple admissible disponible pour le moteur de traction. Bien entendu, le BMS doit donner la priorité à la sécurité du conducteur et protéger la batterie contre les dommages permanents.
Protection de gestion thermique : Température
En apparence, les batteries lithium-ion ont une large plage de températures de fonctionnement, mais en raison de taux de réaction chimique nettement plus lents, la capacité globale de la batterie diminue à basse température. En termes de capacité à basses températures, leurs performances sont en effet bien meilleures que les batteries au plomb ou NiMh ; Cependant, la gestion de la température est cruciale car une charge en dessous de 0 degrés C (32 degrés F) est physiquement problématique. Pendant une charge sous le point de congélation, le phénomène de galvanoplastie du lithium métallique peut se produire sur l'anode. Il s'agit d'un dommage permanent qui entraîne non seulement une diminution de la capacité, mais augmente également le risque de panne de la batterie si elle est soumise à des vibrations ou à d'autres conditions de stress. BMS peut contrôler la température de la batterie via le chauffage et le refroidissement.
La mise en œuvre de la gestion thermique dépend entièrement de la taille et du coût de la batterie, des objectifs de performances, des normes de conception du BMS et des unités de produits, qui peuvent inclure des considérations liées à la zone géographique cible. Quel que soit le type de radiateur, il est généralement plus efficace d’extraire l’énergie d’une source d’alimentation CA externe ou de batteries résidentes alternatives utilisées pour faire fonctionner le radiateur en cas de besoin. Cependant, si le radiateur électrique a une consommation de courant modérée, l’énergie de la batterie principale peut être siphonnée pour se chauffer. Si un système hydraulique chaud est utilisé, un chauffage électrique est utilisé pour chauffer le liquide de refroidissement pompé et distribué dans l'ensemble du composant.
Il ne fait aucun doute que les ingénieurs de conception de BMS possèdent certaines compétences dans le secteur de la conception pour injecter de l’énergie thermique dans les batteries. Par exemple, divers dispositifs électroniques de puissance dédiés à la gestion de capacité au sein du BMS peuvent être activés. Bien qu’il ne soit pas aussi efficace que le chauffage direct, il peut néanmoins être utilisé quoi qu’il arrive. Le refroidissement est particulièrement important pour minimiser la perte de performances des batteries lithium-ion. Par exemple, une batterie donnée fonctionne peut-être mieux à 20 degrés Celsius ; Si la température de l'emballage est augmentée à 30 degrés C, son efficacité de performance peut diminuer de 20 %. Si la batterie est continuellement chargée et rechargée à une température de 45 degrés C (113 degrés F), la perte de performances peut atteindre 50 %. Si elle est continuellement exposée à des environnements surchauffés, en particulier lors de cycles de charge et de décharge rapides, la durée de vie de la batterie peut également vieillir et se dégrader prématurément. Le refroidissement est généralement obtenu par deux méthodes, passive ou active, et les deux techniques peuvent être utilisées. Le refroidissement passif repose sur le mouvement du flux d’air pour refroidir la batterie. Quant aux véhicules électriques, cela signifie qu’ils roulent uniquement sur route. Cependant, cela peut être plus complexe qu'il n'y paraît, car le capteur de vitesse d'air peut être intégré pour ajuster automatiquement et stratégiquement le barrage d'air de déflexion afin de maximiser le débit d'air. La mise en œuvre de ventilateurs actifs à température contrôlée peut être utile à basse vitesse ou lorsque le véhicule est à l'arrêt, mais tout cela vise simplement à maintenir la batterie à la même température que l'environnement. S'il fait chaud, cela peut augmenter la température initiale de l'emballage. Le refroidissement actif hydraulique chaud peut être conçu comme un système supplémentaire, utilisant généralement un liquide de refroidissement à l'éthylène glycol avec un rapport de mélange spécifié, circulant à travers des tuyaux/tuyaux, des collecteurs de distribution, des échangeurs de chaleur à flux croisés (radiateurs) et des plaques de refroidissement contre les composants de la batterie à l'aide d'un système électrique. pompe. BMS surveille la température de l'ensemble de la batterie et ouvre et ferme diverses vannes pour maintenir la température de l'ensemble de la batterie dans une plage de température étroite afin de garantir des performances optimales de la batterie.
