Les batteries Li-ion sont largement utilisées pour différentes applications. La chimie des matériaux du Li-ion ne peut pas résister aux surcharges, aux décharges excessives, aux surintensités, aux courts-circuits et aux températures ultra-élevées. Batteries lithium-ion, en particulier packs de batteries lithium-ion personnalisés, besoin d'un BMS (Battery Management System) pour garantir que la batterie est fiable et sûre. Le système de gestion de la batterie est le cerveau de la batterie au lithium et signale l'état et l'état de santé de la batterie. Obtenons une meilleure compréhension de cet article.
Qu'est-ce qu'un système BMS ?
Le BMS (Battery Management System) sert de composant de protection du circuit dans la batterie. Il surveille et régule en permanence la tension et le courant, garantissant des performances et une sécurité optimales.
Le composant principal du BMS de batterie :
- PCB Il existe trois types normaux de cartes PCB : une carte simple, une carte double face et une carte à quatre couches.
- Le meilleur BMS pour batteries au lithium doit adopter le circuits intégrés de marque célèbre qui déterminent le prix et la qualité.
- Le Mosfet agit comme un interrupteur dans le circuit. Cependant, la résistance à l'état passant du MOSFET affecte les performances de la batterie. Le Mosfet de haute qualité a une résistance à l'état passant plus faible, ce qui entraîne une batterie Li-ion avec une résistance à l'état passant plus faible et une charge plus forte. En outre, les mosfet de haute qualité consomment peu d’énergie.
- NTC, mesurant la température latérale de la batterie Li-ion.
Topologie BMS
Les topologies BMS centralisées, distribuées et modulaires sont les trois principaux types de topologie. La topologie du système de gestion de batterie joue un rôle essentiel dans la surveillance, le contrôle et la maintenance des batteries.
Topologie BMS centralisée
Dans une topologie BMS centralisée, une seule carte de circuit imprimé (PCB) BMS contient une unité de contrôle qui surveille toutes les cellules de la batterie via plusieurs canaux de communication. Cette conception conduit à un BMS plus volumineux et moins flexible. Cependant, sa rentabilité et sa simplicité le rendent populaire pour les applications à faible consommation d'énergie telles que les vélos électriques, les objets connectés et les outils électriques.
Topologie BMS distribuée
L'architecture BMS distribuée équipe chaque module de batterie d'une carte de contrôle indépendante. Tous les modules sont connectés au contrôleur maître central via CAN pour assurer la transmission des données et des commandes.
L'avantage de cette architecture réside dans sa grande fiabilité. Chaque module dispose d'une fonction de surveillance, et la défaillance d'un seul module n'affecte pas les autres modules. Forte évolutivité, elle permet d'ajuster la taille du système par ajout et suppression de modules, ce qui la rend adaptée aux véhicules et navires électriques. Cependant, elle présente l'inconvénient de nécessiter la gestion de plusieurs unités matérielles et réseaux de communication, ce qui rend le système complexe et coûteux.
Topologie BMS modulaire
Dans une topologie BMS modulaire, plusieurs unités de contrôle esclaves sont déployées sur le circuit imprimé du module, chacune surveillant la tension et la température d'un module de batterie spécifique. Ces unités de contrôle se connectent à l'unité de contrôle principale via le réseau CAN, intégré au circuit imprimé maître et responsable de l'intégration des données.
La topologie modulaire du BMS permet une extension flexible, mais le contrôle des communications est plus complexe, ce qui en fait un choix idéal pour le stockage d'énergie en conteneur. De plus, sa facilité de maintenance compense l'augmentation des coûts d'intégration.
Le tableau suivant présente la description, les avantages et les inconvénients, ainsi que les applications des trois topologies :
| topologie | Description | Avantages | Désavantages | Application |
| Centralisée | Une unité de commande unique surveille et contrôle l’ensemble de la batterie | Simple, facile à mettre en œuvre | Câblage moins fiable et encombrant | outils électriques, robots intelligents, maison intelligente IOT, chariots élévateurs électriques, vélos électriques, voiturettes de golf électriques. |
| Distribué | Chaque batterie possède sa propre carte BMS | Plus fiable, évolutif | Plus complexe, plus cher | Véhicules électriques, bateau, etc. |
| Modulaire | Groupes de batteries divisés en modules avec BMS individuels | Flexible, évolutif | Plus complexe, nécessite une communication | Système de stockage d'énergie en conteneur (EMS), centrale électrique de stockage d'énergie. etc. |
Technologie d'équilibrage de batterie
La technologie d'équilibrage des batteries égalise l'état de charge (SOC) de toutes les batteries d'un bloc-batterie multicellulaire. Cette technologie prolonge la durée de vie du bloc-batterie tout en garantissant un fonctionnement sûr. L'équilibrage passif et l'équilibrage actif sont deux méthodes courantes d'équilibrage des batteries.
