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Système de gestion de batterie (BMS) - Cours de certification | Véhicule électrique

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Description

La transformation en cours de la technologie des batteries a incité de nombreux nouveaux arrivants à se familiariser avec la conception de systèmes de gestion de batteries. Ce cours fournit un guide du débutant sur l'architecture du système de gestion de la batterie (BMS), explique les principaux blocs fonctionnels et explique l'importance de chaque bloc pour le système de gestion de la batterie.

Dans ce cours, nous examinerons les systèmes de gestion de la batterie, ce qu’est un système de gestion de la batterie, et nous examinerons également les composants individuels qui constituent généralement un système de gestion de la batterie.

Un système de gestion de batterie est essentiellement le "cerveau" d'un pack de batterie; il mesure et rapporte des informations cruciales pour le fonctionnement de la batterie et protège également la batterie contre les dommages dans une large gamme de conditions de fonctionnement.

La fonction la plus importante d'un système de gestion de batterie est la protection des cellules.

Les cellules de batterie aux ions lithium ont deux problèmes de conception critiques; Si vous les surchargez, vous risquez de les endommager et de provoquer une surchauffe, voire une explosion ou une flamme. Il est donc important de disposer d'un système de gestion de batterie offrant une protection contre les surtensions.

Les cellules à ions lithium peuvent également être endommagées si elles sont déchargées en dessous d'un certain seuil, environ 5 pour cent de leur capacité totale. Si les cellules sont déchargées en dessous de ce seuil, leur capacité peut être réduite de façon permanente.

Pour garantir que la charge de la batterie ne dépasse pas ou ne dépasse pas ses limites, un système de gestion de la batterie dispose d'un dispositif de sauvegarde appelé dispositif de protection lithium-ion dédié.

Chaque circuit de protection de batterie comporte deux commutateurs électroniques appelés «MOSFET». Les MOSFET sont des semi-conducteurs utilisés pour activer ou désactiver des signaux électroniques dans un circuit.

Un système de gestion de batterie comprend généralement un MOSFET de décharge et un MOSFET de charge.

Si le protecteur détecte que la tension entre les cellules dépasse une certaine limite, il interrompra la charge en ouvrant la puce Charge MOSFET. Une fois que la charge est revenue à un niveau sûr, l'interrupteur se referme.

De même, lorsqu'une cellule draine à une certaine tension, le protecteur coupe la décharge en ouvrant le MOSFET à décharge.

La deuxième fonction la plus importante d'un système de gestion de batterie est la gestion de l'énergie.

Le compteur de puissance de la batterie de votre ordinateur portable est un bon exemple de gestion de l'énergie. La plupart des ordinateurs portables actuels sont non seulement en mesure de vous dire combien de charge il reste dans la batterie, mais aussi quel est votre taux de consommation et combien de temps il vous reste pour utiliser l'appareil avant que la batterie ait besoin d'être rechargée. Ainsi, sur le plan pratique, la gestion de l’énergie est très importante dans les appareils électroniques portables.

La clé de la gestion de l’énergie est le «comptage de Coulomb». Par exemple, si vous avez des personnes 5 dans une pièce et que des personnes 2 partent, il vous en reste trois, si trois autres personnes vous entrent, vous avez maintenant des personnes 6 dans la pièce. Si la salle a une capacité de personnes 10, 6 est rempli à 100%. Un système de gestion de la batterie suit cette capacité. Cet état de charge est communiqué électroniquement à l'utilisateur via un bus numérique appelé SM BUS ou via un affichage de l'état de charge sur lequel vous appuyez sur un bouton. Un affichage à LED vous donne une indication de la charge totale en incréments de 60%.

Les systèmes de gestion de batterie pour certaines applications telles que celle de ce terminal portable comprennent également un chargeur intégré comprenant un dispositif de contrôle, un inducteur (qui est un dispositif de stockage d'énergie) et un déchargeur. Le dispositif de contrôle gère l'algorithme de charge. Pour les cellules lithium-ion, l'algorithme de charge idéal est le courant constant et la tension constante.

Un bloc-batterie est généralement constitué de plusieurs cellules individuelles qui fonctionnent ensemble. Idéalement, toutes les cellules d'un bloc-batterie doivent être maintenues au même état de charge. Si les cellules se déséquilibrent, les cellules individuelles peuvent être stressées et entraîner une fin prématurée de la charge et une réduction de la durée de vie globale de la batterie. Les équilibreurs de cellules du système de gestion de batterie, présentés ici, prolongent la durée de vie de la batterie en empêchant ce déséquilibre de charge dans les cellules individuelles.

Maintenant que nous avons passé en revue les composants de base d’un système de gestion de batterie et leur fonction, dans les autres vidéos de la série, nous allons plus loin en examinant la conception des blocs de batterie pour différentes applications, de la grande à la petite Jetez également un coup d'œil aux défis uniques en matière de conception auxquels se heurte le concepteur de blocs-batterie, tels que l'espace disponible, les exigences de dissipation de chaleur et la manière dont le facteur de forme ou la «convivialité» d'un périphérique entrent en compte dans la conception du bloc-batterie.