Gestion des capacités
Maximiser la capacité de la batterie peut être considéré comme l’une des caractéristiques de performance de la batterie les plus importantes fournies par BMS. Si cet entretien n’est pas effectué, le pack batterie peut éventuellement devenir inutile. La racine du problème réside dans le fait que « l’empilement » des blocs-batteries (matrices de batteries en série) n’est pas complètement égal et présente essentiellement des taux de fuite ou d’auto-décharge légèrement différents. Les fuites ne sont pas un défaut du fabricant, mais plutôt des propriétés chimiques de la batterie, même si elles peuvent être statistiquement affectées par des modifications mineures du processus de fabrication. Au départ, les packs de batteries peuvent avoir des batteries bien assorties, mais au fil du temps, la similarité entre les batteries diminue encore, non seulement en raison de l'autodécharge, mais également sous l'influence des cycles de charge/décharge, de l'augmentation de la température et du vieillissement général du calendrier. Dans cette optique, rappelant la discussion précédente, les batteries lithium-ion fonctionnent bien, mais peuvent se révéler assez impitoyables si elles sont utilisées en dehors d’une SOA stricte. Nous avons déjà entendu parler de la protection électrique requise, car les batteries lithium-ion ne supportent pas bien la surcharge. Une fois complètement chargés, ils ne peuvent pas accepter plus de courant, toute énergie supplémentaire sera convertie en chaleur et la tension peut augmenter rapidement, atteignant potentiellement des niveaux dangereux. Il ne s’agit pas d’un état sain pour les cellules et, si cela persiste, cela peut provoquer des dommages permanents et des conditions de fonctionnement dangereuses.
La connexion en série des batteries détermine la tension de l’ensemble du bloc-batterie, et la disparité entre les batteries adjacentes peut entraîner des difficultés lors de la tentative de chargement d’un bloc-batterie. La figure 3 montre pourquoi cela se produit. Si une personne dispose d'un ensemble de batteries complètement équilibré, alors tout va bien car chaque batterie se chargera de manière égale et le courant de charge peut être coupé lorsque le seuil supérieur de tension de 4,0 est atteint. Cependant, dans une situation de déséquilibre, la batterie supérieure atteindra sa limite de charge plus tôt que prévu et le courant de charge de la branche devra être interrompu avant que les autres batteries inférieures ne soient chargées à pleine capacité.
Pour démontrer son principe de fonctionnement, une définition clé doit être expliquée. L'état de charge (SOC) d'une batterie ou d'un module à un instant donné est directement proportionnel à la puissance disponible par rapport à la puissance totale une fois complètement chargé. Par conséquent, une batterie à 50 % SOC signifie qu’elle a été chargée à 50 %, similaire au facteur de qualité d’un wattmètre. La gestion de la capacité du BMS consiste à équilibrer les changements SOC de chaque pile dans la batterie. Le SOC n’étant pas une quantité directement mesurable, il peut être estimé par diverses techniques, et le système d’équilibrage lui-même est généralement divisé en deux catégories : passif et actif. Il existe de nombreuses variantes de thèmes, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. L'ingénieur de conception BMS décide lequel est le plus adapté à la batterie donnée et à son application. L’équilibre passif est le plus simple à réaliser et peut également expliquer le concept général d’équilibre. Les méthodes passives permettent à chaque batterie du bloc-batterie d’avoir la même capacité de charge que la batterie la plus faible. Il utilise un courant relativement faible pour transférer une petite quantité d'énergie des batteries à SOC élevé pendant le cycle de charge, afin que toutes les batteries puissent être chargées jusqu'à leur SOC maximum. La figure 4 illustre comment BMS y parvient. Il surveille chaque batterie et utilise des commutateurs à transistors et des résistances de décharge de taille appropriée en parallèle avec chaque batterie. Lorsque le BMS détecte qu'une batterie donnée approche de sa limite de charge, il guidera l'excès de courant autour d'elle de manière descendante vers la batterie suivante en dessous.
Les points finaux du processus d'équilibrage avant et après sont illustrés à la figure 5. En résumé, le BMS permet aux batteries ou aux modules de la batterie de voir les courants de charge qui sont différents du courant de la batterie pour équilibrer la batterie via l'un des éléments suivants. méthodes :
La suppression de la charge de la batterie la plus chargée offre une marge pour un courant de charge supplémentaire afin d'éviter la surcharge et permet aux batteries moins chargées de recevoir plus de courant de charge.
Repositionner une partie ou la quasi-totalité du courant de charge autour de la batterie la plus chargée, permettant ainsi aux batteries moins chargées de recevoir du courant de charge pendant une période plus longue.
Types de systèmes de gestion de batterie
Le système de gestion de batterie peut adopter diverses technologies, du plus simple au plus complexe, pour réaliser ses principales instructions de « prendre soin de la batterie ». Cependant, ces systèmes peuvent être classés en fonction de leur topologie, qui est liée à leur installation et à leur fonctionnement sur les batteries ou les modules de l'ensemble du pack batterie.
