Con el rápido desarrollo de nuevos vehículos de energía, la aplicación de BMS se ha convertido en un lugar común El BMS es responsable de monitorear y proteger la batería contra condiciones que podrían dañar la batería, el vehículo, el usuario o el entorno circundante BMS también es responsable de proporcionar estimaciones precisas de SOC y SOH para garantizar que el rendimiento de la batería y la degradación de la capacidad se minimicen durante el ciclo de vida de la batería, asegurando la experiencia de conducción del usuario

La estructura principal de un BMS generalmente consta de tres IC: un delantero analógico (AFE), un microcontrolador (MCU) y un coulómetro (Figura 1) El coulómetro puede ser un IC independiente o incrustado en el MCU El MCU es el componente central del BMS, y mientras está conectado al resto del sistema, también obtiene información del AFE y el coulómetro

Figura 1 Diagrama de bloques de arquitectura BMS

AFE proporciona información de voltaje, temperatura y corriente para celdas y módulos para MCU y coulómetros Debido a que el AFE está físicamente más cercano a la batería, el AFE también puede controlar el interruptor de circuito, que desconectará la batería del resto del sistema si se activa alguna falla
El coulómetro IC toma información celular del AFE y luego utiliza modelos de células sofisticadas y algoritmos avanzados para estimar los parámetros clave, como SOC y SOH Las funciones de coulómetro se pueden implementar a través de un MCU, pero hay varias ventajas en el uso de un IC de coulómetro dedicado:

· Diseño eficiente: el uso de ICS dedicados para ejecutar algoritmos complejos permite a los diseñadores usar MCU de menor especificación, reduciendo el costo general y el consumo actual
· Seguridad mejorada: un coulómetro dedicado mide SoC individual y SOH para cada combinación de celdas en tándem en un paquete de baterías, lo que permite una precisión de medición más precisa y detección de envejecimiento durante el ciclo de vida de la batería Esto es importante porque la impedancia de la batería y la capacidad divergen con el tiempo, afectando el tiempo de actividad y la seguridad

Mejorar la precisión de SOC y SOH
El objetivo principal de diseñar un BMS de alta precisión es proporcionar cálculos precisos para el SOC y SOH de la batería Los diseñadores de BMS pueden pensar que la única forma de lograr esto es usar AFES de mayor precisión, pero este es solo un factor en la precisión computacional general Los factores más importantes son el modelo de batería de coulómetro y el algoritmo de cálculo del coulómetro, seguido de la capacidad de la AFE para proporcionar lecturas sincrónicas de corriente de voltaje para el cálculo de resistencia a la batería
El coulómetro convierte las mediciones de voltaje, corriente y temperatura en salidas SOC y SOH analizando la información calculada en tiempo real por el algoritmo en relación con un modelo de batería específico almacenado en su memoria El modelo de celda se genera caracterizando la celda bajo diferentes condiciones de temperatura, capacidad y carga, definiendo matemáticamente su voltaje de circuito abierto, así como sus componentes de resistencia y capacitancia Este modelo permite que el algoritmo del coulómetro calcule el SOC óptimo en función de la variación de estos parámetros en diferentes condiciones de funcionamiento Por lo tanto, si el modelo de batería o algoritmo del coulómetro es inexacto, el cálculo es inexacto independientemente de la precisión con la que AFE realiza la medición

Lectura sincrónica de voltaje y corriente
Aunque casi todos los AFE ofrecen diferentes ADC para voltaje y corriente, no todos los AFE ofrecen mediciones de corriente y voltaje sincrónicas reales para cada celda Esta característica, llamada lectura sincrónica-corriente de voltaje, permite que el coulómetro estime con precisión la resistencia en serie equivalente (ESR) de la batería Debido a que la ESR varía con diferentes condiciones de funcionamiento y tiempo, estimar ESR en tiempo real permite estimaciones de SOC más precisas

La Figura 2 muestra el error de una lectura sincronizada versus una lectura no sincronizada

Figura 2 Comparación de errores SOC con y sin lectura síncrona

AFE Control de fallas directas
Como se mencionó anteriormente, el papel más importante que juega AFE en un BMS es la gestión de protección AFE puede controlar directamente el circuito de protección, protegiendo el sistema y la batería cuando se detecta una falla Algunos sistemas implementan el control de fallas en el MCU, pero esto da como resultado tiempos de respuesta más largos y requiere más recursos de la MCU, lo que aumenta la complejidad del firmware
Advanced AFE utiliza su lectura ADC y su configuración de usuario para detectar cualquier condición de falla AFE responde a las fallas encendiendo un MOSFET protector para garantizar una verdadera protección de hardware De esta manera, la MCU puede actuar como un mecanismo de protección secundaria para una mayor seguridad y robustez

Protección de la batería para mediciones de voltaje altas y bajas
Al diseñar un BMS, es importante considerar dónde se coloca el interruptor de circuito protegido por la batería Por lo general, estos circuitos se implementan utilizando MOSFET de canales N porque tienen una resistencia interna más baja en comparación con los MOSFET del canal P Estos interruptores de circuitos se pueden colocar en el lado de alto voltaje (el terminal positivo de la batería) o el lado de bajo voltaje (el terminal negativo de la batería)
La arquitectura lateral alta garantiza una buena conexión a tierra (GND) para evitar posibles problemas de seguridad y comunicación en caso de cortocircuito Además, una conexión GND limpia y estable ayuda a reducir las fluctuaciones de la señal de referencia, que son clave para la operación precisa de MCU
Sin embargo, cuando los MOSFET del canal N se colocan en el extremo positivo de la celda, conducir su puerta requiere un voltaje más alto que el de la batería, lo que hace que el proceso de diseño sea más desafiante Por lo tanto, las bombas de carga especializadas integradas en AFE a menudo se usan en arquitecturas de alta gama, lo que aumenta el costo general y el consumo de corriente IC
Para configuraciones de gama baja, no se requieren bombas de carga, pero es más difícil lograr una comunicación efectiva en las configuraciones laterales de bajo voltaje porque no hay referencia GND cuando se enciende la protección

Balance de la batería para extender la duración de la batería
Un paquete de baterías de energía generalmente consiste en una serie de celdas en serie y paralelo Cada célula es teóricamente idéntica, pero cada célula generalmente se comporta de manera ligeramente diferente debido a las tolerancias de fabricación y las diferencias químicas Con el tiempo, estas diferencias se vuelven más significativas, por lo que el equilibrio de la batería es esencial
La ecualización pasiva es el método más común, que requiere descargar las baterías más cargadas hasta que todas tengan cargas iguales El equilibrio de la unidad pasiva en AFE se puede hacer external o internamente El equilibrio externo permite una mayor corriente de equilibrio, pero también aumenta el BOM (como se muestra en la Figura 3)

Figura 3 Diagrama de balance de batería externa

El equilibrio interno, por otro lado, no aumenta la LA BOM, pero generalmente limita la corriente de equilibrio a un valor más bajo debido a la disipación de calor (Figura 4) Al determinar el equilibrio interno y externo, es necesario considerar el costo del hardware externo y la corriente de balance de destino

Figura 4 Diagrama de bloque de balance de la unidad interna