Seria procesów produkcyjnych pakietów: kluczowe funkcje, architektura systemu i struktura sprzętowa BMS pakietu akumulatorów

Zarówno akumulatory zasilające, jak i akumulatory magazynujące energię zazwyczaj zawierają dziesiątki, a nawet setki ogniw wewnętrznych. Aby zarządzać tak dużą liczbą ogniw, system zarządzania akumulatorem (BMS) stał się niezbędną kluczową technologią.

Można powiedzieć, że BMS jest "mózgiem" akumulatora. Jego funkcje polegają na zapewnieniu bezpieczeństwa personelu i akumulatora, spełnieniu wymagań dotyczących mocy lub magazynowania energii oraz przedłużeniu żywotności akumulatora.

01 Podstawowe funkcje BMS

Podstawową funkcją BMS jest monitorowanie napięcia, temperatury i prądu akumulatora w czasie rzeczywistym, optymalizacja wydajności akumulatora poprzez szacowanie stanu naładowania (SOC) i sterowanie balansem, a także posiadanie funkcji ochrony przed usterkami, takich jak ochrona przed przepięciem, przetężeniem i przegrzaniem.

Szacowanie stanu ogniw jest kluczową funkcją BMS. Realizacja tej funkcji wymaga układu Analog Front-End (AFE) (do akwizycji napięcia), czujników Halla (do akwizycji prądu), czujników NTC (do akwizycji temperatury) oraz innych czujników (do akwizycji ciśnienia gazu, dymu itp.).

Po pozyskaniu sygnałów są one łączone z modelami elektrochemicznymi i zaawansowanymi algorytmami szacowania (takimi jak rozszerzony filtr Kalmana, obserwator zmiennych struktury itp.) w celu oszacowania w czasie rzeczywistym stanu naładowania (SOC), stanu zużycia (SOH), stanu mocy (SOP), stanu energii (SOE) i stanu bezpieczeństwa (SOS) akumulatora.

Na podstawie tych parametrów stanu,

a) Dla samego pakietu akumulatorów:

BMS steruje i zarządza optymalizacją mocy ładowania i rozładowania akumulatora, ogranicza czas ładowania/rozładowania oraz współpracuje za pomocą poleceń sterujących, komunikacji i funkcji diagnostycznych w celu skutecznego zarządzania stanem wewnętrznym akumulatora.

b) Dla systemów zewnętrznych:

Poprzez funkcje komunikacji i diagnostyki, BMS przekazuje kluczowe informacje o stanie i polecenia sterujące do pojazdu i ładowarki, zapewniając skoordynowane działanie między akumulatorem a systemami zewnętrznymi.

02 Architektura systemu BMS

(1) Architektury scentralizowane i rozproszone

Centralny BMS integruje trzy moduły funkcjonalne – Jednostkę Monitorowania Ogniw (CMC), Jednostkę Monitorowania Wysokiego Napięcia (HVMU) i Jednostkę Zarządzania Baterią (BMU) – na jednej płytce drukowanej lub zintegrowanym kontrolerze, tworząc architekturę „jednopunktowego sterowania”.

Centralny BMS skutkuje zwartą strukturą systemu, zredukowaną ilością okablowania, mniejszym rozmiarem i stosunkowo niższymi kosztami całkowitymi. Jednakże, ponieważ moduły wysokiego i niskiego napięcia znajdują się na tej samej płytce drukowanej, należy zwrócić szczególną uwagę na izolację elektryczną i odstępy bezpieczeństwa.

Rozproszony BMS deleguje funkcję akwizycji do poszczególnych modułów akumulatorów. Wiele jednostek sterujących Slave (CMC) realizuje rozproszone próbkowanie i wstępne przetwarzanie danych, podczas gdy jednostka sterująca Master (BMU/BCU) jest odpowiedzialna za zarządzanie i harmonogramowanie na poziomie systemu, tworząc architekturę "wielopunktowej akwizycji, scentralizowanego przetwarzania". Może to spełnić wymagania systemów akumulatorów o dużej pojemności, takie jak liczne kanały akwizycji i rozproszone rozmieszczenie modułów.

Jak widać na powyższym rysunku, tak zwana architektura rozproszona zasadniczo dodaje warstwę podsystemów zarządzania pośrodku. Te małe systemy są głównie odpowiedzialne za zbieranie informacji z części ogniw, a następnie raportowanie ich za pośrednictwem magistrali do płyty sterującej BMS. Płyta sterująca BMS następnie wdraża kompleksowe środki ochrony, obliczenia stanu naładowania i inne funkcje zarządzania na podstawie raportowanych informacji.

Mówiąc najprościej, jest to podobne do struktury organizacyjnej firmy. Gdy liczba osób rośnie, płaskie zarządzanie staje się niewiarygodne w systemach zarządzania bateriami na dużą skalę. Dlatego, aby rozłożyć obciążenie zarządu głównego, niektóre podzadania są przypisywane modułom CSC (Cell Supervision Circuits) do uprzywilejowanego zarządzania.

Rozproszony BMS można dalej podzielić na: Rozproszony typu gwiazda, Rozproszony typu magistrala i Rozproszony typu łańcuchowy.