Architecture GTB centralisée
Il y a un BMS central dans l’ensemble batterie. Tous les packs de batteries sont directement connectés au BMS central. La structure du BMS centralisé est illustrée à la figure 6. Le BMS centralisé présente certains avantages. Il est plus compact et souvent le plus économique car il n’y a qu’un seul BMS. Cependant, le BMS centralisé présente également des inconvénients. Étant donné que toutes les batteries sont directement connectées au BMS, celui-ci nécessite de nombreux ports pour connecter tous les blocs-batteries. Cela signifie qu'il y a un grand nombre de fils, câbles, connecteurs, etc. dans les grandes batteries, ce qui rend le dépannage et la maintenance complexes.
Topologie BMS modulaire
Semblable à une mise en œuvre centralisée, le BMS est divisé en plusieurs modules répétitifs, chacun avec un faisceau de fils dédié et connecté à des parties adjacentes désignées de la batterie. Voir Figure 7. Dans certains cas, ces sous-modules BMS peuvent être sous la supervision du module BMS principal, dont la fonction est de surveiller l'état des sous-modules et de communiquer avec les périphériques. Grâce à une modularisation répétée, le dépannage et la maintenance sont plus faciles, et il est également facile d'étendre l'appareil à des packs de batteries plus grands. L’inconvénient est que le coût global est légèrement plus élevé et qu’il peut y avoir des fonctionnalités inutilisées en double selon l’application.
GTB primaire/secondaire
Cependant, de manière conceptuellement similaire à la topologie modulaire, dans ce cas, les dispositifs esclaves sont plus limités au seul relais des informations de mesure, tandis que les dispositifs maîtres sont dédiés au calcul et au contrôle ainsi qu'à la communication externe. Par conséquent, bien que similaire aux types modulaires, le coût peut être inférieur car la fonctionnalité du dispositif est souvent plus simple, les frais généraux peuvent être inférieurs et il peut y avoir moins de fonctionnalités inutilisées.
Architecture GTB distribuée
Contrairement à d'autres topologies, dans d'autres topologies, le matériel électronique et les logiciels sont encapsulés dans des modules connectés à la batterie via des faisceaux de câbles. Le BMS distribué intègre tout le matériel électronique sur une carte de contrôle directement placée sur la batterie ou le module surveillé. Cela réduit le câblage étendu de quelques fils de capteurs et de fils de communication entre les modules BMS adjacents. Par conséquent, chaque BMS est plus indépendant et gère le calcul et la communication selon les besoins. Cependant, malgré cette simplicité évidente, cette forme intégrée rend le dépannage et la maintenance un problème potentiel car ils sont situés au plus profond des composants du module blindé. Le coût est souvent plus élevé car il y a plus de BMS dans l’ensemble de la structure de la batterie.
L'importance du système de gestion de batterie
Dans BMS, la sécurité fonctionnelle est la plus importante. Il est crucial d'empêcher la tension, le courant et la température de toute batterie ou module sous surveillance et contrôle de dépasser les limites SOA spécifiées pendant les opérations de charge et de décharge. Si la limite est dépassée pendant un certain temps, non seulement des batteries potentiellement coûteuses seront affectées, mais des situations dangereuses d'emballement thermique peuvent également se produire. De plus, afin de protéger les batteries lithium-ion et d’assurer la sécurité fonctionnelle, une surveillance stricte des limites de seuil de tension inférieures est également requise. Si les batteries lithium-ion sont maintenues dans cet état de basse tension, des dendrites de cuivre peuvent éventuellement se développer sur l'anode, ce qui pourrait entraîner une augmentation du taux d'autodécharge et des problèmes de sécurité potentiels. Le coût de la densité énergétique élevée dans les systèmes d’alimentation au lithium-ion est qu’il n’y a pratiquement aucune marge d’erreur dans la gestion des batteries. Grâce aux améliorations apportées au BMS et aux batteries lithium-ion, il s’agit de l’un des produits chimiques pour batteries les plus efficaces et les plus sûrs disponibles aujourd’hui.
Les performances de la batterie constituent la deuxième fonction la plus importante du BMS, qui implique la gestion électrique et thermique. Afin d'optimiser électriquement la capacité globale de la batterie, toutes les batteries du bloc-batterie doivent être équilibrées, ce qui signifie que le SOC des batteries adjacentes dans l'ensemble du composant est à peu près égal. Ceci est très important car cela permet non seulement d’obtenir une capacité optimale de la batterie, mais contribue également à prévenir une dégradation généralisée et à réduire les points chauds potentiels de surcharge des batteries faibles. Les batteries au lithium-ion doivent éviter de se décharger en dessous de la limite de basse tension, car cela pourrait entraîner des effets de mémoire et une perte de capacité importante. Les processus électrochimiques sont très sensibles à la température et les batteries ne font pas exception. Lorsque la température ambiante baisse, la capacité et l’énergie disponible de la batterie diminuent considérablement. Par conséquent, le BMS peut connecter des chauffages externes en ligne situés sur des systèmes de refroidissement liquide tels que des batteries de véhicules électriques, ou allumer des plaques chauffantes résidentes installées sous des modules de batteries dans des hélicoptères ou d'autres avions. De plus, étant donné que le chargement de batteries lithium-ion à basse température n'est pas propice à la durée de vie de la batterie, il est important d'augmenter d'abord complètement la température de la batterie. La plupart des batteries lithium-ion ne peuvent pas être chargées rapidement en dessous de 5 degrés C et ne doivent pas du tout être chargées en dessous de 0 degrés C. Afin d'obtenir des performances optimales lors d'une utilisation opérationnelle typique, la gestion thermique du BMS garantit généralement que la batterie fonctionne dans une zone opérationnelle étroite de Boucle d'or (par exemple 30-35 degré C). Cela peut protéger les performances, prolonger la durée de vie et cultiver des batteries saines et fiables.
