Seri Proses Manufaktur PACK: Fungsi Inti, Arsitektur Sistem, dan Struktur Perangkat Keras BMS Paket Baterai

Baik paket baterai daya maupun paket baterai penyimpanan energi biasanya mengandung puluhan atau bahkan ratusan sel internal. Untuk mengelola sejumlah besar sel tersebut, Sistem Manajemen Baterai (BMS) telah menjadi teknologi kunci yang sangat diperlukan.

Dapat dikatakan bahwa BMS adalah "otak" dari paket baterai. Fungsinya adalah untuk memastikan keselamatan personel dan baterai, memenuhi persyaratan daya atau penyimpanan energi, dan memperpanjang masa pakai baterai.

01 Fungsi Inti BMS

Fungsi inti BMS adalah memantau tegangan, suhu, dan arus baterai secara real-time, mengoptimalkan kinerja baterai melalui estimasi State of Charge (SOC) dan kontrol penyeimbangan, sekaligus memiliki fungsi perlindungan dari kesalahan seperti perlindungan tegangan berlebih, arus berlebih, dan suhu berlebih.

Estimasi kondisi sel adalah fungsi inti dari BMS. Pencapaian fungsi ini memerlukan chip Analog Front-End (AFE) (untuk akuisisi tegangan), sensor Hall (untuk akuisisi arus), sensor NTC (untuk akuisisi suhu), dan sensor lainnya (untuk akuisisi tekanan gas, asap, dll.).

Setelah sinyal diperoleh, sinyal tersebut digabungkan dengan model elektrokimia dan algoritma estimasi canggih (seperti Extended Kalman Filter, Sliding Mode Observer, dll.) untuk mengestimasi State of Charge (SOC), State of Health (SOH), State of Power (SOP), State of Energy (SOE), dan State of Safety (SOS) baterai secara real-time.

Berdasarkan parameter kondisi ini,

a) Untuk paket baterai itu sendiri:

BMS mengontrol dan mengelola optimasi daya pengisian dan pengosongan baterai, membatasi durasi pengisian/pengosongan, dan berinteraksi melalui perintah kontrol, komunikasi, dan fungsi diagnostik untuk mencapai pengelolaan kondisi internal baterai yang efektif.

b) Untuk sistem eksternal:

Melalui fungsi komunikasi dan diagnostik, BMS menyebarkan informasi status kunci dan perintah kontrol ke kendaraan dan pengisi daya, memastikan operasi yang terkoordinasi antara baterai dan sistem eksternal.

02 Arsitektur Sistem BMS

(1) Arsitektur Terpusat dan Terdistribusi

BMS terpusat mengintegrasikan tiga modul fungsional - Unit Pemantauan Sel (CMC), Unit Pemantauan Tegangan Tinggi (HVMU), dan Unit Manajemen Baterai (BMU) - ke dalam satu papan sirkuit atau pengontrol terintegrasi, membentuk arsitektur "kontrol satu titik".

BMS terpusat menghasilkan struktur sistem yang ringkas, pengurangan kabel, jejak yang lebih kecil, dan biaya keseluruhan yang relatif lebih rendah. Namun, karena modul tegangan tinggi dan tegangan rendah berada pada papan sirkuit yang sama, perhatian khusus harus diberikan pada isolasi listrik dan jarak aman.

BMS terdistribusi mendelegasikan fungsi akuisisi ke modul baterai individual. Beberapa Unit Kontrol Budak (CMC) mencapai pengambilan sampel terdistribusi dan pemrosesan data awal, sementara Unit Kontrol Utama (BMU/BCU) bertanggung jawab atas manajemen dan penjadwalan tingkat sistem, membentuk arsitektur "akuisisi multi-titik, pemrosesan terpusat". Hal ini dapat memenuhi persyaratan sistem baterai berkapasitas besar, seperti banyaknya saluran akuisisi dan penempatan modul yang tersebar.

Seperti yang terlihat dari gambar di atas, arsitektur yang disebut terdistribusi pada dasarnya menambahkan lapisan sub-sistem manajemen di tengah. Sistem-sistem kecil ini terutama bertanggung jawab untuk mengumpulkan informasi dari sebagian sel, kemudian melaporkannya melalui bus ke papan kontrol BMS. Papan kontrol BMS kemudian menerapkan langkah-langkah perlindungan komprehensif, perhitungan status pengisian daya, dan fungsi manajemen lainnya berdasarkan informasi yang dilaporkan.

Sederhananya, ini mirip dengan struktur organisasi sebuah perusahaan. Ketika jumlah orang bertambah, manajemen datar menjadi tidak dapat diandalkan dalam sistem manajemen baterai skala besar. Oleh karena itu, untuk membagi beban papan manajemen inti, beberapa sub-tugas ditugaskan ke modul CSC (Cell Supervision Circuits) untuk manajemen yang diistimewakan.

BMS terdistribusi dapat dibagi lagi menjadi: Terdistribusi Tipe Bintang, Terdistribusi Tipe Bus, dan Terdistribusi Rantai Daisy.