Systèmes de gestion de batterie

Les systèmes de gestion de la batterie sont le cerveau des batteries. Ils gèrent la sortie, la charge et la décharge et fournissent des notifications sur l’état de la batterie. Ils fournissent également des garanties critiques pour protéger les batteries contre les dommages.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de ce cours en ligne, les participants seront en mesure de comprendre les concepts suivants de BMS:

  • Introduction aux batteries Li-ion
  • Introduction à la gestion des batteries Li-ion
  • Introduction aux systèmes de gestion de batterie (BMS) pour LIB
  • Définition et classification du SGB
  • Fonctionnalités BMS
  • Résumer les composants de base et les fonctionnalités du système de gestion de la batterie
  • Conception et modélisation de systèmes de batterie
  • Choisissez la complexité de modèle appropriée pour une application donnée
  • Paramétrer des modèles de batterie de circuit équivalents en utilisant des données expérimentales I, V, T
  • Comprendre les composants et la fonction du système de gestion de batterie (BMS)
  • Discutez des facteurs qui influencent les performances de la batterie et des systèmes de protection requis
  • Appliquer l'état de l'art en matière de modélisation de batterie et de recherche de contrôles
  • Topologies BMS
  • Systèmes d'équilibrage
  • Boîte à fusibles et interrupteurs
  • Algorithmes de diagnostic
  • Test BMS

La tâche principale d'un système de gestion d'entrepôt consiste à protéger la batterie (en empêchant toute cellule de fonctionner en dehors de sa zone de fonctionnement sûre)
• Une tâche secondaire peut être de maximiser la capacité de la batterie (en équilibrant le SOC de la batterie).
• Les systèmes de gestion de batterie (BMS) permettent de gérer un pack de batterie, par exemple: • en surveillant son état, • en calculant des données secondaires. Ce cours vous fournira une base solide en termes de terminologie et de fonction des cellules lithium-ion et en exigences relatives aux systèmes de gestion de batterie, nécessaires pour le reste de la spécialisation.

PROGRAMME:

Protection: Surtension, Surintensité, Sous tension, Court-circuit, Circuit ouvert

✓Gestion thermique

✓ Intégration ECU

✓Équilibrage intelligent des cellules

✓Surveillance de la santé

✓Surveillance de l'état de charge

✓Compatible avec tous les produits chimiques cellulaires

✓Contrôles de sortie numérique et analogique

✓Programme programmable

BMS signifie différentes choses pour différentes personnes. Pour certains, il s’agit simplement de surveillance de la batterie, qui vérifie les principaux paramètres de fonctionnement pendant la charge et la décharge, tels que les tensions et les courants, ainsi que la température interne et ambiante de la batterie. Les circuits de surveillance fourniraient normalement des entrées aux dispositifs de protection qui généreraient des alarmes ou déconnecteraient la batterie de la charge ou du chargeur si l'un des paramètres devenait hors limites.

Pour l’ingénieur responsable de l’énergie ou des installations, la batterie est la dernière ligne de défense contre une panne de courant ou une panne du réseau de télécommunication. SGB signifie Systèmes de gestion de la batterie. Ces systèmes englobent non seulement la surveillance et la protection de la batterie, mais également des méthodes permettant de la maintenir prête à fournir toute la puissance nécessaire en cas de sollicitation, ainsi que des méthodes permettant de prolonger sa durée de vie. Cela comprend tout, du contrôle du régime de charge à la maintenance planifiée.

Pour l’ingénieur automobile, le système de gestion de la batterie fait partie d’un système de gestion de l’énergie beaucoup plus complexe et doit s’interfacer avec d’autres systèmes embarqués tels que la gestion du moteur, les commandes de climatisation, les systèmes de communication et de sécurité.

Il y a donc beaucoup de variétés de BMS.

Concevoir un BMS

Afin de contrôler les performances et la sécurité de la batterie, il est nécessaire de comprendre ce qui doit être contrôlé et pourquoi il faut le contrôler. Cela nécessite une compréhension approfondie des chimies fondamentales des cellules, des caractéristiques de performance et des modes de défaillance de la batterie, en particulier des défaillances de batterie au lithium. La batterie ne peut pas simplement être traitée comme une boîte noire.

BMS Building Blocks

Trois objectifs principaux sont communs à tous les systèmes de gestion de batterie.

  • Protégez les cellules ou la batterie des dommages
  • Prolongez la vie de la batterie
  • Maintenez la batterie dans un état lui permettant de répondre aux exigences fonctionnelles de l'application pour laquelle elle a été spécifiée.

Pour atteindre ces objectifs, BMS peut incorporer une ou plusieurs des fonctions suivantes. (Suivez les liens pour voir comment ces fonctions sont implémentées.)

