Серия производственных процессов аккумуляторных блоков: основные функции, архитектура системы и аппаратная структура BMS аккумуляторного блока

Как силовые аккумуляторные батареи, так и аккумуляторные батареи для хранения энергии обычно содержат десятки или даже сотни внутренних ячеек. Для управления таким большим количеством ячеек система управления батареями (BMS) стала незаменимой ключевой технологией.

Можно сказать, что BMS — это «мозг» аккумуляторной батареи. Ее функции заключаются в обеспечении безопасности персонала и батареи, удовлетворении требований к мощности или хранению энергии, а также продлении срока службы батареи.

01 Основные функции BMS

Основная функция BMS заключается в мониторинге напряжения, температуры и тока батареи в режиме реального времени, оптимизации производительности батареи посредством оценки состояния заряда (SOC) и управления балансировкой, а также в наличии функций защиты от сбоев, таких как защита от перенапряжения, перегрузки по току и перегрева.

Оценка состояния ячеек является основной функцией BMS. Для реализации этой функции требуется микросхема Analog Front-End (AFE) (для сбора данных о напряжении), датчики Холла (для сбора данных о токе), NTC-датчики (для сбора данных о температуре) и другие датчики (для сбора данных о давлении газа, дыме и т. д.).

После сбора сигналов они объединяются с электрохимическими моделями и передовыми алгоритмами оценки (такими как Расширенный фильтр Калмана, Наблюдатель скользящего режима и т. д.) для оценки в реальном времени состояния заряда (SOC), состояния здоровья (SOH), состояния мощности (SOP), состояния энергии (SOE) и состояния безопасности (SOS) аккумулятора.

На основе этих параметров состояния,

а) Для самого аккумуляторного блока:

BMS контролирует и управляет оптимизацией мощности заряда и разряда аккумулятора, ограничивает продолжительность заряда/разряда и взаимодействует посредством управляющих команд, связи и диагностических функций для достижения эффективного управления внутренним состоянием аккумулятора.

б) Для внешних систем:

С помощью функций связи и диагностики BMS передает ключевую информацию о состоянии и команды управления автомобилю и зарядному устройству, обеспечивая скоординированную работу между аккумулятором и внешними системами.

02 Архитектура системы BMS

(1) Централизованные и распределенные архитектуры

Централизованная BMS интегрирует три функциональных модуля — блок мониторинга ячеек (CMC), блок мониторинга высокого напряжения (HVMU) и блок управления батареей (BMU) — на одной печатной плате или интегрированном контроллере, формируя архитектуру «единой точки управления».

Централизованная BMS обеспечивает компактную структуру системы, уменьшенную кабельную проводку, меньшую площадь занимаемого пространства и относительно более низкую общую стоимость. Однако, поскольку модули высокого и низкого напряжения находятся на одной печатной плате, особое внимание следует уделять электрической изоляции и безопасным зазорам.

Распределенная BMS делегирует функцию сбора данных отдельным аккумуляторным модулям. Несколько ведомых блоков управления (CMC) осуществляют распределенный сбор данных и предварительную обработку, в то время как главный блок управления (BMU/BCU) отвечает за управление и планирование на системном уровне, формируя архитектуру «многоточечный сбор, централизованная обработка». Это позволяет удовлетворить требования крупномасштабных аккумуляторных систем, таких как большое количество каналов сбора данных и рассредоточенное размещение модулей.

Как видно из приведенного выше рисунка, так называемая распределенная архитектура фактически добавляет промежуточный уровень управляющих подсистем. Эти небольшие системы в основном отвечают за сбор информации от части ячеек, а затем передают ее по шине на плату управления BMS. Затем плата управления BMS реализует комплексные меры защиты, расчеты состояния заряда и другие функции управления на основе полученной информации.

Проще говоря, это похоже на организационную структуру компании. Когда количество людей увеличивается, плоское управление становится ненадежным в крупномасштабных системах управления батареями. Поэтому, чтобы распределить нагрузку основного управляющего совета, некоторые подзадачи назначаются модулям CSC (Cell Supervision Circuits) для привилегированного управления.

Распределенные BMS могут быть далее подразделены на: распределенные звездообразного типа, распределенные шинного типа и распределенные типа «цепочка».