Équilibrage passif de la batterie
Également appelé équilibrage par dissipation d'énergie, il libère l'excédent de puissance des batteries haute capacité par dégagement de chaleur par résistance. Lorsqu'une cellule atteint sa pleine charge avant les autres pendant la charge, cette méthode dissipe l'excédent d'énergie via des résistances pour éliminer la surcharge. L'équilibrage passif des batteries présente l'avantage d'une architecture de circuit simple et d'un faible coût. Cependant, il présente une faible efficacité énergétique et sollicite davantage la gestion thermique des batteries.
Équilibrage actif de la batterie
On parle alors d'équilibrage par transfert d'énergie. L'équilibrage actif de la batterie est plus flexible. Lors de la charge, l'équilibrage actif transfère l'excédent de puissance vers la batterie de faible capacité. Lors de la décharge, il transfère l'excédent vers la batterie de forte capacité. Comparé à l'équilibrage passif, l'équilibrage actif est plus efficace en termes d'utilisation de l'énergie, mais le coût de conception du circuit augmente également.
Système de gestion thermique de la batterie
Les systèmes de gestion thermique des batteries (BTMS) jouent un rôle essentiel dans le maintien d'une plage de température de fonctionnement optimale des batteries, notamment dans les véhicules électriques. Ils garantissent la sécurité, l'efficacité et la durée de vie des batteries. Ces systèmes font partie du système de gestion de batterie (BMS) et sont conçus pour contrôler le refroidissement et le chauffage du bloc-batterie. Leur fonctionnement principal comprend :
1. Surveillance de la température
Plusieurs capteurs de température sont intégrés à la batterie pour surveiller sa température en temps réel. Ces capteurs transmettent les données de température collectées à l'unité de gestion de la batterie (BMU).
2. Traitement et contrôle des données
Le BMU reçoit les données de température et les analyse et les traite. Il élabore une stratégie de gestion thermique en fonction de la température et de l'état de charge et de décharge de la batterie.
3. Mise en œuvre de la stratégie de gestion thermique
- Stratégie de refroidissement par air : le CAN transmet les données de température élevée du BMU au BMS, qui active les dispositifs de refroidissement par air, comme les ventilateurs, pour augmenter le débit d'air et dissiper la chaleur. L'efficacité du refroidissement est optimisée par le contrôle de la vitesse des ventilateurs et la conception des conduits d'air.
- Stratégie de refroidissement liquide : un liquide de refroidissement circulant absorbe la chaleur via des plaques froides fixées aux modules de batterie. Le liquide de refroidissement chauffé la transfère ensuite vers l'extérieur via des radiateurs. Le débit du liquide de refroidissement est ajusté en fonction de la surveillance en temps réel de la température de la batterie.
- Isolation thermique et égalisation : Les matériaux d'isolation thermique sont utilisés pour isoler la chaleur entre les modules, empêchant emballement thermique causée par le transfert de chaleur. La technologie d'équilibrage thermique permet de minimiser les différences de température entre les cellules, assurant ainsi une répartition uniforme de la température sur l'ensemble de la batterie.
4. Avertissement et protection
Si la température de la batterie dépasse la plage de sécurité, le BMS émet un signal d'avertissement pour alerter l'ingénieur. Dans les cas extrêmes, le BMS active un mode de protection d'urgence, par exemple en désactivant les fonctions de charge/décharge de la batterie.
Comment fonctionne un BMS ?
Activer le BMS
Lorsque les BMS P+ et P- n'ont aucune sortie en état de protection. Vous pouvez activer le BMS en court-circuitant B+ et B-. Dout et Cout seront à un niveau bas (les deux ports de la protection sont une protection de haut niveau). L'État soutient l'ouverture des interrupteurs.
