Chuỗi Quy trình Sản xuất PACK: Chức năng Cốt lõi, Kiến trúc Hệ thống và Cấu trúc Phần cứng của BMS Pin

Cả bộ pin năng lượng và bộ pin lưu trữ năng lượng thường chứa hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm cell bên trong. Để quản lý số lượng lớn cell này, Hệ thống Quản lý Pin (BMS) đã trở thành một công nghệ chủ chốt không thể thiếu.

Có thể nói, BMS là "bộ não" của bộ pin. Chức năng của nó là đảm bảo an toàn cho người dùng và pin, đáp ứng các yêu cầu về năng lượng hoặc lưu trữ năng lượng, và kéo dài tuổi thọ pin.

01 Chức năng cốt lõi của BMS

Chức năng cốt lõi của BMS là giám sát điện áp, nhiệt độ và dòng điện của pin theo thời gian thực, tối ưu hóa hiệu suất pin thông qua ước tính Trạng thái Sạc (SOC) và điều khiển cân bằng, đồng thời sở hữu các chức năng bảo vệ lỗi như bảo vệ quá áp, quá dòng và quá nhiệt.

Ước tính trạng thái của các cell pin là chức năng cốt lõi của BMS. Để thực hiện chức năng này, cần có chip Analog Front-End (AFE) (để thu thập điện áp), cảm biến Hall (để thu thập dòng điện), cảm biến NTC (để thu thập nhiệt độ) và các cảm biến khác (để thu thập áp suất khí, khói, v.v.).

Sau khi thu thập tín hiệu, chúng được kết hợp với các mô hình điện hóa và các thuật toán ước tính nâng cao (như Bộ lọc Kalman mở rộng, Bộ quan sát chế độ trượt, v.v.) để ước tính Trạng thái sạc (SOC), Trạng thái sức khỏe (SOH), Trạng thái công suất (SOP), Trạng thái năng lượng (SOE) và Trạng thái an toàn (SOS) của pin theo thời gian thực.

Dựa trên các tham số trạng thái này,

a) Đối với bản thân bộ pin:

BMS kiểm soát và quản lý việc tối ưu hóa công suất sạc và xả của pin, giới hạn thời gian sạc/xả, và tương tác thông qua các lệnh điều khiển, giao tiếp và chức năng chẩn đoán để đạt được việc quản lý hiệu quả trạng thái bên trong của pin.

b) Đối với hệ thống bên ngoài:

Thông qua các chức năng giao tiếp và chẩn đoán, BMS phổ biến thông tin trạng thái chính và các lệnh điều khiển đến xe và bộ sạc, đảm bảo hoạt động phối hợp giữa pin và các hệ thống bên ngoài.

02 Kiến trúc Hệ thống của BMS

(1) Kiến trúc Tập trung và Phân tán

Hệ thống BMS tập trung tích hợp ba mô-đun chức năng - Bộ giám sát cell (CMC), Bộ giám sát điện áp cao (HVMU) và Bộ quản lý pin (BMU) - trên một bảng mạch duy nhất hoặc bộ điều khiển tích hợp, tạo thành kiến trúc "điều khiển một điểm".

Hệ thống BMS tập trung mang lại cấu trúc hệ thống nhỏ gọn, giảm thiểu dây cáp, tiết kiệm không gian và chi phí tổng thể tương đối thấp hơn. Tuy nhiên, do các mô-đun điện áp cao và điện áp thấp nằm trên cùng một bảng mạch, cần đặc biệt chú ý đến cách ly điện và khoảng cách an toàn.

BMS phân tán ủy quyền chức năng thu thập xuống các mô-đun pin riêng lẻ. Nhiều Đơn vị Điều khiển Phụ (CMC) thực hiện lấy mẫu phân tán và xử lý dữ liệu sơ bộ, trong khi Đơn vị Điều khiển Chính (BMU/BCU) chịu trách nhiệm quản lý và lập lịch ở cấp hệ thống, tạo thành kiến trúc "thu thập đa điểm, xử lý tập trung". Điều này có thể đáp ứng các yêu cầu của hệ thống pin dung lượng lớn, chẳng hạn như số lượng lớn kênh thu thập và vị trí mô-đun phân tán.

Như có thể thấy từ hình trên, cái gọi là kiến trúc phân tán về cơ bản bổ sung thêm một lớp các hệ thống phụ quản lý ở giữa. Các hệ thống nhỏ này chủ yếu chịu trách nhiệm thu thập thông tin từ một phần các cell, sau đó báo cáo thông tin này qua bus tới bảng điều khiển BMS. Sau đó, bảng điều khiển BMS thực hiện các biện pháp bảo vệ toàn diện, tính toán trạng thái sạc và các chức năng quản lý khác dựa trên thông tin được báo cáo.

Nói một cách đơn giản, nó tương tự như cấu trúc tổ chức của một công ty. Khi số lượng người tăng lên, quản lý phẳng trở nên không đáng tin cậy trong các hệ thống quản lý pin quy mô lớn. Do đó, để chia sẻ gánh nặng cho ban quản lý cốt lõi, một số nhiệm vụ phụ được giao cho các mô-đun CSC (Mạch giám sát tế bào) để quản lý đặc quyền.

BMS phân tán có thể được chia nhỏ thêm thành: Phân tán kiểu Sao, Phân tán kiểu Bus và Phân tán kiểu Chuỗi Daisy.