  • Protection cellulaire La protection de la batterie contre les conditions de fonctionnement hors tolérance est fondamentale pour toutes les applications BMS. En pratique, le BMS doit fournir une protection complète des cellules afin de couvrir presque toutes les éventualités. L'utilisation d'une batterie en dehors des limites de conception spécifiées entraînera inévitablement une défaillance de la batterie. Outre les inconvénients, le coût de remplacement de la batterie peut être prohibitif. Cela est particulièrement vrai pour les batteries automobiles à haute tension et à haute puissance, qui doivent fonctionner dans des environnements hostiles et qui, en même temps, peuvent être utilisées de manière abusive par l'utilisateur.
  • Contrôle de charge C'est une caractéristique essentielle de BMS. Plus de batteries sont endommagées par une charge inappropriée que par toute autre cause.
  • Gestion de la demande Bien que cela ne soit pas directement lié au fonctionnement de la batterie, la gestion de la demande fait référence à l'application dans laquelle la batterie est utilisée. Son objectif est de minimiser la consommation de courant sur la batterie en intégrant des techniques d’économie d’énergie dans les circuits des applications et de prolonger ainsi le temps entre deux charges de la batterie.
  • Détermination SOC De nombreuses applications nécessitent une connaissance de l'état de charge (SOC) de la batterie ou des éléments individuels de la chaîne de la batterie. Cela peut simplement servir à fournir à l'utilisateur une indication de la capacité restante dans la batterie, ou cela pourrait être nécessaire dans un circuit de contrôle pour assurer un contrôle optimal du processus de charge.
  • Détermination SOH L'état de santé (SOH) est une mesure de la capacité d'une batterie à fournir la sortie spécifiée. Ceci est essentiel pour évaluer l'état de préparation des équipements d'alimentation de secours et indique si des actions de maintenance sont nécessaires.
  • Équilibrage des cellules Dans les chaînes de batteries multicellulaires, de petites différences entre les cellules dues aux tolérances de production ou aux conditions de fonctionnement ont tendance à être amplifiées à chaque cycle de charge / décharge. Les cellules les plus faibles deviennent trop sollicitées pendant la charge, ce qui les rend encore plus faibles, jusqu'à ce qu'elles finissent par tomber en panne, entraînant une défaillance prématurée de la batterie. L'équilibrage des cellules est un moyen de compenser les cellules les plus faibles en équilibrant la charge de toutes les cellules de la chaîne et en prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie.
  • Historique - (fonction de journal de bord) La surveillance et le stockage de l'historique de la batterie sont une autre fonction possible du système de gestion d'entrepôt. Cela est nécessaire pour estimer l’état de santé de la batterie, mais aussi pour déterminer si elle a fait l’objet d’abus. Des paramètres tels que le nombre de cycles, les tensions et températures maximales et minimales et les courants de charge et de décharge maximaux peuvent être enregistrés pour une évaluation ultérieure. Cela peut constituer un outil important dans l’évaluation des demandes de garantie.
  • Authentification et identification Le système BMS offre également la possibilité d’enregistrer des informations sur la cellule, telles que la désignation de type du fabricant et la composition chimique de la cellule, ce qui facilite les tests automatiques, ainsi que le numéro de lot ou de série et la date de fabrication permettant la traçabilité en cas de défaillance de la cellule.
  • Communications La plupart des systèmes BMS intègrent une forme de communication entre la batterie et le chargeur ou l'équipement de test. Certains ont des liens avec d'autres systèmes en interface avec la batterie pour surveiller son état ou son historique. Des interfaces de communication sont également nécessaires pour permettre à l'utilisateur d'accéder à la batterie afin de modifier les paramètres de contrôle du système de gestion d'entreprise ou à des fins de diagnostic et de test.

Les exemples suivants illustrent trois applications très différentes de BMS en action.

Batteries intelligentes

La durée de vie des batteries rechargeables NiCad et Nickel Metal Hydride, telles que celles utilisées dans les outils électriques, peut être prolongée par l'utilisation d'un système de charge intelligent facilitant la communication entre la batterie et le chargeur. La batterie fournit des informations sur ses spécifications, son état actuel et son historique d'utilisation, qui sont utilisées par le chargeur pour déterminer le profil de charge optimal ou, en fonction de l'application dans laquelle elle est utilisée, pour en contrôler l'utilisation.

L’objectif premier de la combinaison chargeur / batterie est de permettre l’incorporation d’une gamme plus étendue de circuits de protection qui empêchent la surcharge ou l’endommagement de la batterie et prolongent ainsi sa durée de vie. Le contrôle de charge peut être dans la batterie ou le chargeur. L'objectif de la combinaison application / batterie est d'éviter les surcharges et de conserver la batterie. Semblable à la combinaison de chargeur, contrôle de décharge peut être soit dans l'application ou dans la batterie.

Bien que certaines cellules spéciales intégrant l'intelligence aient été développées, l'intelligence est plus susceptible d'être implémentée dans un pack de batterie.

Le système fonctionne comme suit:

La batterie intelligente, ou batterie intelligente, fournit des sorties à partir de capteurs qui donnent l’état actuel des tensions, des courants et des températures dans la batterie ainsi que l’état de charge. Il peut également fournir des fonctions d'alarme indiquant des conditions hors tolérance.

