Con el creciente número de vehículos eléctricos, el sistema de gestión de energía de la batería es cada vez más importante además de buscar baterías con alta densidad de energía y alta seguridad. Las diferentes baterías de potencia tienen diferentes propiedades, e incluso si las propiedades del mismo tipo de batería son inconsistentes, en el proceso de uso, existirá la posibilidad de accidentes causados ​​por la expansión. Por lo tanto, es muy importante administrar de manera efectiva el sistema de batería de energía para garantizar la seguridad de los vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, es necesario garantizar el rendimiento del sistema de batería, prolongar la vida útil de la batería y mejorar la eficiencia de la batería.

Estructura y principio del sistema de gestión de baterías.

El sistema de gestión de batería (BMS), es decir, el Sistema de gestión de batería, determina el estado de todo el sistema de batería al detectar el estado de cada batería en el paquete de batería y lleva a cabo el ajuste de control correspondiente y la implementación de la estrategia para el sistema de batería de energía de acuerdo con a su estado, para realizar la gestión de carga y descarga del sistema de batería de energía y cada unidad para garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema de batería de energía.

Una estructura de topología típica de un sistema de gestión de baterías se divide principalmente en dos partes: módulo de control maestro y módulo de control esclavo. Específicamente, se compone de la unidad central de procesamiento (módulo de control principal), módulo de adquisición de datos, módulo de detección de datos, módulo de unidad de visualización, componentes de control (dispositivo fusible, relé), etc. En general, la comunicación de información de datos entre módulos se realiza mediante el uso de tecnología de bus CAN interna.
En función de las funciones de cada módulo, BMS puede detectar en tiempo real el voltaje, la corriente, la temperatura y otros parámetros de la batería de alimentación, realizar la gestión térmica, la gestión equilibrada, la detección de alto voltaje y aislamiento de la batería de alimentación y calcular la capacidad residual, la potencia de carga y descarga y el estado SOC&SOH de la batería de alimentación.

Funciones básicas del sistema de gestión de batería.

Las funciones básicas de un sistema de gestión de baterías se pueden dividir en tres partes: detección, gestión y protección. Específicamente, incluye funciones como adquisición de datos, monitoreo de condición, control balanceado, gestión térmica, protección de seguridad, etc.
(I) recopilación de datos.
Como base y premisa de otras funciones en el sistema de gestión de baterías, la precisión y la velocidad de adquisición de datos pueden reflejar las ventajas y desventajas del sistema de gestión de baterías. Otras funciones del sistema de gestión, como el análisis del estado SOC, la gestión del equilibrio, la gestión térmica, etc., se basan en los datos recopilados para su análisis y procesamiento.
Los objetos de adquisición de datos son generalmente voltaje, corriente y temperatura. En el proceso de uso práctico, el rendimiento electroquímico de la batería es diferente a diferentes temperaturas, lo que da como resultado una energía diferente liberada por la batería. La batería de iones de litio es sensible al voltaje y la temperatura, por lo que se debe tener en cuenta el efecto de la temperatura al evaluar el SOC de la batería.

(II) Análisis de estado.

El análisis del estado de la batería incluye principalmente dos aspectos: la carga restante de la batería y el grado de envejecimiento de la batería, a saber, la evaluación SOC y la evaluación SOH. SOC permite a los conductores obtener información directa sobre el impacto de la energía restante en el kilometraje. En la etapa actual, muchos estudios se centran en el análisis de SOC, mejorando constantemente su precisión. El análisis de SOC se verá afectado por SOH. El SOH de la batería se ve afectado continuamente por la temperatura y la corriente en el proceso de uso, por lo que debe analizarse continuamente para garantizar la precisión del análisis SOC.
En el análisis de SOC, existen el método de medición de carga, el método de voltaje de circuito abierto, el método de filtro de Kalman, el algoritmo de red neuronal artificial y el método de lógica difusa, etc. El método de medición de carga y el método de voltaje de circuito abierto se presentan brevemente aquí.
(1) método de medición de carga.
El método de medición de carga calcula el SOC a través de las estadísticas de la carga cargada y descargada por la batería durante un tiempo, es decir, la acumulación de corriente en el tiempo. Aunque es el método de medición más utilizado, se verá afectado por muchos factores, incluida la precisión de los datos, la autodescarga, etc. Por ejemplo, debido a la falta de precisión del sensor de corriente, existe un error entre la corriente utilizada para el cálculo integral y el valor real, lo que hace que la desviación del resultado de SOC sea cada vez mayor. Por lo tanto, cuando usamos el método de medición de carga, necesitamos usar algunos algoritmos de corrección para corregir varios factores influyentes para reducir el error de los resultados de cálculo y análisis.
(2) Método de voltaje de circuito abierto.
El método de voltaje de circuito abierto es para medir el voltaje de circuito abierto de la batería cuando la batería está en un estado estático para calcular el SOC de la batería. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que cuando se usa el método de voltaje de circuito abierto, generalmente se considera que existe una cierta relación lineal entre SOC y EMF, y cualquier valor de SOC corresponde a un solo valor de EMF. El efecto de resorte de tensión debe tenerse en cuenta cuando se utiliza el método de tensión de circuito abierto, y el SOC calculado será demasiado pequeño cuando la tensión no recupere el valor estable. En comparación con el método de medición de carga, el método de voltaje de circuito abierto no se puede usar cuando la batería funciona normalmente, que es su mayor problema.

