Série de processus de fabrication de packs : Fonctions principales, architecture système et structure matérielle du BMS de pack de batteries

Les packs de batteries de puissance et les packs de batteries de stockage d'énergie contiennent généralement des dizaines, voire des centaines de cellules internes. Pour gérer un si grand nombre de cellules, le système de gestion de batterie (BMS) est devenu une technologie clé indispensable.

On peut dire que le BMS est le "cerveau" du pack de batteries. Ses fonctions sont d'assurer la sécurité du personnel et de la batterie, de répondre aux exigences de puissance ou de stockage d'énergie, et de prolonger la durée de vie de la batterie.

01 Fonctions principales du BMS

La fonction principale du BMS est de surveiller en temps réel la tension, la température et le courant de la batterie, d'optimiser les performances de la batterie grâce à l'estimation de l'état de charge (SOC) et au contrôle d'équilibrage, tout en possédant des fonctions de protection contre les défauts telles que la protection contre les surtensions, les surintensités et les surchauffes.

L'estimation de l'état des cellules est la fonction principale du BMS. La réalisation de cette fonction nécessite une puce Analog Front-End (AFE) (pour l'acquisition de la tension), des capteurs à effet Hall (pour l'acquisition du courant), des capteurs NTC (pour l'acquisition de la température) et d'autres capteurs (pour l'acquisition de la pression de gaz, de la fumée, etc.).

Après l'acquisition des signaux, ceux-ci sont combinés avec des modèles électrochimiques et des algorithmes d'estimation avancés (tels que le filtre de Kalman étendu, l'observateur à mode glissant, etc.) pour estimer en temps réel l'état de charge (SOC), l'état de santé (SOH), l'état de puissance (SOP), l'état d'énergie (SOE) et l'état de sécurité (SOS) de la batterie.

Sur la base de ces paramètres d'état,

a) Pour le pack batterie lui-même :

Le BMS contrôle et gère l'optimisation de la puissance de charge et de décharge de la batterie, limite la durée de charge/décharge, et interagit via des commandes de contrôle, des fonctions de communication et de diagnostic pour réaliser une gestion efficace de l'état interne de la batterie.

b) Pour les systèmes externes :

Grâce à des fonctions de communication et de diagnostic, le BMS diffuse des informations clés sur l'état et des commandes de contrôle au véhicule et au chargeur, assurant une opération coordonnée entre la batterie et les systèmes externes.

02 Architecture Système du BMS

(1) Architectures Centralisées et Distribuées

Le BMS centralisé intègre les trois modules fonctionnels - l'unité de surveillance des cellules (CMC), l'unité de surveillance haute tension (HVMU) et l'unité de gestion de batterie (BMU) - sur une seule carte de circuit imprimé ou un contrôleur intégré, formant une architecture de "contrôle à point unique".

Le BMS centralisé se traduit par une structure de système compacte, une réduction du câblage, un encombrement réduit et un coût global relativement plus faible. Cependant, étant donné que les modules haute tension et basse tension se trouvent sur la même carte de circuit imprimé, une attention particulière doit être accordée à l'isolation électrique et aux dégagements de sécurité.

Le BMS distribué délègue la fonction d'acquisition aux modules de batterie individuels. Plusieurs unités de contrôle esclaves (CMC) réalisent l'échantillonnage distribué et le traitement préliminaire des données, tandis que l'unité de contrôle maître (BMU/BCU) est responsable de la gestion et de la planification au niveau du système, formant une architecture de "multi-points d'acquisition, traitement centralisé". Ceci peut répondre aux exigences des systèmes de batteries de grande capacité, tels que de nombreux canaux d'acquisition et un placement dispersé des modules.

Comme on peut le voir sur la figure ci-dessus, l'architecture dite distribuée ajoute essentiellement une couche de sous-systèmes de gestion au milieu. Ces petits systèmes sont principalement responsables de la collecte d'informations auprès d'une partie des cellules, puis de leur transmission via un bus à la carte de contrôle du BMS. La carte de contrôle du BMS met ensuite en œuvre des mesures de protection complètes, des calculs de l'état de charge et d'autres fonctions de gestion basées sur les informations rapportées.

Pour le dire simplement, c'est similaire à la structure organisationnelle d'une entreprise. Lorsque le nombre de personnes augmente, la gestion plate devient peu fiable dans les systèmes de gestion de batterie à grande échelle. Par conséquent, pour partager la charge du conseil de gestion principal, certaines sous-tâches sont attribuées aux modules CSC (Cell Supervision Circuits) pour une gestion privilégiée.

Les BMS distribués peuvent être subdivisés en : Distribué en étoile, Distribué par bus et Distribué en chaîne.