Phân tán kiểu Sao: BMU được đặt ở trung tâm, với mỗi CMC được kết nối trực tiếp với BMU thông qua một liên kết truyền thông độc lập. Cấu trúc này cung cấp các liên kết truyền thông độc lập với khả năng chống nhiễu mạnh mẽ. Tuy nhiên, nó yêu cầu một mô-đun tập trung bus, làm cho việc quản lý dây dẫn và giao diện trở nên tương đối phức tạp.

Phân tán kiểu Bus: Nhiều CMC giao tiếp với BMU thông qua bus CAN (hiện là phương thức giao tiếp BMS được sử dụng rộng rãi nhất). Vì tất cả các CMC chia sẻ bus, mức tiêu thụ điện năng giữa các nút tương đối cân bằng. Tuy nhiên, hệ thống phụ thuộc nhiều vào tình trạng hoạt động của bus; nếu bus bị lỗi, giao tiếp tổng thể có thể bị gián đoạn.

Phân tán kiểu Daisy-chain: Nhiều CMC được kết nối nối tiếp theo một chuỗi, với dữ liệu được truyền theo từng bước dọc theo liên kết đến BMU. Cấu trúc này cung cấp một liên kết giao tiếp đơn giản, tiết kiệm tài nguyên dây dẫn. Nó phù hợp với các hệ thống có nhiều mô-đun và cấu trúc pin có phân lớp rõ ràng.

(2) Phân lớp chức năng

Để đảm bảo tính mô-đun, khả năng mở rộng và độ tin cậy cao, BMS thường có thể được chia thành ba lớp, như thể hiện trong hình dưới đây.

a) Lớp Vật lý: Chịu trách nhiệm thu thập các trạng thái bên ngoài có thể đo lường trực tiếp trong quá trình hoạt động của pin, chẳng hạn như điện áp, dòng điện, nhiệt độ bề mặt, v.v., cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho các lớp trên.

b) Lớp Lõi: Chịu trách nhiệm ước tính các trạng thái bên trong không thể đo lường trực tiếp của pin thông qua các mô hình và thuật toán, chẳng hạn như SOC và nhiệt độ bên trong cell. Đây là phần quan trọng của hệ thống.

c) Lớp Quản lý: Sử dụng thông tin trạng thái bên trong do lớp lõi cung cấp để đạt được việc quản lý hợp lý quá trình sạc/xả pin và dự đoán các điều kiện hoạt động trong tương lai, đảm bảo pin hoạt động an toàn và hiệu quả.

03 Cấu trúc phần cứng của BMS

Kiến trúc phần cứng của BMS là phương tiện vật lý cho các chức năng hệ thống của nó. Thiết kế phần cứng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, độ tin cậy và chi phí của hệ thống. Một thiết kế phần cứng BMS điển hình áp dụng kiến trúc phân tán, chủ yếu bao gồm Đơn vị Điều khiển Chính (BMU), Đơn vị Điều khiển Phụ (CSC), mạng cảm biến và các mạch truyền động/bảo vệ.

(1) Đơn vị Điều khiển Chính

MCU Điều khiển Chính: Một bộ xử lý hiệu năng cao hỗ trợ mức độ an toàn chức năng ASIL-D.

Bộ nhớ: Bộ nhớ Flash lưu trữ cấu hình tham số và nhật ký lỗi; RAM được sử dụng để đệm dữ liệu thời gian thực.

Nguồn Cấp Cách Ly: Cung cấp năng lượng cho BMU thông qua mô-đun cách ly DC/DC (điện áp đầu vào thường là 12V/24V, đầu ra là 3.3V/5V).

Giao diện Truyền thông: Bộ thu phát CAN, chip PHY Ethernet.

(2) Đơn vị Điều khiển Phụ

Chip AFE: Chip Front-End Tương tự chuyên dụng để giám sát các cell nối tiếp.

Mạch lấy mẫu điện áp: Bộ chuyển mạch đa kênh + ADC chính xác, sử dụng lấy mẫu vi sai để giảm nhiễu.

Mạch thu thập nhiệt độ: Điện trở nhiệt NTC + mạng chia áp, hoặc cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số.

Mạch cân bằng: Cân bằng thụ động: MOSFET + điện trở công suất; Cân bằng chủ động: DC/DC hai chiều hoặc mảng tụ điện.

(3) Cảm biến

Cảm biến Hall: Đo lường không tiếp xúc, độ chính xác ±0.5% (dùng để phát hiện dòng điện tổng).

Điện trở Shunt: Giải pháp phát hiện dòng điện chi phí thấp, đạt độ chính xác ±0.5% khi kết hợp với bộ khuếch đại vi sai.

Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến NTC/PTC được đặt tại các vị trí quan trọng như bề mặt cell, thanh bus và bộ tản nhiệt.

(4) Mạch điều khiển và bảo vệ

Rơ-le và Mạch Tiền Nạp:

Rơ-le Chính: Rơ-le DC cao áp điều khiển mạch sạc/xả của bộ pin.

Mạch Tiền Nạp: Sử dụng điện trở tiền nạp + công tắc tơ để khởi động mềm, ngăn dòng điện đột biến khi bật nguồn.

Cầu chì và Bộ ngắt mạch:

Cầu chì Chính: Loại tác động nhanh để bảo vệ lỗi ngắn mạch.

Bảo vệ Thứ cấp: Cầu chì có thể đặt lại (PPTC) để ngăn quá dòng cục bộ.