Système de gestion de batterie (BMS) pour véhicules électriques

Le 7 ^e Janvier 2013, un vol Boeing 787 était stationné pour l' entretien, pendant que une flamme remarqués mécanicien et de la fumée provenant de l'unité d'alimentation auxiliaire (batterie au lithium) du vol, qui est utilisé pour alimenter les systèmes de vol électroniques. Des efforts ont été prises pour mettre le feu au large, mais 10 jours plus tard, avant que cette question pourrait être résolue, le 16 ^e Janvier une autre panne de batterie a eu lieu dans un 787 vol opéré par All Nippon Airways qui a provoqué un atterrissage d'urgence à l'aéroport japonais. Ces deux pannes de batterie catastrophiques fréquentes ont obligé le vol du Boeing 787 Dreamliners à s'immobiliser indéfiniment, ce qui a terni la réputation du constructeur, causant d'énormes pertes financières.

Après une série d'enquêtes conjointes menées par les États-Unis et le Japon, la batterie au lithium du B-787 a subi un scanner et a révélé que l'une des huit cellules Li-ion était endommagée, provoquant un court-circuit qui a déclenché un emballement thermique avec incendie. Cet incident aurait pu être facilement évité si le système de gestion de batterie de la batterie Li-ion avait été conçu pour détecter / prévenir les courts-circuits. Après quelques changements de conception et des règles de sécurité, le B-787 a recommencé à voler, mais l'incident reste une preuve pour prouver à quel point les batteries au lithium pourraient devenir dangereuses si elles ne sont pas manipulées correctement.

15 ans plus tard, nous avons aujourd'hui des voitures électriques utilisant les mêmes batteries Li-ion qui sont emballées ensemble par centaines, voire par milliers. Ces blocs de batteries massifs d'une tension nominale d'environ 300 V se trouvent dans la voiture et fournissent un courant pouvant atteindre 300 A (chiffres approximatifs) pendant le fonctionnement. Tout accident ici aboutirait à un gros désastre, c'est pourquoi le système de gestion de la batterie est toujours sollicité dans les véhicules électriques. Donc, dans cet article, nous en apprendrons plus sur ce système de gestion de batterie (BMS) et nous décomposerons pour comprendre sa conception et ses fonctions pour mieux le comprendre. Étant donné que les batteries et les BMS sont étroitement liés, il est vivement conseillé de consulter nos articles précédents sur les véhicules électriques et les batteries de véhicules électriques.

Pourquoi avons-nous besoin d'un système de gestion de batterie (BMS)?

Les batteries Lithium-ion se sont avérées être la batterie d'intérêt pour les constructeurs de véhicules électriques en raison de sa densité de charge élevée et de son faible poids. Même si ces batteries sont très performantes pour leur taille, elles sont de nature très instable. Il est très important que ces batteries ne soient jamais surchargées ou déchargées en aucune circonstance qui nécessite de surveiller sa tension et son courant. Ce processus devient un peu plus difficile car il y a beaucoup de cellules assemblées pour former une batterie dans EV et chaque cellule doit être surveillée individuellement pour sa sécurité et son fonctionnement efficace, ce qui nécessite un système dédié spécial appelé le système de gestion de batterie.. Aussi pour obtenir l'efficacité maximale d'un pack de batteries, nous devons charger et décharger complètement toutes les cellules en même temps à la même tension, ce qui appelle à nouveau un BMS. En dehors de cela, le BMS est tenu responsable de nombreuses autres fonctions qui seront discutées ci-dessous.

Considérations relatives à la conception du système de gestion de batterie (BMS)

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors de la conception d'un BMS. Les considérations complètes dépendent de l'application finale exacte dans laquelle le BMS sera utilisé. Outre les BMS d'EV, ils sont également utilisés partout où une batterie au lithium est impliquée, comme un panneau solaire, des moulins à vent, des murs électriques, etc.

Contrôle de décharge: La fonction principale d'un BMS est de maintenir les cellules au lithium dans la zone de fonctionnement sûre. Par exemple, une cellule au lithium 18650 typique aura une sous-tension nominale d'environ 3V. Il est de la responsabilité du BMS de s'assurer qu'aucune des cellules du pack ne se décharge en dessous de 3V.