Es muy difícil medir el SOC con precisión en esta etapa, por ejemplo, la inexactitud de los datos de muestreo causada por la precisión del sensor y la interferencia electromagnética conduce a la desviación del análisis de estado. Además, la inconsistencia de la batería, los datos históricos y la incertidumbre de las condiciones de funcionamiento también tienen un gran impacto en el cálculo del SOC.

(III) control equilibrado.
Debido a la influencia de la fabricación y el entorno de trabajo, la unidad de la celda es inconsistente y existen diferencias en el voltaje, la capacidad, la resistencia interna y otras propiedades, lo que da como resultado una capacidad efectiva diferente y una capacidad de carga y descarga de cada celda individual en el proceso de uso real. . Por lo tanto, para garantizar el rendimiento general del sistema de batería y prolongar la vida útil, es muy necesario equilibrar la batería para reducir la diferencia entre las celdas individuales.
La gestión equilibrada contribuye al mantenimiento de la capacidad de la batería y al control de la profundidad de descarga. Si no hay un control equilibrado de la batería, debido a la configuración de la función de protección del sistema de gestión de la batería, habrá un fenómeno que cuando una sola batería está completamente cargada, otras baterías no están completamente cargadas, o cuando la descarga de una sola batería con potencia mínima está cortada, las otras baterías no han alcanzado el límite de corte de descarga. Una vez que la batería está sobrecargada o descargada en exceso, se producirán algunas reacciones químicas irreversibles en la batería, lo que afectará las propiedades de la batería, lo que afectará la vida útil de la batería.
De acuerdo con la estructura del circuito y el modo de control en la gestión de ecualización, el primero se divide en ecualización centralizada y ecualización distribuida, y el último se divide en ecualización activa y ecualización pasiva. La ecualización centralizada significa que todas las unidades de batería del paquete de baterías comparten un único ecualizador para el control de la ecualización, mientras que la ecualización distribuida es un ecualizador dedicado a una o más celdas de batería. El primero tiene las ventajas de una comunicación simple y directa y una rápida velocidad de ecualización. Sin embargo, la disposición del mazo de cables entre la unidad de batería y el ecualizador es compleja, por lo que no es adecuado para el sistema de batería con una gran cantidad de unidades. Este último puede resolver el problema del arnés del primero, pero la desventaja es el alto costo.
El equilibrio activo, también conocido como equilibrio no disipativo, la teoría de la imagen es la transferencia de energía entre las unidades de la batería. La energía en la celda con alta energía se transfiere al monómero con baja energía para lograr el propósito del balance de energía. El tipo pasivo es el equilibrio disipativo, que consume la energía del monómero de alta energía hasta un estado de equilibrio con otros monómeros por medio de resistencia paralela. El equilibrio activo es eficiente y la energía se transfiere en lugar de consumirse, pero la estructura compleja conduce a un aumento en el costo.

IV) Gestión térmica.
Sistema de batería en diferentes condiciones de funcionamiento debido a su propia resistencia interna, en la potencia de salida, energía eléctrica al mismo tiempo para generar una cierta cantidad de calor, lo que resulta en la acumulación de calor para aumentar la temperatura de la batería, el diseño del espacio diferente hace que la temperatura de la batería sea no consistente. Cuando la temperatura de la batería excede su rango de temperatura de funcionamiento normal, la potencia debe limitarse, de lo contrario, la vida útil de la batería se verá afectada. Para garantizar el rendimiento eléctrico y la vida útil del sistema de batería, el sistema de batería de potencia generalmente se diseña con un sistema de gestión térmica. El sistema de gestión térmica de la batería es un conjunto de sistemas de gestión utilizados para garantizar que el sistema de la batería funcione en un rango de temperatura adecuado, que se compone principalmente de caja de batería, medio de transferencia de calor,
La función principal del sistema de gestión de la batería en la gestión térmica es medir y controlar con precisión la temperatura de la batería. Cuando la temperatura de la batería es demasiado alta, la disipación de calor y la ventilación efectivas se utilizan para garantizar la distribución uniforme del campo de temperatura de la batería. En condiciones de baja temperatura, la batería se puede calentar rápidamente para lograr un entorno de trabajo normal.