La batterie intelligente contient également une puce de mémoire qui est programmée par le fabricant avec des informations sur les spécifications de la batterie, telles que: -

  • Données de fabrication (nom, date, numéro de série, etc.)
  • Chimie cellulaire
  • Capacité de la cellule
  • Code de contour mécanique
  • Limites de tension supérieure et inférieure
  • Limites de courant maximum
  • Limites de température

Une fois la batterie utilisée, la mémoire peut également enregistrer: -

  • Combien de fois la batterie a été chargée et déchargée.
  • Temps écoulé
  • L'impédance interne de la batterie
  • Le profil de température auquel il a été soumis
  • Le fonctionnement de tous les circuits de refroidissement forcés
  • Tous les cas où les limites ont été dépassées.

Le système nécessite également des dispositifs pouvant être soit dans la batterie, soit dans le chargeur, soit dans les deux, capables d'interrompre ou de modifier la charge en fonction d'un ensemble de règles. De même, la décharge de la batterie peut être contrôlée par la batterie ou par les circuits de gestion de la demande de l'application.

La batterie intelligente a également besoin d'un chargeur intelligent auquel il peut parler et d'une langue qu'il parle.

Le chargeur est programmé pour répondre aux entrées de la batterie, pour optimiser le profil de charge, charge au taux maximal jusqu’à atteindre une température prédéfinie, puis ralentit ou arrête la charge et / ou met en marche un ventilateur de refroidissement pour ne pas dépasser limite de température et ainsi éviter des dommages permanents à la batterie. Si une dégradation de l'impédance interne de la batterie indique qu'un reconditionnement est nécessaire, le chargeur peut également être programmé pour reformer la batterie en la soumettant à plusieurs cycles de charge et de décharge profondes. Étant donné que la batterie contient des informations sur ses spécifications qui peuvent être lues par le chargeur, il est possible de créer des chargeurs universels capables d'adapter automatiquement le profil de charge à une gamme de compositions et de capacités de batterie, pour autant qu'elles soient conformes à un protocole de message convenu.

Un canal de communication séparé est nécessaire pour faciliter les interactions entre la batterie et le chargeur. Un exemple utilisé pour les applications simples est le bus de gestion système (SMBus) qui fait partie du système de batterie intelligente, principalement utilisé dans les applications à faible consommation. Les batteries conformes à la norme SBS sont appelées batteries intelligentes. Les batteries intelligentes ne sont toutefois pas limitées au système SMS et de nombreux fabricants ont mis en œuvre leurs propres systèmes propriétaires, qui peuvent être plus simples ou plus complexes, en fonction des besoins de l'application.

L’utilisation de telles techniques a permis d’obtenir une augmentation de 50% de la durée de vie de la batterie.

Système de contrôle automatique

Voici un exemple de système de contrôle automatique dans lequel la batterie fournit au chargeur des informations sur son état actuel, qui compare l’état réel à l’état souhaité et génère un signal d’erreur utilisé pour déclencher des actions de contrôle permettant d’aligner l’état réel avec la condition désirée. Les signaux de commande font partie d'une boucle de rétroaction qui fournit une compensation automatique pour maintenir la batterie dans les paramètres de fonctionnement souhaités. Il ne nécessite aucune intervention de l'utilisateur. Une certaine forme de système de contrôle automatique est une partie essentielle de tout BMS

Surveillance de la batterie

En plus de communiquer avec le chargeur, la batterie intelligente peut également dialoguer avec l'utilisateur ou avec d'autres systèmes dont la batterie peut faire partie. Les signaux qu'il fournit peuvent être utilisés pour allumer des témoins ou informer l'utilisateur de l'état de la batterie et de l'état de charge de la batterie.

La surveillance de l'état de la batterie est un élément essentiel de tous les systèmes de gestion de batterie. Dans le premier des deux exemples suivants, les actions de contrôle sont manuelles, - le technicien de maintenance de la centrale élimine les éventuelles anomalies. Dans le deuxième exemple, la batterie fait partie d'un système de contrôle automatique constitué de plusieurs boucles de rétroaction interconnectées contrôlant la batterie elle-même et son rôle en tant que partie intégrante du système de gestion de l'énergie du véhicule.

Centrale électrique BMS

Les exigences de gestion de la batterie sont assez différentes pour les installations d'alimentation de secours et d'urgence. Les batteries peuvent être inactives pendant de longues périodes, complétées de temps en temps par une charge de maintien, ou comme dans les installations de télécommunication, elles peuvent être maintenues en charge d'entretien pour rester complètement chargées en permanence. De par leur nature, ces installations doivent pouvoir être utilisées à tout moment. Une des responsabilités essentielles de la gestion de telles installations consiste à connaître l’état de la batterie et à déterminer si elle peut être utilisée pour supporter sa charge en cas de panne. Pour cela, il est essentiel de connaître le SOH et le SOC de la batterie. Dans le cas de batteries au plomb, le SOC de cellules individuelles peut être déterminé à l'aide d'un hydromètre permettant de mesurer la densité de l'électrolyte dans les cellules. Traditionnellement, le seul moyen de déterminer le SOH consistait à tester la décharge, c'est-à-dire à décharger complètement la batterie et à en mesurer le rendement. Un tel test est très gênant. Pour une installation de grande taille, le déchargement de la batterie peut prendre huit heures et trois jours supplémentaires pour la recharger. Pendant ce temps, l'installation serait sans alimentation de secours à moins qu'une pile de secours ne soit fournie.