Contrôle de charge: Outre la décharge, le processus de charge doit également être surveillé par le BMS. La plupart des batteries ont tendance à s'endommager ou à réduire leur durée de vie lorsqu'elles ne sont pas chargées correctement. Pour le chargeur de batterie au lithium, un chargeur à 2 étages est utilisé. Le premier étage est appelé courant constant (CC) pendant lequel le chargeur délivre un courant constant pour charger la batterie. Lorsque la batterie est presque pleine, la deuxième étape appelée tension constante (CV)est utilisée pendant laquelle une tension constante est fournie à la batterie à un courant très faible. Le BMS doit s'assurer que la tension et le courant pendant la charge ne dépassent pas les limites perméables afin de ne pas surcharger ou charger rapidement les batteries. La tension de charge et le courant de charge maximum autorisés peuvent être trouvés dans la fiche technique de la batterie.

Détermination de l'état de charge (SOC): Vous pouvez considérer le SOC comme l'indicateur de carburant de l'EV. Il nous indique en fait la capacité de la batterie du pack en pourcentage. Tout comme celui de notre téléphone mobile. Mais ce n'est pas aussi facile qu'il y paraît. La tension et le courant de charge / décharge du pack doivent toujours être surveillés pour prédire la capacité de la batterie. Une fois la tension et le courant mesurés, de nombreux algorithmes peuvent être utilisés pour calculer le SOC de la batterie. La méthode la plus couramment utilisée est la méthode de comptage de coulomb; nous en discuterons plus tard dans l'article. La mesure des valeurs et le calcul du SOC sont également de la responsabilité d'un BMS.

Détermination de l'état de santé (SOC): La capacité de la batterie dépend non seulement de son profil de tension et de courant, mais également de son âge et de sa température de fonctionnement. La mesure SOH nous renseigne sur l' âge et le cycle de vie attendu de la batterie en fonction de son historique d'utilisation. De cette façon, nous pouvons savoir combien le kilométrage (distance parcourue après une charge complète) de l'EV diminue à mesure que la batterie vieillit et nous pouvons également savoir quand la batterie doit être remplacée. Le SOH doit également être calculé et maintenu par le BMS.

Équilibrage cellulaire: Une autre fonction vitale d'un BMS est de maintenir l'équilibre cellulaire. Par exemple, dans un pack de 4 cellules connectées en série, la tension des quatre cellules doit toujours être égale. Si une cellule est inférieure ou haute tension que l'autre, cela affectera l'ensemble du pack, par exemple si une cellule est à 3,5 V tandis que les trois autres sont à 4 V. Pendant la charge ces trois cellules atteindront 4,2V tandis que l'autre aurait juste atteint 3,7V de même cette cellule sera la première à se décharger à 3V avant les trois autres. De cette façon, à cause de cette cellule unique, toutes les autres cellules du pack ne peuvent pas être utilisées à son potentiel maximum, compromettant ainsi l'efficacité.

Pour résoudre ce problème, le BMS doit implémenter quelque chose appelé équilibrage de cellules. Il existe de nombreux types de techniques d'équilibrage de cellules, mais les plus couramment utilisées sont l' équilibrage de cellules de type actif et passif. Dans l'équilibrage passif, l'idée est que les cellules avec une tension excessive seront déchargées par une charge comme une résistance pour atteindre la valeur de tension des autres cellules. Lors de l'équilibrage actif, les cellules les plus fortes seront utilisées pour charger les cellules les plus faibles afin d'égaliser leurs potentiels. Nous en apprendrons plus sur l'équilibrage cellulaire plus tard dans un autre article.

Contrôle thermique: La durée de vie et l'efficacité d'une batterie au lithium dépendent grandement de la température de fonctionnement. La batterie a tendance à se décharger plus rapidement dans les climats chauds par rapport aux températures ambiantes normales. Ajouter à cela la consommation de courant élevé augmenterait encore la température. Cela nécessite un système thermique (principalement de l'huile) dans une batterie. Ce système thermique ne doit pouvoir faire baisser que la température mais doit également pouvoir augmenter la température dans les climats froids si nécessaire. Le BMS est chargé de mesurer la température de chaque cellule et de contrôler le système thermique en conséquence pour maintenir la température globale de la batterie.