Charger
P+ et P- sont connectés aux pôles positif et négatif du chargeur. Le courant de charge traverse le MOS pour charger la batterie. Le VDD et le VSS du circuit intégré de protection sont la borne d'alimentation et la borne de détection de tension de cellule. La tension de la cellule de batterie continue d'augmenter. Lorsqu'il atteint la tension de protection de la cellule de la batterie (tension de protection contre les surcharges), COUT émettra à ce moment un niveau élevé pour éteindre le commutateur MOS correspondant, et le circuit de charge sera également éteint. , après protection contre les surcharges, la tension de la cellule chutera. Lorsqu'il atteint le seuil de tension IC (tension de récupération de la protection contre les surcharges), Cout revient à un état bas et allume le tube MOS.
Décharge
Les VDD et VSS du circuit intégré détectent également la tension de la batterie lorsque la batterie est déchargée. Lorsque la tension de la cellule chute jusqu'au seuil IC (tension de protection contre les décharges excessives), Dout émet de manière aléatoire un niveau élevé pour désactiver le transistor MOS correspondant. Le circuit de décharge est déconnecté. Après une protection contre les décharges excessives, la tension de la cellule augmentera. Lorsqu'il atteint la tension de seuil (tension de récupération de la protection contre les décharges excessives), Dout revient à un niveau bas pour activer l'interrupteur MOS.
Surintensité et court-circuit
Lorsque le courant de décharge devient trop important, la résistance interne du MOSFET (en conduction saturée) provoque une chute de tension à ses bornes, de B- à P-. Le circuit intégré de protection surveille cette tension via les broches V- et VSS via la résistance R2. Lorsque la tension atteint le seuil de détection de surintensité (généralement 0.15 V), le circuit intégré déclenche une réponse : Dout émet un signal haut, désactivant le MOSFET et déconnectant immédiatement le circuit de décharge pour éviter tout dommage.
Processus de travail du CTN
La batterie fonctionne sans dépassement, surintensité et décharge excessive. Cependant, la température de la batterie augmente en raison des longues heures de fonctionnement et le NTC est placé à proximité de la cellule de la batterie pour surveiller la température de la batterie. À mesure que la température augmente, la résistance du NTC augmente. Lorsque la résistance chute à la valeur définie, le processeur émet une commande d'arrêt pour arrêter de charger la batterie, protégeant ainsi la batterie.
Un BMS offre une protection contre les surcharges, les décharges, les courts-circuits et la température.
La différence entre le système de gestion de batterie intelligent et le système de gestion de batterie matérielle
La technologie du matériel BMS est plus stable que les systèmes intelligents de gestion de batterie. L'ingénieur logiciel code le matériel BMS qui gère ou surveille l'état de la batterie. Le BMS est le cerveau de la batterie lithium-ion. Nous sommes non seulement doués pour concevoir et développer le BMS, mais également pour inspecter les risques. Le système de gestion de la batterie gère les performances de la batterie Li-ion. Le BMS intelligent dispose des protocoles de communication UART, I2C, CANBUS, rs232 et rs485. Le BMS intelligent est plus sûr et plus intelligent que le BMS matériel.
CMB bureau d'études recherche toujours des performances fiables et excellentes sur les batteries rechargeables Li-ion et les BMS.
Les principales fonctions du système de gestion de batterie
Protection contre les surcharges
La protection contre les surcharges signifie que pendant le processus de charge des batteries au lithium, lorsque la tension dépasse la plage raisonnable, cela entraînera des dangers incertains. La fonction de protection contre les surcharges du panneau de protection consiste à surveiller la tension de la batterie en temps réel. Lorsqu'il est chargé jusqu'au sommet de la plage de tension de sécurité, il coupe l'alimentation électrique pour empêcher la tension de continuer à augmenter, jouant ainsi un rôle de protection.
Lors du chargement, le panneau de protection surveille la tension de chaque chaîne de la batterie en temps réel, tant que l'une des chaînes atteint la valeur de protection contre les surcharges (la tension de charge par défaut est de 3.75 V ± 0.05 V), le panneau de protection coupera l'alimentation électrique et l'ensemble des batteries au lithium cessera de se charger.