Le moyen moderne de mesurer le SOH d'une batterie consiste à effectuer des tests d'impédance ou de conductance. Il a été trouvé que l'impédance d'une cellule a une corrélation inverse avec le SOC et que la conductance étant l'inverse de l'impédance, elle a une corrélation directe avec le SOH de la cellule. Ces deux tests peuvent être effectués sans décharger la batterie, mais mieux encore, le dispositif de surveillance peut rester en place, fournissant ainsi une mesure en ligne permanente. Cela permet à l’ingénieur d’établir une évaluation actualisée de l’état de la batterie afin de pouvoir détecter toute détérioration des performances de la cellule et de planifier les actions de maintenance appropriées.

BMS automobile

La gestion de la batterie automobile est beaucoup plus exigeante que les deux exemples précédents. Il doit interagir avec un certain nombre d'autres systèmes embarqués, il doit fonctionner en temps réel dans des conditions de charge et de décharge en évolution rapide.

lorsque le véhicule accélère et freine, il doit fonctionner dans un environnement rigoureux et incontrôlé. Cet exemple décrit un système complexe comme illustration de ce qui est possible. Cependant, toutes les applications n’exigeront pas toutes les fonctions présentées ici.

Les fonctions d'un système de gestion des bâtiments adapté à un véhicule électrique hybride sont les suivantes:

  • Surveillance des conditions des cellules individuelles constituant la batterie
  • Maintenir toutes les cellules dans leurs limites de fonctionnement
  • Protéger les cellules des conditions hors tolérance
  • Fournir un mécanisme «Fail Safe» en cas de conditions incontrôlées, de perte de communication ou d'abus
  • Isoler la batterie en cas d'urgence
  • Compenser les éventuels déséquilibres des paramètres de la cellule dans la chaîne de la batterie
  • Réglage du point de fonctionnement de la batterie pour permettre l’absorption des charges de freinage par récupération sans surcharger la batterie.
  • Fournir des informations sur l'état de charge de la batterie. Cette fonction est souvent appelée «jauge de carburant» ou «jauge de gaz». "
  • Fournir des informations sur l'état de santé (SOH) de la batterie. Cette mesure donne une indication de l'état d'une batterie usée par rapport à une nouvelle batterie.
  • Fourniture d'informations pour les affichages et les alarmes du conducteur
  • Prédire la portée possible avec la charge restante dans la batterie (seuls les véhicules électriques en ont besoin)
  • Acceptation et mise en œuvre des instructions de contrôle des systèmes du véhicule associés
  • Fournir l'algorithme de charge optimal pour charger les cellules
  • Pré-charge pour permettre le test d'impédance de la charge avant la mise sous tension et charge en deux étapes pour limiter les courants d'appel
  • Fourniture de moyens d'accès pour charger des cellules individuelles
  • Répondre aux changements de mode de fonctionnement du véhicule
  • Enregistrement de l'utilisation et des abus de la batterie. (Fréquence, magnitude et durée des conditions hors tolérance) Connue sous le nom de fonction Journal.
  • Mode d'urgence «Limp Home» en cas de défaillance de la cellule.

Dans les systèmes pratiques, le BMS peut ainsi intégrer davantage de fonctions du véhicule que la simple gestion de la batterie. Il peut déterminer le mode de fonctionnement souhaité du véhicule, qu'il soit en train d'accélérer, de freiner, de tourner au ralenti ou à l'arrêt, et de mettre en œuvre les actions de gestion de l'énergie électrique associées.

Protection cellulaire

L'une des fonctions principales du système de gestion de la batterie est de fournir la surveillance et le contrôle nécessaires pour protéger les cellules des conditions ambiantes ou de fonctionnement hors tolérance. Ceci est particulièrement important dans les applications automobiles en raison de l'environnement de travail difficile. En plus de la protection individuelle des cellules, le système automobile doit être conçu pour réagir aux défauts externes en isolant la batterie et en corrigeant la cause du défaut. Par exemple, les ventilateurs de refroidissement peuvent être activés si la batterie surchauffe. Si la surchauffe devient excessive, la batterie peut être déconnectée.

État de charge de la batterie (SOC)

La détermination de l'état de charge de la batterie est la deuxième fonction principale du système de gestion de batterie. Le SOC est nécessaire non seulement pour fournir l’indication de la jauge à carburant. Le système BMS surveille et calcule le SOC de chaque cellule individuelle de la batterie pour vérifier la charge uniforme dans toutes les cellules afin de vérifier que les cellules individuelles ne deviennent pas surchargées.

L'indication SOC est également utilisée pour déterminer la fin des cycles de charge et de décharge. Les surcharges et les décharges excessives sont deux des principales causes de défaillance de la batterie et le système de gestion de batterie doit maintenir les cellules dans les limites de fonctionnement désirées du DOD.