Rozproszony typu gwiazda: BMU znajduje się centralnie, a każdy CMC jest połączony bezpośrednio z BMU za pomocą niezależnego łącza komunikacyjnego. Taka struktura oferuje niezależne łącza komunikacyjne o silnej zdolności przeciwdziałania zakłóceniom. Wymaga jednak modułu koncentracji magistrali, co sprawia, że zarządzanie okablowaniem i interfejsami jest stosunkowo złożone.

Rozproszony typu magistrali: Wiele modułów CMC komunikuje się z BMU za pośrednictwem magistrali CAN (obecnie najczęściej stosowana metoda komunikacji BMS). Ponieważ wszystkie moduły CMC współdzielą magistralę, zużycie energii między węzłami jest stosunkowo zrównoważone. Jednak system jest silnie zależny od stanu magistrali; jeśli magistrala ulegnie awarii, ogólna komunikacja może zostać przerwana.

Rozproszony typu łańcuchowego (Daisy-chain): Wiele modułów CMC jest połączonych szeregowo w łańcuch, a dane są przesyłane skokowo wzdłuż połączenia do BMU. Taka struktura zapewnia proste połączenie komunikacyjne, oszczędzając zasoby okablowania. Jest odpowiednia dla systemów z wieloma modułami i wyraźnie warstwową strukturą baterii.

(2) Warstwowanie funkcjonalne

Aby zapewnić modularność, skalowalność i wysoką niezawodność, BMS można zazwyczaj podzielić na trzy warstwy, jak pokazano na poniższym rysunku.

a) Warstwa fizyczna: Odpowiedzialna za pozyskiwanie bezpośrednio mierzalnych stanów zewnętrznych podczas pracy akumulatora, takich jak napięcie, prąd, temperatura powierzchni itp., zapewniając wsparcie danych dla wyższych warstw.

b) Warstwa rdzenia: Odpowiedzialna za szacowanie wewnętrznych, niemierzalnych stanów akumulatora za pomocą modeli i algorytmów, takich jak SOC i temperatura wewnętrznych ogniw. Jest to kluczowa część systemu.

c) Warstwa zarządzania: Wykorzystuje informacje o stanach wewnętrznych dostarczone przez warstwę rdzenia w celu racjonalnego zarządzania ładowaniem/rozładowaniem akumulatora oraz przewidywania przyszłych warunków pracy, zapewniając bezpieczną i wydajną pracę akumulatora.

03 Struktura sprzętowa BMS

Architektura sprzętowa BMS stanowi fizyczny nośnik jego funkcji systemowych. Projekt sprzętu bezpośrednio wpływa na dokładność, niezawodność i koszt systemu. Typowy projekt sprzętu BMS przyjmuje architekturę rozproszoną, obejmującą głównie Jednostkę Sterującą Główną (BMU), Jednostki Sterujące Podrzędne (CSC), sieci czujników oraz obwody wykonawcze/ochronne.

(1) Jednostka Sterująca Główna

Główny Mikrokontroler Sterujący: Wydajny procesor obsługujący poziom bezpieczeństwa funkcjonalnego ASIL-D.

Pamięć: Pamięć Flash przechowuje konfiguracje parametrów i dzienniki błędów; pamięć RAM służy do buforowania danych w czasie rzeczywistym.

Izolowany Zasilacz: Dostarcza zasilanie do BMU poprzez moduł izolacji DC/DC (napięcie wejściowe często wynosi 12V/24V, wyjściowe 3.3V/5V).

Interfejsy Komunikacyjne: Transceivery CAN, układy PHY Ethernet.

(2) Jednostki Sterujące Podrzędne

Układy AFE: Dedykowane układy Analog Front-End do monitorowania połączonych szeregowo ogniw.

Obwód próbkowania napięcia: przełącznik multipleksera + precyzyjny ADC, wykorzystujący próbkowanie różnicowe w celu redukcji szumów.

Obwód akwizycji temperatury: termistor NTC + sieć dzielnika napięcia lub cyfrowe czujniki temperatury.

Obwód balansu: Balans pasywny: MOSFET + rezystor mocy; Balans aktywny: dwukierunkowy DC/DC lub zestawy kondensatorów.

(3) Czujniki

Czujniki Halla: Bezkontaktowy pomiar, dokładność ±0,5% (używany do wykrywania prądu całkowitego).

Rezystory bocznikowe: Niskokosztowe rozwiązanie do wykrywania prądu, osiągające dokładność ±0,5% w połączeniu ze wzmacniaczem różnicowym.

Czujniki temperatury: czujniki NTC/PTC umieszczone w kluczowych miejscach, takich jak powierzchnie ogniw, szyny zbiorcze i radiatory.

(4) Obwody sterowania i ochrony

Przekaźniki i obwód wstępnego ładowania:

Przekaźniki główne: Wysokonapięciowe przekaźniki prądu stałego sterujące obwodem ładowania/rozładowania pakietu akumulatorów.

Obwód wstępnego ładowania: Wykorzystuje rezystor wstępnego ładowania + stycznik do miękkiego startu, zapobiegając prądowi udarowemu podczas włączania zasilania.

Bezpieczniki i wyłączniki obwodu:

Bezpiecznik główny: Szybko działający typ do ochrony przed zwarciem.

Zabezpieczenie wtórne: Bezpieczniki samoczynnie resetujące się (PPTC) zapobiegające lokalnemu przetężeniu.