Protection contre les décharges excessives
La protection contre les décharges excessives signifie que pendant le processus de décharge des batteries au lithium, à mesure que la tension chute, si toute l'électricité est complètement déchargée, les matériaux chimiques à l'intérieur de la batterie au lithium perdront leur activité, ce qui entraînera un échec de charge ou une diminution de la capacité. La fonction de protection contre les décharges excessives du panneau de protection consiste à surveiller la tension de la batterie en temps réel. Lorsque la tension de la batterie est déchargée au point le plus bas, elle coupe l'alimentation électrique pour empêcher la tension de continuer à baisser, jouant ainsi un rôle de protection.
Lors de la décharge, le panneau de protection surveillera la tension de chaque chaîne de la batterie en temps réel, tant que l'une des chaînes atteint la valeur de protection contre les décharges excessives (la tension de décharge excessive par défaut du ternaire est de 2.7 V ± 0.1). V, et la tension de décharge excessive par défaut du fer-lithium est de 2.2 VV ± 0.1 V), le panneau de protection coupera l'alimentation électrique et l'ensemble des batteries au lithium cessera de se décharger.
Protection contre les surintensités
La protection contre les surintensités signifie que lorsque la batterie au lithium alimente la charge, le courant change avec le changement de tension et de puissance. Lorsque le courant est important, il est facile de griller le panneau de protection, la batterie ou l'équipement. La fonction de protection contre les surintensités de la carte de protection consiste à surveiller le courant de la batterie en temps réel pendant le processus de charge et de décharge. Le circuit de protection contre les surintensités coupe le flux de courant lorsque le courant dépasse la plage de sécurité afin de protéger la batterie ou l'équipement contre les dommages.
Lors de la charge et de la décharge, le panneau de protection surveille le courant de la batterie en temps réel. Une fois la valeur de protection contre les surintensités définie atteinte, le panneau de protection coupera l'alimentation électrique et toute la batterie au lithium cessera de se charger et de se décharger.
Protection de court circuit
Un court-circuit se forme lorsque les bornes positives et négatives d’une batterie sont directement connectées sans aucune charge. Un court-circuit peut endommager la batterie et les appareils.
Lorsque la batterie au lithium provoque accidentellement un court-circuit (tel qu'un mauvais câblage, un mauvais câblage, une pénétration d'eau, etc.), le panneau de protection coupe le flux de courant en très peu de temps (0.00025 secondes), jouant ainsi un rôle dans Effets protecteurs.
Protection de la température
Protection du contrôle de la température : la sonde de contrôle de la température du panneau de protection matérielle est soudée à la carte principale à l'intérieur du panneau de protection et ne peut pas être branchée. La sonde de contrôle de température peut surveiller le changement de température de la batterie ou de l'environnement de travail en temps réel. Le système de protection contre le contrôle de la température de la batterie déconnectera la charge et la décharge lorsque la température dépasse la valeur définie (par défaut : charge -20 ~ 55 °C, décharge -40 ~ 75 °C). Le système reconnectera la charge et la décharge lorsque la température reviendra dans une plage raisonnable.
Protection de l'équilibre
L'égalisation passive signifie qu'en cas d'incohérence de tension entre les chaînes de batterie, le panneau de protection ajustera la tension de chaque chaîne pour qu'elle soit cohérente pendant le processus de charge.
Lorsque le panneau de protection détecte une différence de tension entre les chaînes de la batterie au lithium. Le panneau de protection décharge (consomme) environ 30 à 35 mA des chaînes haute tension via la résistance d'équilibre lors de la charge, lorsque le nombre de chaînes haute tension atteint la valeur d'équilibre (LiNiCoMnO2 : 4.13 V, LiFePO4 : 3.525 V), et le les autres chaînes basse tension continuent de se charger jusqu'à ce qu'elles soient pleines.
Le BMS de batterie est le cœur du pack batterie. Le système de gestion de la batterie (BMS) signale l'état de la batterie et les performances de la batterie lithium-ion. C'est une évidence, confirmant clairement la demande électronique d'adapter la solution BMS à la batterie lithium-ion. CMB Travail conception du système de gestion de batterie offre une surveillance complète pour batteries lithium-ion personnalisées, qui comprend le suivi de la tension des cellules, l'équilibrage des cellules et des lectures détaillées de l'état de santé via l'application et le PC.