(V) Seguridad y protección.
Como la función más importante de todo el sistema de gestión de baterías, la protección de seguridad se basa en las primeras cuatro funciones. Incluye principalmente protección contra sobrecorriente, protección contra sobrecarga y descarga, protección contra sobretemperatura y monitoreo de aislamiento.
(1) protección contra sobrecorriente.
Debido a que la batería tiene una cierta resistencia interna, cuando la batería está funcionando, el flujo de corriente provocará el calor interno de la batería, y el aumento de la acumulación de calor conduce al aumento de la temperatura de la batería, lo que conduce a la disminución de la temperatura. estabilidad de la batería. Para la batería de iones de litio, la capacidad de desintercalación de los materiales de electrodos positivos y negativos es segura. Cuando la corriente de carga y descarga es mayor que su capacidad de desintercalación, el voltaje de polarización de la batería aumentará y la capacidad real de la batería disminuirá y afectará la vida útil de la batería. En casos graves, afectará la seguridad de la batería. El sistema de gestión de la batería juzgará si el valor actual supera el rango de seguridad y, si lo supera,
(2) protección contra sobrecarga y sobredescarga.
En el proceso de carga, cuando el voltaje de carga excede el voltaje de carga de corte de la batería, la estructura de red positiva se destruirá y la capacidad de la batería se reducirá. Y cuando el voltaje es demasiado alto, causará el peligro oculto de explosión en el cortocircuito del polo positivo y negativo. La sobrecarga está estrictamente prohibida. BMS detecta el voltaje de una sola batería en el sistema, y ​​cuando el voltaje excede el límite de carga, BMS desconecta el circuito de carga para proteger el sistema de batería.
En el proceso de descarga, cuando el voltaje de descarga es menor que el voltaje de corte de descarga de la batería, el colector de metal en el electrodo negativo de la batería se disolverá, provocando un daño irreversible a la batería. Al cargar una batería descargada en exceso, existe la posibilidad de un cortocircuito interno o una fuga. Cuando el voltaje excede el voltaje límite de descarga, el BMS abrirá el circuito para proteger el sistema de la batería.
(3) protección contra sobretemperatura.
Para la protección contra sobretemperatura, debe combinarse con las funciones de gestión térmica anteriores. La actividad de la batería varía a diferentes temperaturas. Cuando se expone a altas temperaturas durante mucho tiempo, la estabilidad estructural de los materiales de la batería empeorará y acortará la vida útil de la batería. La limitación de la actividad de la batería a baja temperatura reducirá la capacidad disponible, especialmente la capacidad de carga será muy baja y puede causar riesgos de seguridad. El sistema de gestión de la batería puede prohibir la carga y descarga cuando la temperatura de la batería supera el límite de temperatura alta o es inferior al límite de temperatura baja.
(4) Supervisión del aislamiento.
La función de monitoreo de aislamiento es también una de las funciones importantes para garantizar la seguridad del sistema de batería. El voltaje del sistema de la batería suele ser de varios cientos de voltios y, una vez que se produce la fuga, será peligroso para el personal, por lo que la función de control del aislamiento es muy importante. BMS monitoreará la resistencia de aislamiento del total positivo y negativo al cuerpo de hierro en tiempo real. Si la resistencia de aislamiento es inferior al rango seguro, se informará la falla y se desconectará el alto voltaje.
Diseño del sistema y requisitos técnicos.

Al diseñar el sistema de administración de la batería, primero debemos determinar la función de BMS de acuerdo con los requisitos de diseño de todo el vehículo y luego determinar su topología, seguido del diseño de software y hardware del trabajo principal. Después de completar el trabajo básico anterior, debemos realizar la prueba de la unidad BMS y la prueba general del paquete de batería de energía. Antes del diseño del software y el hardware, es necesario probar la carga y descarga, la capacidad, la resistencia y otras características de la batería individual para proteger mejor el diseño del circuito, el diseño del algoritmo, etc.
El diseño de hardware debe combinarse con los requisitos de los algoritmos de software, y se debe prestar atención al aislamiento de voltaje, la interferencia antielectromagnética, la compatibilidad electromagnética, el aislamiento de comunicación, la ventilación y la disipación de calor en el desarrollo de la placa de circuito y el diseño de componentes. Las funciones generales de diseño del software incluyen detección de voltaje, adquisición de temperatura, detección de corriente, detección de aislamiento, estimación de SOC, comunicación CAN, función de ecualización de descarga, función de autocomprobación del sistema, función de detección del sistema, gestión de carga, gestión térmica, etc.
El diseño de hardware relacionado es compatible con las funciones del diseño de software, como el módulo MCU que se utiliza para recopilar y analizar datos, enviar y recibir señales de control, y el módulo de detección actual es para recopilar la corriente de carga y descarga de la batería durante el proceso de carga y descarga.