Les batteries de véhicules hybrides nécessitent à la fois des capacités de charge à puissance élevée pour le freinage par récupération et des capacités de décharge à puissance élevée pour une assistance au lancement ou un boost. Pour cette raison, leurs batteries doivent être maintenues dans un SOC capable de décharger la puissance requise tout en conservant une marge de sécurité suffisante pour accepter la puissance de régénération nécessaire sans risquer de surcharger les cellules. Charger complètement la batterie HEV pour l'équilibrage des cellules (voir ci-dessous) diminuerait la capacité d'acceptation de la charge pour le freinage par récupération et, partant, l'efficacité du freinage. La limite inférieure est définie pour optimiser les économies de carburant et éviter les décharges excessives qui pourraient réduire la durée de vie de la batterie. Des informations SOC précises sont donc nécessaires pour que les véhicules hybrides maintiennent la batterie dans les limites de sécurité requises.

Plage de fonctionnement de la batterie HEV

HEV SOC Offset et plage de fonctionnement

Les méthodes de détermination du COS sont décrites dans la section sur l'état de charge.

Le système de gestion de la batterie (BMS)

Conséquences de l'étendue et de la défaillance du BMS

Le diagramme ci-dessous indique les mécanismes possibles de défaillance de la cellule, leurs conséquences et les mesures à prendre par le système de gestion de la batterie.

Défaillances cellulaires, conséquences et mécanismes de protection

Mécanismes de protection cellulaire

Le BMS doit protéger la batterie et l'utilisateur dans toutes ces conditions

Système de sécurité à plusieurs niveaux

Le BMS fait partie d'un système de sécurité à plusieurs niveaux avec les objectifs et garanties suivants:

  1. Chimie cellulaire intrinsèquement sûre
    • Audit de conception technique cellulaire
  2. Audit de fournisseur et de production de cellules
    • Compétence technique du personnel
    • Contrôles de processus (installés et fonctionnels)
  3. Dispositifs de sécurité (internes) au niveau de la cellule
    • Dispositif d'interruption de circuit (CID) Coupe le circuit si les limites de pression interne sont dépassées
    • Arrêtez le séparateur
    • Évent de pression
  4. Dispositifs de circuit externe
    • Résistances PTC (applications à faible puissance uniquement)
    • Fusibles
    • Isolation de la cellule et de la batterie. Séparation électrique et mécanique (contacteurs et séparation physique) pour empêcher la propagation d'événements
  5. Logiciel BMS
    • Surveillance de tous les indicateurs clés associés aux actions de contrôle. (Refroidissement, coupure de courant, gestion de la charge)
    • Actions de contrôle ou désactivation en cas de dépassement des limites
  6. Matériel BMS - Sauvegarde à sécurité intégrée
    • Désactivation du matériel en cas de défaillance du logiciel. Fixer à des limites légèrement supérieures
    • Coupure de la batterie en cas de panne de l'alimentation BMS basse tension
  7. Endiguement
    • Conteneur extérieur robuste avec ventilation contrôlée
    • Barrières physiques entre les cellules

Mise en œuvre BMS

Le diagramme suivant est une représentation conceptuelle des fonctions principales du système de gestion d'entreprise. Il présente les trois principaux composants du système de gestion de batterie, l'unité de surveillance de la batterie (BMU), l'unité de contrôle de la batterie (BCU) et le réseau de communication du véhicule par bus CAN, ainsi que leur interface avec le reste des systèmes de gestion de l'énergie du véhicule. D'autres configurations sont possibles avec le système de gestion d'entreprise intégré dans les interconnexions cellule à cellule.

En pratique, le BMS peut également être couplé à d'autres systèmes du véhicule qui communiquent avec lui via le bus CAN (voir ci-dessous), comme le système de gestion thermique, ou à des dispositifs antivol qui désactivent la batterie. Des exigences peuvent également être imposées pour la surveillance et la programmation du système, ainsi que pour l’enregistrement de données à l’aide d’un bus série RS232.

Conception du système de gestion de la batterie

Unité de surveillance de batterie

L'unité de surveillance de la batterie est une unité à microprocesseur comprenant trois fonctions ou sous-modules. Ces sous-modules ne sont pas nécessairement des unités physiques distinctes, mais sont illustrés séparément par souci de clarté.

Modèle de la batterie

Le modèle de batterie caractérise, dans un algorithme logiciel, le comportement de la batterie en réponse à diverses conditions externes et internes. Le modèle peut ensuite utiliser ces entrées pour estimer l’état de la batterie à tout moment.

Une fonction essentielle du modèle de batterie consiste à calculer le SOC de la batterie pour les fonctions indiquées ci-dessus.

Le SOC est déterminé essentiellement en intégrant le flux de courant dans le temps, modifié pour tenir compte des nombreux facteurs affectant les performances des cellules, puis en soustrayant le résultat de la capacité connue de la batterie complètement chargée. Ceci est décrit en détail dans la section sur le SOC.