Terdistribusi Tipe Bintang: BMU terletak di pusat, dengan setiap CMC terhubung langsung ke BMU melalui tautan komunikasi independen. Struktur ini menawarkan tautan komunikasi independen dengan kemampuan anti-gangguan yang kuat. Namun, ini memerlukan modul konsentrasi bus, membuat manajemen pengkabelan dan antarmuka relatif kompleks.

Terdistribusi Tipe Bus: Beberapa CMC berkomunikasi dengan BMU melalui bus CAN (saat ini metode komunikasi BMS yang paling banyak digunakan). Karena semua CMC berbagi bus, konsumsi daya antar node relatif seimbang. Namun, sistem sangat bergantung pada kesehatan bus; jika bus gagal, komunikasi secara keseluruhan dapat terganggu.

Terdistribusi Daisy-chain: Beberapa CMC dihubungkan secara seri dalam rantai, dengan data ditransmisikan hop-by-hop di sepanjang tautan ke BMU. Struktur ini menawarkan tautan komunikasi yang sederhana, menghemat sumber daya pengkabelan. Ini cocok untuk sistem dengan banyak modul dan struktur baterai yang berlapis jelas.

(2) Pelapisan Fungsional

Untuk memastikan modularitas, skalabilitas, dan keandalan tinggi, BMS umumnya dapat dibagi menjadi tiga lapisan, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

a) Lapisan Fisik: Bertanggung jawab untuk memperoleh status eksternal yang dapat diukur secara langsung selama operasi baterai, seperti tegangan, arus, suhu permukaan, dll., memberikan dukungan data untuk lapisan atas.

b) Lapisan Inti: Bertanggung jawab untuk memperkirakan status baterai yang tidak dapat diukur secara internal melalui model dan algoritma, seperti SOC dan suhu sel internal. Ini adalah bagian penting dari sistem.

c) Lapisan Manajemen: Memanfaatkan informasi status internal yang disediakan oleh lapisan inti untuk mencapai manajemen pengisian/pengosongan baterai yang wajar dan prediksi kondisi operasi di masa mendatang, memastikan operasi baterai yang aman dan efisien.

03 Struktur Perangkat Keras BMS

Arsitektur perangkat keras BMS adalah pembawa fisik dari fungsi sistemnya. Desain perangkat keras secara langsung memengaruhi akurasi, keandalan, dan biaya sistem. Desain perangkat keras BMS yang umum mengadopsi arsitektur terdistribusi, terutama mencakup Unit Kontrol Utama (BMU), Unit Kontrol Budak (CSC), jaringan sensor, dan sirkuit aktuasi/proteksi.

(1) Unit Kontrol Utama

MCU Kontrol Utama: Prosesor berkinerja tinggi yang mendukung tingkat keselamatan fungsional ASIL-D.

Memori: Memori Flash menyimpan konfigurasi parameter dan log kesalahan; RAM digunakan untuk buffering data waktu nyata.

Catu Daya Terisolasi: Menyediakan daya ke BMU melalui modul isolasi DC/DC (tegangan input seringkali 12V/24V, output 3.3V/5V).

Antarmuka Komunikasi: Transceiver CAN, chip PHY Ethernet.

(2) Unit Kontrol Budak

Chip AFE: Chip Analog Front-End khusus untuk memantau sel yang terhubung secara seri.

Sirkuit Pengambilan Sampel Tegangan: Sakelar multiplexer + ADC presisi, menggunakan pengambilan sampel diferensial untuk mengurangi derau.

Sirkuit Akuisisi Suhu: Termistor NTC + jaringan pembagi tegangan, atau sensor suhu digital.

Sirkuit Penyeimbang: Penyeimbang pasif: MOSFET + resistor daya; Penyeimbang aktif: DC/DC dua arah atau susunan kapasitor.

(3) Sensor

Sensor Hall: Pengukuran tanpa kontak, akurasi ±0,5% (digunakan untuk deteksi arus total).

Resistor Shunt: Solusi deteksi arus berbiaya rendah, mencapai akurasi ±0,5% bila dipasangkan dengan penguat diferensial.

Sensor Suhu: Sensor NTC/PTC ditempatkan di lokasi-lokasi penting seperti permukaan sel, busbar, dan pendingin.

(4) Sirkuit Aktuasi dan Proteksi

Relai dan Sirkuit Pra-pengisian:

Relai Utama: Relai DC tegangan tinggi yang mengontrol sirkuit pengisian/pengosongan paket baterai.

Sirkuit Pra-pengisian: Menggunakan resistor pra-pengisian + kontaktor untuk start lunak, mencegah arus lonjakan saat dinyalakan.

Sekring dan Pemutus Sirkuit:

Sekring Utama: Tipe kerja cepat untuk perlindungan dari gangguan hubung singkat.

Perlindungan Sekunder: Sekring yang dapat diatur ulang (PPTC) untuk mencegah arus berlebih lokal.