Serie di Processi di Produzione PACK: Funzioni Core, Architettura di Sistema e Struttura Hardware del BMS del Pacco Batteria

Sia i pacchi batteria di alimentazione che i pacchi batteria di accumulo di energia contengono tipicamente decine o addirittura centinaia di celle interne. Per gestire un numero così elevato di celle, il Battery Management System (BMS) è diventato una tecnologia chiave indispensabile.

Si può dire che il BMS sia il "cervello" del pacco batteria. Le sue funzioni sono garantire la sicurezza del personale e della batteria, soddisfare i requisiti di alimentazione o di accumulo di energia ed estendere la durata della batteria.

01 Funzioni Principali del BMS

La funzione principale del BMS è monitorare in tempo reale la tensione, la temperatura e la corrente della batteria, ottimizzare le prestazioni della batteria attraverso la stima dello Stato di Carica (SOC) e il controllo di bilanciamento, possedendo al contempo funzioni di protezione da guasti come la protezione da sovratensione, sovracorrente e sovratemperatura.

La stima dello stato delle celle è la funzione principale del BMS. Per realizzare questa funzione è necessario un chip Analog Front-End (AFE) (per l'acquisizione della tensione), sensori Hall (per l'acquisizione della corrente), sensori NTC (per l'acquisizione della temperatura) e altri sensori (per acquisire pressione del gas, fumo, ecc.).

Dopo aver acquisito i segnali, questi vengono combinati con modelli elettrochimici e algoritmi di stima avanzati (come Extended Kalman Filter, Sliding Mode Observer, ecc.) per stimare in tempo reale lo Stato di Carica (SOC), lo Stato di Salute (SOH), lo Stato di Potenza (SOP), lo Stato di Energia (SOE) e lo Stato di Sicurezza (SOS) della batteria.

Sulla base di questi parametri di stato,

a) Per il pacco batteria stesso:

Il BMS controlla e gestisce l'ottimizzazione della potenza di carica e scarica della batteria, limita la durata della carica/scarica e interagisce tramite comandi di controllo, comunicazione e funzioni diagnostiche per ottenere una gestione efficace dello stato interno della batteria.

b) Per sistemi esterni:

Attraverso funzioni di comunicazione e diagnostica, il BMS diffonde informazioni chiave sullo stato e comandi di controllo al veicolo e al caricabatterie, garantendo un funzionamento coordinato tra la batteria e i sistemi esterni.

02 Architettura di Sistema del BMS

(1) Architetture Centralizzate e Distribuite

Il BMS centralizzato integra i tre moduli funzionali - l'unità di monitoraggio delle celle (CMC), l'unità di monitoraggio ad alta tensione (HVMU) e l'unità di gestione della batteria (BMU) - su un'unica scheda di circuito o su un controller integrato, formando un'architettura di "controllo a punto singolo".

Il BMS centralizzato si traduce in una struttura di sistema compatta, cablaggio ridotto, ingombro minore e costi complessivi relativamente inferiori. Tuttavia, poiché i moduli ad alta e bassa tensione si trovano sulla stessa scheda di circuito, è necessario prestare particolare attenzione all'isolamento elettrico e alle distanze di sicurezza.

Il BMS distribuito delega la funzione di acquisizione ai singoli moduli batteria. Unità di Controllo Slave multiple (CMC) realizzano il campionamento distribuito e l'elaborazione preliminare dei dati, mentre l'Unità di Controllo Master (BMU/BCU) è responsabile della gestione e della pianificazione a livello di sistema, formando un'architettura di "acquisizione multipunto, elaborazione centralizzata". Questo può soddisfare i requisiti di sistemi batteria di grande capacità, come numerosi canali di acquisizione e posizionamento disperso dei moduli.

Come si evince dalla figura sopra, la cosiddetta architettura distribuita aggiunge essenzialmente un livello di sottosistemi di gestione nel mezzo. Questi piccoli sistemi sono principalmente responsabili della raccolta di informazioni da una porzione delle celle, per poi riportarle tramite un bus alla scheda di controllo del BMS. La scheda di controllo del BMS implementa quindi misure di protezione complete, calcoli dello stato di carica e altre funzioni di gestione basate sulle informazioni riportate.

In parole povere, è simile alla struttura organizzativa di un'azienda. Quando il numero di persone aumenta, la gestione piatta diventa inaffidabile nei sistemi di gestione delle batterie su larga scala. Pertanto, per condividere il carico del consiglio di gestione principale, alcuni sottocompiti vengono assegnati ai moduli CSC (Cell Supervision Circuits) per una gestione privilegiata.

I BMS distribuiti possono essere ulteriormente suddivisi in: Distribuiti a stella, Distribuiti a bus e Distribuiti a catena.