Alimenté par la batterie elle-même: la seule source d'alimentation disponible dans le VE est la batterie elle-même. Un BMS doit donc être conçu pour être alimenté par la même batterie qu'il est censé protéger et entretenir. Cela peut sembler simple mais cela augmente la difficulté de la conception du BMS.

Moins de puissance idéale: un BMS doit être actif et en fonctionnement même si la voiture est en marche ou en charge ou en mode idéal. Cela rend le circuit BMS à être alimenté en continu et il est donc obligatoire que le BMS consomme très moins d'énergie afin de ne pas épuiser beaucoup la batterie. Lorsqu'un VE est laissé sans charge pendant des semaines ou des mois, le BMS et les autres circuits ont tendance à vider la batterie d'eux-mêmes et nécessitent éventuellement d'être lancés ou chargés avant la prochaine utilisation. Ce problème reste courant avec même les voitures populaires comme Tesla.

Isolation galvanique: Le BMS agit comme un pont entre la batterie et l'ECU de l'EV. Toutes les informations collectées par le BMS doivent être envoyées à l'ECU pour être affichées sur le combiné d'instruments ou sur le tableau de bord. Ainsi, le BMS et l'ECU devraient communiquer en permanence principalement via le protocole standard comme la communication CAN ou le bus LIN. La conception du BMS doit être capable de fournir une isolation galvanique entre la batterie et l'ECU.

Enregistrement des données: Il est important pour le BMS d'avoir une grande banque de mémoire car il doit stocker beaucoup de données. Des valeurs telles que l'état de santé SOH ne peuvent être calculées que si l'historique de charge de la batterie est connu. Le BMS doit donc suivre les cycles de charge et le temps de charge de la batterie à partir de la date d'installation, et interrompre ces données si nécessaire. Cela aide également à fournir un service après-vente ou à analyser un problème avec le VE pour les ingénieurs.

Précision: lorsqu'une cellule est en cours de charge ou de décharge, la tension à travers elle augmente ou diminue progressivement. Malheureusement, la courbe de décharge (tension en fonction du temps) d'une batterie au lithium a des régions plates, d'où le changement de tension est très moindre. Ce changement doit être mesuré avec précision pour calculer la valeur du SOC ou pour l'utiliser pour l'équilibrage des cellules. Un BMS bien conçu pourrait avoir une précision aussi élevée que ± 0,2 mV, mais il devrait au minimum avoir une précision de 1 mV-2 mV. Normalement, un ADC 16 bits est utilisé dans le processus.

Vitesse de traitement: Le BMS d'un EV doit faire beaucoup de calculs pour calculer la valeur de SOC, SOH, etc. Il existe de nombreux algorithmes pour faire cela, et certains utilisent même l'apprentissage automatique pour accomplir la tâche. Cela fait du BMS un appareil gourmand en traitement. En dehors de cela, il doit également mesurer la tension de la cellule à travers des centaines de cellules et remarquer les changements subtils presque immédiatement.

Blocs de construction d'un BMS

Il existe de nombreux types de BMS disponibles sur le marché, vous pouvez soit en concevoir un vous-même, soit même acheter le circuit intégré intégré qui est facilement disponible. Du point de vue de la structure matérielle, il n'existe que trois types de BMS en fonction de sa topologie: le BMS centralisé, le BMS distribué et le BMS modulaire. Cependant, la fonction de ces BMS est similaire. Un système générique de gestion de batterie est illustré ci-dessous.

Acquisition de données BMS

Analysons le bloc fonctionnel ci-dessus à partir de son noyau. La fonction principale du BMS est de surveiller la batterie pour laquelle il a besoin de mesurer trois paramètres vitaux tels que la tension, le courant et la température de chaque cellule de la batterie.. Nous savons que les packs de batteries sont formés en connectant de nombreuses cellules en série ou en configuration parallèle, comme le Tesla a 8 256 cellules dans lesquelles 96 cellules sont connectées en série et 86 sont connectées en parallèle pour former un pack. Si un ensemble de cellules est connecté en série, nous devons mesurer la tension à travers chaque cellule mais le courant pour l'ensemble entier sera le même puisque le courant sera le même dans un circuit en série. De même, lorsqu'un ensemble de cellules est connecté en parallèle, nous devons mesurer uniquement la tension entière car la tension à travers chaque cellule sera la même lorsqu'elle est connectée en parallèle. L'image ci-dessous montre un ensemble de cellules connectées en série, vous pouvez remarquer la tension et la température mesurées pour les cellules individuelles et le courant du pack est mesuré dans son ensemble.