Distribué en étoile : Le BMU est situé centralement, chaque CMC étant connecté directement au BMU via une liaison de communication indépendante. Cette structure offre des liaisons de communication indépendantes avec une forte capacité anti-interférence. Cependant, elle nécessite un module de concentration de bus, ce qui rend le câblage et la gestion des interfaces relativement complexes.

Distribué de type bus : Plusieurs CMC communiquent avec le BMU via un bus CAN (actuellement la méthode de communication BMS la plus couramment utilisée). Étant donné que toutes les CMC partagent le bus, la consommation d'énergie entre les nœuds est relativement équilibrée. Cependant, le système dépend fortement de l'intégrité du bus ; si le bus tombe en panne, la communication globale peut être interrompue.

Distribué en chaîne : Plusieurs CMC sont connectées en série dans une chaîne, les données étant transmises saut par saut le long du lien vers le BMU. Cette structure offre un lien de communication simple, économisant les ressources de câblage. Elle convient aux systèmes comportant de nombreux modules et une structure de batterie clairement hiérarchisée.

(2) Hiérarchisation fonctionnelle

Pour garantir la modularité, la scalabilité et une fiabilité élevée, le BMS peut généralement être divisé en trois couches, comme illustré dans la figure ci-dessous.

a) Couche Physique : Responsable de l'acquisition des états externes directement mesurables pendant le fonctionnement de la batterie, tels que la tension, le courant, la température de surface, etc., fournissant un support de données pour les couches supérieures.

b) Couche Cœur : Responsable de l'estimation des états internes de la batterie non mesurables par le biais de modèles et d'algorithmes, tels que le SOC et la température interne des cellules. C'est la partie critique du système.

c) Couche de Gestion : Utilise les informations d'état interne fournies par la couche cœur pour réaliser une gestion raisonnable de la charge/décharge de la batterie et une prédiction des conditions de fonctionnement futures, garantissant un fonctionnement sûr et efficace de la batterie.

03 Structure Matérielle du BMS

L'architecture matérielle du BMS est le support physique de ses fonctions système. La conception matérielle affecte directement la précision, la fiabilité et le coût du système. Une conception matérielle typique de BMS adopte une architecture distribuée, comprenant principalement l'Unité de Contrôle Maître (BMU), les Unités de Contrôle Esclave (CSC), les réseaux de capteurs et les circuits d'actionnement/protection.

(1) Unité de Contrôle Maître

MCU de Contrôle Principal : Un processeur haute performance prenant en charge le niveau de sécurité fonctionnelle ASIL-D.

Mémoire : La mémoire Flash stocke les configurations de paramètres et les journaux de défauts ; la RAM est utilisée pour la mise en mémoire tampon des données en temps réel.

Alimentation Isolée : Alimente le BMU via un module d'isolation DC/DC (la tension d'entrée est souvent de 12V/24V, la sortie est de 3.3V/5V).

Interfaces de Communication : Transceivers CAN, puces Ethernet PHY.

(2) Unités de Contrôle Esclave

Puces AFE : Puces dédiées de Front-End Analogique pour la surveillance des cellules connectées en série.

Circuit d'échantillonnage de tension : commutateur multiplexeur + CAN de précision, utilisant un échantillonnage différentiel pour réduire le bruit.

Circuit d'acquisition de température : thermistance CTN + réseau de diviseurs de tension, ou capteurs de température numériques.

Circuit d'équilibrage : Équilibrage passif : MOSFET + résistance de puissance ; Équilibrage actif : Convertisseurs CC/CC bidirectionnels ou réseaux de condensateurs.

(3) Capteurs

Capteurs à effet Hall : Mesure sans contact, précision ±0,5 % (utilisé pour la détection de courant total).

Résistances shunt : Solution de détection de courant à faible coût, atteignant une précision de ±0,5 % lorsqu'elle est associée à un amplificateur différentiel.

Capteurs de température : Capteurs CTN/CTP placés à des endroits clés tels que les surfaces des cellules, les barres omnibus et les dissipateurs thermiques.

(4) Circuits d'actionnement et de protection

Relais et Circuit de Précharge :

Relais Principaux : Relais CC haute tension contrôlant le circuit de charge/décharge de la batterie.

Circuit de Précharge : Utilise une résistance de précharge + contacteur pour un démarrage progressif, évitant le courant d'appel lors de la mise sous tension.

Fusibles et Disjoncteurs :

Fusible Principal : Type à action rapide pour la protection contre les défauts de court-circuit.

Protection Secondaire : Fusibles réarmables (PPTC) pour éviter les surintensités localisées.