Distribuiti a stella: Il BMU è posizionato centralmente, con ogni CMC collegato direttamente al BMU tramite un collegamento di comunicazione indipendente. Questa struttura offre collegamenti di comunicazione indipendenti con una forte capacità anti-interferenza. Tuttavia, richiede un modulo di concentrazione del bus, rendendo il cablaggio e la gestione delle interfacce relativamente complessi.

Distribuito di tipo Bus: Più CMC comunicano con la BMU tramite un bus CAN (attualmente il metodo di comunicazione BMS più diffuso). Poiché tutte le CMC condividono il bus, il consumo energetico tra i nodi è relativamente bilanciato. Tuttavia, il sistema dipende fortemente dall'integrità del bus; se il bus si guasta, la comunicazione generale potrebbe essere interrotta.

Distribuito a margherita: Più CMC sono collegate in serie a catena, con i dati trasmessi hop-by-hop lungo il collegamento alla BMU. Questa struttura offre un semplice collegamento di comunicazione, risparmiando risorse di cablaggio. È adatta per sistemi con molti moduli e una struttura della batteria chiaramente stratificata.

(2) Stratificazione funzionale

Per garantire modularità, scalabilità e alta affidabilità, il BMS può generalmente essere diviso in tre livelli, come mostrato nella figura seguente.

a) Livello Fisico: Responsabile dell'acquisizione degli stati esterni direttamente misurabili durante il funzionamento della batteria, come tensione, corrente, temperatura superficiale, ecc., fornendo supporto dati ai livelli superiori.

b) Livello Core: Responsabile della stima degli stati interni non misurabili della batteria tramite modelli e algoritmi, come SOC e temperatura interna delle celle. Questa è la parte critica del sistema.

c) Livello di Gestione: Utilizza le informazioni sullo stato interno fornite dal livello core per ottenere una gestione ragionevole della carica/scarica della batteria e la previsione delle future condizioni operative, garantendo un funzionamento sicuro ed efficiente della batteria.

03 Struttura Hardware del BMS

L'architettura hardware del BMS è il supporto fisico delle sue funzioni di sistema. La progettazione hardware influisce direttamente sull'accuratezza, l'affidabilità e il costo del sistema. Una tipica progettazione hardware BMS adotta un'architettura distribuita, che include principalmente l'Unità di Controllo Master (BMU), le Unità di Controllo Slave (CSC), le reti di sensori e i circuiti di attuazione/protezione.

(1) Unità di Controllo Master

MCU di Controllo Principale: Un processore ad alte prestazioni che supporta il livello di sicurezza funzionale ASIL-D.

Memoria: La memoria Flash memorizza le configurazioni dei parametri e i log dei guasti; la RAM viene utilizzata per il buffering dei dati in tempo reale.

Alimentatore Isolato: Fornisce alimentazione alla BMU tramite un modulo di isolamento DC/DC (la tensione di ingresso è spesso 12V/24V, l'uscita è 3.3V/5V).

Interfacce di Comunicazione: Transceiver CAN, chip PHY Ethernet.

(2) Unità di Controllo Slave

Chip AFE: Chip Analog Front-End dedicati per il monitoraggio delle celle collegate in serie.

Circuito di Campionamento della Tensione: Switch multiplexer + ADC di precisione, con campionamento differenziale per ridurre il rumore.

Circuito di Acquisizione della Temperatura: Termistore NTC + rete di partitore di tensione, o sensori di temperatura digitali.

Circuito di Bilanciamento: Bilanciamento passivo: MOSFET + resistore di potenza; Bilanciamento attivo: DC/DC bidirezionale o array di condensatori.

(3) Sensori

Sensori Hall: Misurazione senza contatto, accuratezza ±0,5% (utilizzati per il rilevamento della corrente totale).

Resistori Shunt: Soluzione di rilevamento della corrente a basso costo, che raggiunge un'accuratezza del ±0,5% se abbinata a un amplificatore differenziale.

Sensori di Temperatura: Sensori NTC/PTC posizionati in punti chiave come superfici delle celle, barre di distribuzione e dissipatori di calore.

(4) Circuiti di Attuazione e Protezione

Relè e Circuito di Precarica:

Relè Principali: Relè DC ad alta tensione che controllano il circuito di carica/scarica del pacco batteria.

Circuito di Precarica: Utilizza un resistore di precarica + contattore per l'avvio graduale, prevenendo la corrente di spunto durante l'accensione.

Fusibili e Interruttori Automatici:

Fusibile Principale: Tipo ad azione rapida per la protezione da guasti di cortocircuito.

Protezione Secondaria: Fusibili resettabili (PPTC) per prevenire sovracorrenti localizzate.