Série de Processos de Fabricação de Pacotes: Funções Principais, Arquitetura de Sistema e Estrutura de Hardware do BMS de Pacotes de Bateria

Tanto as baterias de potência quanto as baterias de armazenamento de energia geralmente contêm dezenas ou até centenas de células internas. Para gerenciar um número tão grande de células, o Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) tornou-se uma tecnologia chave indispensável.

Pode-se dizer que o BMS é o "cérebro" do pacote de baterias. Suas funções são garantir a segurança do pessoal e da bateria, atender aos requisitos de potência ou armazenamento de energia e estender a vida útil da bateria.

01 Funções Principais do BMS

A função principal do BMS é monitorar a tensão, temperatura e corrente da bateria em tempo real, otimizar o desempenho da bateria através da estimativa do Estado de Carga (SOC) e controle de balanceamento, ao mesmo tempo em que possui funções de proteção contra falhas, como proteção contra sobretensão, sobrecorrente e sobretemperatura.

Estimar o estado das células é a função principal do BMS. A realização desta função requer um chip Analog Front-End (AFE) (para aquisição de tensão), sensores Hall (para aquisição de corrente), sensores NTC (para aquisição de temperatura) e outros sensores (para aquisição de pressão de gás, fumaça, etc.).

Após a aquisição dos sinais, eles são combinados com modelos eletroquímicos e algoritmos de estimação avançados (como Filtro de Kalman Estendido, Observador de Modo Deslizante, etc.) para estimar em tempo real o Estado de Carga (SOC), Estado de Saúde (SOH), Estado de Potência (SOP), Estado de Energia (SOE) e Estado de Segurança (SOS) da bateria.

Com base nesses parâmetros de estado,

a) Para o próprio pacote de baterias:

O BMS controla e gerencia a otimização da potência de carga e descarga da bateria, limita a duração da carga/descarga e interage através de comandos de controle, comunicação e funções de diagnóstico para alcançar um gerenciamento eficaz do estado interno da bateria.

b) Para sistemas externos:

Através de funções de comunicação e diagnóstico, o BMS dissemina informações de status chave e comandos de controle para o veículo e o carregador, garantindo a operação coordenada entre a bateria e os sistemas externos.

02 Arquitetura do Sistema do BMS

(1) Arquiteturas Centralizadas e Distribuídas

O BMS centralizado integra os três módulos funcionais - a Unidade de Monitoramento de Células (CMC), a Unidade de Monitoramento de Alta Tensão (HVMU) e a Unidade de Gerenciamento de Bateria (BMU) - em uma única placa de circuito ou em um controlador integrado, formando uma arquitetura de "controle de ponto único".

O BMS centralizado resulta em uma estrutura de sistema compacta, fiação reduzida, menor área ocupada e custo geral relativamente menor. No entanto, como os módulos de alta e baixa tensão estão na mesma placa de circuito, atenção especial deve ser dada ao isolamento elétrico e às folgas de segurança.

O BMS distribuído delega a função de aquisição para módulos de bateria individuais. Múltiplas Unidades de Controle Escravas (CMCs) realizam amostragem distribuída e processamento preliminar de dados, enquanto a Unidade de Controle Mestra (BMU/BCU) é responsável pelo gerenciamento e agendamento em nível de sistema, formando uma arquitetura de "aquisição multiponto, processamento centralizado". Isso pode atender aos requisitos de sistemas de bateria de grande capacidade, como numerosos canais de aquisição e posicionamento disperso de módulos.

Como pode ser visto na figura acima, a chamada arquitetura distribuída essencialmente adiciona uma camada de subsistemas de gerenciamento no meio. Esses pequenos sistemas são primariamente responsáveis por coletar informações de uma porção das células, e então reportá-las via um barramento para a placa de controle do BMS. A placa de controle do BMS então implementa medidas de proteção abrangentes, cálculos de estado de carga e outras funções de gerenciamento com base nas informações reportadas.

Simplificando, é semelhante à estrutura organizacional de uma empresa. Quando o número de pessoas aumenta, o gerenciamento plano torna-se não confiável em sistemas de gerenciamento de bateria em larga escala. Portanto, para compartilhar a carga do conselho de gerenciamento principal, algumas subtarefas são atribuídas a módulos CSC (Circuitos de Supervisão de Células) para gerenciamento privilegiado.

O BMS Distribuído pode ser subdividido em: Distribuído Tipo Estrela, Distribuído Tipo Barramento e Distribuído Tipo Daisy-chain.