Le modèle de batterie peut être utilisé pour consigner l'historique passé à des fins de maintenance ou pour prévoir combien de kilomètres le véhicule peut parcourir avant que la batterie ait besoin d'être rechargée. La plage restante, basée sur les habitudes de conduite ou d'utilisation récentes, est calculée à partir du SOC actuel, de l'énergie consommée et des miles parcourus depuis le chargement précédent (ou à partir d'une moyenne précédente à long terme). La distance parcourue est dérivée des données fournies par d'autres capteurs sur le bus CAN (voir ci-dessous).

La précision du calcul de la distance est plus importante pour les VE dont la batterie est la seule source d’alimentation. Les véhicules hybrides et les vélos ont une source d’alternative «Rentrez chez vous» si la batterie est complètement déchargée.

Le problème de la perte totale de puissance en cas de défaillance d'une seule cellule peut être atténué au prix de l'ajout de quatre contacteurs plus coûteux qui séparent efficacement la batterie en deux unités distinctes. Si une cellule tombe en panne, les contacteurs peuvent isoler et contourner la moitié de la batterie contenant la cellule défaillante, ce qui permet au véhicule de boiter à mi-puissance en utilisant l'autre moitié (bonne) de la batterie.

Les sorties du modèle sont également envoyées aux écrans du véhicule à l'aide du bus CAN.

Multiplexage

Pour réduire les coûts, au lieu de surveiller chaque cellule en parallèle, le module de surveillance de batterie intègre une architecture de multiplexage qui bascule la tension de chaque cellule (paires d'entrée) sur une seule ligne de sortie analogique ou numérique (voir ci-dessous). Des économies de coûts peuvent être réalisées en réduisant le nombre de circuits de commande analogiques et / ou d'échantillonnage numériques et par conséquent le nombre de composants au minimum. Les inconvénients sont que seule une tension de cellule peut être surveillée à la fois. Un mécanisme de commutation à grande vitesse est nécessaire pour commuter la ligne de sortie sur chaque cellule afin que toutes les cellules puissent être surveillées de manière séquentielle.

Multiplexeur de signaux BMS

Le BMU fournit également les entrées permettant d'estimer le SOH de la batterie. Toutefois, comme le SOH ne change que progressivement au cours de la durée de vie de la batterie, des échantillons moins fréquents sont nécessaires. Selon la méthode utilisée pour déterminer le SOH, les intervalles d'échantillonnage peuvent être aussi bas qu'une fois par jour. Les mesures d'impédance, par exemple, pourraient même être prises uniquement pendant les périodes où le véhicule n'est pas utilisé. Bien sûr, le comptage de cycles ne peut avoir lieu que lorsque le véhicule est opérationnel.

Module de demande ou de personnalité

Le module de demande est semblable à certains égards au modèle de batterie en ce qu'il contient un modèle de référence avec toutes les tolérances et limites relatives aux divers paramètres surveillés par le modèle de batterie. Le module de demande prend également des instructions du bus de communication, telles que des commandes du BMS acceptant une charge de freinage récupératif, ou d'autres capteurs du véhicule, tels que des dispositifs de sécurité ou directement de l'opérateur du véhicule. Cette unité est également utilisée pour définir et surveiller les paramètres de mode de fonctionnement du véhicule.

Ce module est parfois appelé module de personnalité, car il inclut la possibilité de programmer dans le système toutes les exigences personnalisées pouvant être spécifiques à l’application du client. Par exemple, le fabricant de cellules recommandera une limite de température à laquelle la batterie doit être automatiquement déconnectée pour des raisons de sécurité. Toutefois, le constructeur automobile peut définir deux limites inférieures, une pour l'activation du refroidissement forcé et une autre pour l'allumage d'un voyant sur le tableau de bord du conducteur.

Pour les applications HEV, le module Personality s’interface avec l’unité de commande électronique (ECU) du moteur via le bus CAN. Ce module permet de définir la plage de fonctionnement SOC souhaitée pour le système et les paramètres permettant de contrôler le partage de la puissance entre l’entraînement électrique et le moteur à combustion interne.

Le module de demande contient également un bloc de mémoire destiné à contenir toutes les données de référence et à accumuler les données historiques utilisées pour surveiller la batterie SOH. Les données permettant d'afficher le SOH ou d'allumer les témoins peuvent être transmises au module d'instrumentation du véhicule via le bus CAN.

Les sorties du Demand Module fournissent les points de référence pour définir les conditions de fonctionnement de la batterie ou déclencher l'action de circuits de protection.

Pour tester l'accès au système de gestion d'entrepôt afin de contrôler ou de définir les paramètres du système et de télécharger l'historique de la batterie, utilisez un bus série RS 232 ou RS485 standard.

Module de logique de décision

Le module Decision Logic compare l'état des paramètres de batterie mesurés ou calculés à partir du modèle de batterie avec le résultat souhaité ou de référence du module à la demande. Les circuits logiques fournissent ensuite des messages d'erreur pour initier des actions de protection de la cellule ou pour être utilisés dans les différentes boucles de rétroaction BMS qui entraînent le système jusqu'à son point de fonctionnement souhaité ou isolent la batterie en cas de conditions dangereuses. Ces messages d'erreur fournissent les signaux d'entrée pour l'unité de contrôle de batterie.