Les avantages du système de gestion de batterie
Un système complet de stockage d’énergie par batterie, communément appelé BESS, peut être assemblé stratégiquement à partir de dizaines, de centaines, voire de milliers de batteries lithium-ion, selon l’application. La tension nominale de ces systèmes peut être inférieure à 100 V, mais peut atteindre jusqu'à 800 V, avec une plage de courant d'alimentation de batterie allant jusqu'à 300 A ou plus. Toute mauvaise gestion des packs de batteries haute tension peut conduire à des catastrophes catastrophiques mettant des vies en danger. Le BMS est donc crucial pour garantir un fonctionnement sûr. Les avantages du BMS peuvent être résumés comme suit.
Sécurité fonctionnelle.Il va sans dire que pour les batteries lithium-ion de grande taille, cela est particulièrement prudent et nécessaire. Mais comme chacun le sait, même les formats plus petits utilisés dans les ordinateurs portables peuvent prendre feu et causer des dégâts importants. La sécurité personnelle des utilisateurs de produits contenant des systèmes d’alimentation lithium-ion laisse peu de place aux erreurs de gestion des batteries.
Durée de vie et fiabilité.Gestion de la protection des batteries, électrique et thermique, garantissant que toutes les batteries sont utilisées conformément aux exigences SOA déclarées. Cette supervision subtile garantit une utilisation sûre et des cycles de charge et de décharge rapides de la batterie, et génère inévitablement un système stable qui peut fournir des années de service fiable.
Performance et portée.Gestion de la capacité du bloc de batterie BMS, qui utilise l'équilibrage entre batteries pour équilibrer le SOC des batteries adjacentes sur les composants du bloc de batterie, permettant une capacité de batterie optimale. Sans cette fonction BMS pour prendre en compte les changements d'autodécharge, les cycles de charge/décharge, les effets de température et le vieillissement général, la batterie peut finalement devenir inutile.
Diagnostic, collecte de données et communication externe.La tâche de supervision comprend une surveillance continue de toutes les cellules de la batterie, où l'enregistrement des données lui-même peut être utilisé à des fins de diagnostic, mais est généralement utilisé pour des tâches informatiques visant à prédire le SOC de toutes les batteries du composant. Ces informations sont utilisées pour les algorithmes d'équilibrage, mais peuvent être partagées avec des appareils et des écrans externes pour indiquer l'énergie résidente disponible, estimer l'autonomie attendue ou l'autonomie/durée de vie en fonction de l'utilisation actuelle et fournir l'état de santé de la batterie.
Réduisez les coûts et la garantie.L'introduction du BMS dans le BESS augmente les coûts, et la batterie est coûteuse et potentiellement dangereuse. Plus le système est complexe, plus les exigences de sécurité sont élevées, nécessitant donc davantage de supervision BMS. Cependant, la protection et la maintenance préventive de BMS en termes de sécurité fonctionnelle, de durée de vie et de fiabilité, de performances et de portée, de diagnostic, etc. garantissent une réduction des coûts globaux, y compris les coûts liés à la garantie.
Conclusion
La simulation est un allié précieux dans la conception de BMS, en particulier lorsqu'elle est appliquée pour explorer et résoudre les défis de conception liés au développement de matériel, au prototypage et aux tests. Grâce à un modèle précis de batterie lithium-ion, le modèle de simulation de l'architecture BMS est reconnu comme une spécification exécutable pour les prototypes virtuels. De plus, la simulation permet d'étudier facilement des variantes des fonctions de surveillance du BMS pour différents scénarios de fonctionnement de la batterie et de l'environnement. Les problèmes de mise en œuvre peuvent être identifiés et étudiés dès le début, ce qui permet de valider les améliorations des performances et de la sécurité fonctionnelle avant la mise en œuvre sur des prototypes matériels réels. Cela réduit le temps de développement et contribue à garantir la robustesse du premier prototype matériel. De plus, lorsqu'ils sont effectués dans des applications de systèmes embarqués, de nombreux tests d'authentification peuvent être effectués sur les BMS et les batteries, y compris dans les pires scénarios.