Distribuído Tipo Estrela: O BMU está localizado centralmente, com cada CMC conectado diretamente ao BMU através de um link de comunicação independente. Esta estrutura oferece links de comunicação independentes com forte capacidade anti-interferência. No entanto, requer um módulo de concentração de barramento, tornando a fiação e o gerenciamento de interface relativamente complexos.

Distribuído tipo Barramento: Múltiplos CMCs se comunicam com o BMU via um barramento CAN (atualmente o método de comunicação BMS mais amplamente utilizado). Como todos os CMCs compartilham o barramento, o consumo de energia entre os nós é relativamente equilibrado. No entanto, o sistema depende fortemente da integridade do barramento; se o barramento falhar, a comunicação geral pode ser interrompida.

Distribuído em Cadeia (Daisy-chain): Múltiplos CMCs são conectados em série em uma cadeia, com dados transmitidos salto a salto ao longo do link para o BMU. Esta estrutura oferece um link de comunicação simples, economizando recursos de fiação. É adequada para sistemas com muitos módulos e uma estrutura de bateria claramente em camadas.

(2) Camadas Funcionais

Para garantir modularidade, escalabilidade e alta confiabilidade, o BMS pode geralmente ser dividido em três camadas, como mostrado na figura abaixo.

a) Camada Física: Responsável por adquirir estados externos diretamente mensuráveis durante a operação da bateria, como tensão, corrente, temperatura superficial, etc., fornecendo suporte de dados para as camadas superiores.

b) Camada Central: Responsável por estimar estados internos da bateria não mensuráveis diretamente através de modelos e algoritmos, como SOC e temperatura interna da célula. Esta é a parte crítica do sistema.

c) Camada de Gerenciamento: Utiliza as informações de estado interno fornecidas pela camada central para alcançar um gerenciamento razoável da carga/descarga da bateria e prever futuras condições de operação, garantindo uma operação segura e eficiente da bateria.

03 Estrutura de Hardware do BMS

A arquitetura de hardware do BMS é o portador físico de suas funções de sistema. O design de hardware afeta diretamente a precisão, confiabilidade e custo do sistema. Um design de hardware típico de BMS adota uma arquitetura distribuída, incluindo principalmente a Unidade de Controle Mestre (BMU), Unidades de Controle Escravas (CSCs), redes de sensores e circuitos de atuação/proteção.

(1) Unidade de Controle Mestre

MCU de Controle Principal: Um processador de alto desempenho que suporta o nível de segurança funcional ASIL-D.

Memória: A memória Flash armazena configurações de parâmetros e logs de falhas; a RAM é usada para buffer de dados em tempo real.

Fonte de Alimentação Isolada: Fornece energia para a BMU através de um módulo de isolamento DC/DC (a tensão de entrada é frequentemente 12V/24V, a saída é 3.3V/5V).

Interfaces de Comunicação: Transceptores CAN, chips Ethernet PHY.

(2) Unidades de Controle Escravas

Chips AFE: Chips dedicados de Front-End Analógico para monitorar células conectadas em série.

Circuito de Amostragem de Tensão: Chave multiplexadora + ADC de precisão, utilizando amostragem diferencial para reduzir ruído.

Circuito de Aquisição de Temperatura: Termistor NTC + rede de divisor de tensão, ou sensores de temperatura digitais.

Circuito de Balanceamento: Balanceamento passivo: MOSFET + resistor de potência; Balanceamento ativo: DC/DC bidirecional ou arranjos de capacitores.

(3) Sensores

Sensores Hall: Medição sem contato, precisão de ±0,5% (usado para detecção de corrente total).

Resistores Shunt: Solução de detecção de corrente de baixo custo, atingindo precisão de ±0,5% quando emparelhado com um amplificador diferencial.

Sensores de Temperatura: Sensores NTC/PTC colocados em locais chave como superfícies de células, barramentos e dissipadores de calor.

(4) Circuitos de Atuação e Proteção

Relés e Circuito de Pré-carga:

Relés Principais: Relés CC de alta tensão que controlam o circuito de carga/descarga do pacote de baterias.

Circuito de Pré-carga: Utiliza um resistor de pré-carga + contator para partida suave, evitando corrente de pico durante a energização.

Fusíveis e Disjuntores:

Fusível Principal: Tipo de ação rápida para proteção contra falhas de curto-circuito.

Proteção Secundária: Fusíveis rearmáveis (PPTC) para evitar sobrecorrente localizada.