Распределенные звездообразного типа: BMU расположен централизованно, при этом каждый CMC напрямую подключен к BMU через независимый канал связи. Эта структура предлагает независимые каналы связи с высокой помехоустойчивостью. Однако она требует модуля концентрации шины, что делает управление проводкой и интерфейсами относительно сложным.

Распределенная шина: Несколько CMC взаимодействуют с BMU через шину CAN (в настоящее время наиболее широко используемый метод связи BMS). Поскольку все CMC используют общую шину, энергопотребление между узлами относительно сбалансировано. Однако система сильно зависит от исправности шины; если шина выходит из строя, общая связь может быть прервана.

Распределенная цепочка: Несколько CMC последовательно соединены в цепочку, при этом данные передаются от узла к узлу по каналу связи к BMU. Эта структура обеспечивает простой канал связи, экономя ресурсы проводки. Она подходит для систем с большим количеством модулей и четко структурированной батареей.

(2) Функциональное разделение на уровни

Для обеспечения модульности, масштабируемости и высокой надежности BMS обычно разделяется на три уровня, как показано на рисунке ниже.

a) Физический уровень: Отвечает за получение непосредственно измеряемых внешних состояний во время работы аккумулятора, таких как напряжение, ток, температура поверхности и т. д., обеспечивая поддержку данных для верхних уровней.

b) Ядро системы: Отвечает за оценку внутренних неизмеряемых состояний аккумулятора с помощью моделей и алгоритмов, таких как SOC (уровень заряда) и внутренняя температура ячейки. Это критически важная часть системы.

c) Уровень управления: Использует информацию о внутреннем состоянии, предоставляемую ядром системы, для достижения разумного управления зарядкой/разрядкой аккумулятора и прогнозирования будущих рабочих условий, обеспечивая безопасную и эффективную работу аккумулятора.

03 Аппаратная структура BMS

Аппаратная архитектура BMS является физическим носителем ее системных функций. Аппаратный дизайн напрямую влияет на точность, надежность и стоимость системы. Типичный аппаратный дизайн BMS использует распределенную архитектуру, в основном включающую главный блок управления (BMU), подчиненные блоки управления (CSC), сети датчиков и схемы приведения в действие/защиты.

(1) Главный блок управления

Основной управляющий микроконтроллер: высокопроизводительный процессор, поддерживающий уровень функциональной безопасности ASIL-D.

Память: флэш-память хранит конфигурации параметров и журналы ошибок; ОЗУ используется для буферизации данных в реальном времени.

Изолированный источник питания: подает питание на BMU через модуль изоляции DC/DC (входное напряжение часто 12 В/24 В, выходное 3,3 В/5 В).

Интерфейсы связи: трансиверы CAN, чипы Ethernet PHY.

(2) Подчиненные блоки управления

AFE-чипы: специализированные чипы аналогового фронт-энда для мониторинга последовательно соединенных ячеек.

Схема выборки напряжения: коммутатор мультиплексора + прецизионный АЦП, использующий дифференциальную выборку для снижения шума.

Схема сбора температуры: термистор NTC + делитель напряжения, или цифровые датчики температуры.

Схема балансировки: Пассивная балансировка: MOSFET + резистор; Активная балансировка: двунаправленный DC/DC или конденсаторные сборки.

(3) Датчики

Датчики Холла: бесконтактное измерение, точность ±0,5% (используется для обнаружения общего тока).

Шунтирующие резисторы: недорогое решение для обнаружения тока, достигающее точности ±0,5% при использовании с дифференциальным усилителем.

Датчики температуры: датчики NTC/PTC, размещенные в ключевых местах, таких как поверхности ячеек, шины и радиаторы.

(4) Схемы управления и защиты

Реле и цепь предварительной зарядки:

Основные реле: Высоковольтные реле постоянного тока, управляющие цепью заряда/разряда аккумуляторной батареи.

Цепь предварительной зарядки: Использует резистор предварительной зарядки + контактор для плавного пуска, предотвращая пусковой ток при включении питания.

Предохранители и автоматические выключатели:

Основной предохранитель: Быстродействующий тип для защиты от короткого замыкания.

Вторичная защита: Самовосстанавливающиеся предохранители (PPTC) для предотвращения локального перегрузки по току.