"Comment mesurer la tension d'une cellule dans BMS?"

Étant donné qu'un véhicule électrique typique a un grand nombre de cellules connectées ensemble, il est un peu difficile de mesurer la tension de cellule individuelle d'un bloc-batterie. Mais ce n'est que si nous connaissons la tension de chaque cellule que nous pouvons effectuer un équilibrage de cellule et fournir une protection de cellule. Pour lire la valeur de tension d'une cellule, un ADC est utilisé. Mais la complexité impliquée est élevée puisque les batteries sont connectées en série. Cela signifie que les bornes sur lesquelles la tension est mesurée doivent être modifiées à chaque fois. Il existe de nombreuses façons de faire cela impliquant des relais, des multiplexeurs, etc. En dehors de cela, il existe également des circuits intégrés de gestion de batterie comme MAX14920 qui peuvent être utilisés pour mesurer les tensions de cellules individuelles de plusieurs cellules (12-16) connectées en série.

"Comment mesurer la température des cellules pour BMS?"

Outre la température de la cellule, le BMS doit parfois également mesurer la température du bus et la température du moteur car tout fonctionne avec un courant élevé. L'élément le plus couramment utilisé pour mesurer la température est appelé un NTC, qui signifie coefficient de température négative (NTC). Il est similaire à une résistance mais il change (diminue) sa résistance en fonction de la température qui l'entoure. En mesurant la tension aux bornes de cet appareil et en utilisant une simple loi d'Ohm, nous pouvons calculer la résistance et donc la température.

Frontal analogique multiplexé (AFE) pour la mesure de la tension et de la température des cellules

La mesure de la tension de la cellule peut devenir complexe car elle nécessite une grande précision et peut également injecter des bruits de commutation à partir du multiplexeur en dehors du fait que chaque cellule est connectée à une résistance via un commutateur pour l'équilibrage de la cellule. Pour surmonter ces problèmes, un circuit intégré frontal analogique AFE est utilisé. Un AFE a intégré un module Mux, tampon et ADC avec une grande précision. Il pourrait facilement mesurer la tension et la température en mode commun et transférer les informations au microcontrôleur principal.

"Comment mesurer le courant du pack pour BMS?"

Le pack de batteries EV peut fournir une grande valeur de courant jusqu'à 250 A ou même élevé, à part cela, nous devons également mesurer le courant de chaque module du pack pour nous assurer que la charge est répartie uniformément. Lors de la conception de l'élément de détection de courant, nous devons également fournir une isolation entre le dispositif de mesure et de détection. La méthode la plus couramment utilisée pour détecter le courant est la méthode Shunt et la méthode basée sur le capteur Hall. Les deux méthodes ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les méthodes de shunt précédentes étaient considérées comme moins précises, mais avec la disponibilité récente de conceptions de shunts de haute précision avec des amplificateurs et des modulateurs isolés, elles sont plus préférées que la méthode basée sur des capteurs à effet Hall.

Estimation de l'état de la batterie

La principale puissance de calcul d'un BMS est dédiée à l'estimation de l'état de la batterie. Cela comprend la mesure du SOC et du SOH. Le SOC peut être calculé en utilisant la tension de la cellule, le courant, le profil de charge et le profil de décharge. Le SOH peut être calculé en utilisant le nombre de cycles de charge et les performances de la batterie.

«Comment mesurer le SOC d'une batterie?»

Il existe de nombreux algorithmes pour mesurer le SOC d'une batterie, chacun ayant ses propres valeurs d'entrée. La méthode la plus couramment utilisée pour le SOC est la méthode de comptabilité de Coulomb Counting. Nous discuterons