Communications système

Le BMS a besoin d'un canal de communication pour la transmission de signaux entre ses différents blocs de circuit fonctionnels internes. Il doit également être en interface avec plusieurs systèmes externes du véhicule pour surveiller ou contrôler les capteurs à distance, les actionneurs, les écrans, les verrouillages de sécurité et autres fonctions.

Automotive BMS utilise donc le bus CAN conçu à cet effet comme principal canal de communication.

Le système doit également inclure des dispositions pour les diagnostics embarqués (OBD) standard pour les véhicules, avec des codes de problèmes de diagnostic (DTC) mis à la disposition du technicien de maintenance. Cette connexion est importante pour identifier les causes externes de défaillance de la batterie.

Unité de contrôle de batterie

L'unité de contrôle de la batterie contient tous les circuits de l'électronique de puissance du BMS. L'unité de surveillance de la batterie reçoit des signaux de commande pour contrôler le processus de charge de la batterie et commuter les connexions d'alimentation entre les cellules individuelles.

Certaines des fonctions possibles de cette unité sont:

  • Contrôler le profil de tension et de courant de la sortie du chargeur pendant le processus de charge.
  • Fournir une charge supplémentaire aux cellules individuelles pour égaliser la charge de toutes les cellules de la chaîne de la batterie.
  • Isoler la batterie en cas d'anomalie ou d'alarme
  • Commutation de la charge de freinage récupératif dans la batterie selon les besoins
  • Décharge excessive des charges de freinage régénératif lorsque la batterie est complètement chargée
  • Répondre aux changements de mode de fonctionnement du véhicule

Pour fournir ces fonctions, chaque cellule de la batterie peut nécessiter des commutateurs coûteux à courant fort capables de commuter des amplificateurs 200 ou plus pour fournir les interconnexions nécessaires.

    • Contrôle binaire et contrôle progressif

Dans sa forme la plus simple, le système de gestion d'entreprise fournit une réponse «binaire» ON / OFF à une erreur ou à une condition hors tolérance, telle qu'une surcharge, isolant simplement la batterie en ouvrant les contacteurs principaux. En cas de surcharge, il est toutefois possible de fournir un contrôle progressif ou variable en utilisant le bus CAN pour demander une réduction de la charge de la batterie.

Équilibrage des cellules

C'est une autre fonction essentielle du système de gestion automobile. Comme indiqué ci-dessus, il est nécessaire de compenser les faiblesses des cellules individuelles qui pourraient éventuellement provoquer la défaillance de la batterie complète. Les raisons de l'équilibrage des cellules et son implémentation sont expliquées à la page Equilibrage des cellules.

Mode Maison Limp

Bien que les batteries soient conçues pour être sans problèmes pendant 3 ou plus, il est toujours possible que la batterie soit désactivée par la défaillance d’une seule cellule. Si une cellule devient un circuit ouvert, la batterie est essentiellement morte. Cependant, le BMS est conçu pour surveiller le statut de chaque cellule. Ainsi, l'emplacement de la cellule défectueuse sera automatiquement identifié. Il n’est pas difficile de scinder la batterie en deux sections en série, chacune pouvant être contournée indépendamment en déconnectant la section de la batterie contenant la cellule défectueuse et en commutant un lien conducteur à la place. Cela permettra au véhicule de se rendre chez lui ou au refuge le plus proche à demi-puissance en utilisant la bonne partie de la batterie. Outre les liaisons, le système aura besoin de deux contacteurs de haute puissance plus coûteux pour mettre en œuvre cette fonction, mais cet investissement peut être bien justifié lorsque la solution de remplacement pourrait consister en une panne coûteuse et dangereuse sur l'autoroute.

Améliorations du système

Les systèmes de gestion automobile peuvent également être appelés à fournir diverses fonctions qui ne sont pas nécessairement essentielles à la gestion de la batterie. Celles-ci peuvent inclure la surveillance à distance de la batterie depuis le siège de la flotte, ainsi que la localisation GPS du véhicule. Le conducteur pouvait ainsi être averti si le véhicule était à court de charge ou s’éloignait trop de la station de charge.

Heureusement, toutes les applications BMS ne sont pas aussi complexes que celle-ci.

Mise en œuvre pratique du SGB

Il existe de nombreuses façons de mettre en œuvre le système de gestion de batterie et deux exemples différents pour une batterie 256 Volt composée de cellules 80 Lithium Iron Phosphate sont présentés ci-dessous.

Maître et esclaves

Le maître et les esclaves, topologie en étoile, organisent les cellules en blocs ou modules, un esclave gérant chaque module. Dans l'exemple présenté, les cellules de tension 16 X 3.2 sont agencées en modules avec une tension de sortie de 51.2 Volts, mais d'autres tailles de modules et tensions sont possibles.

  • Les esclaves - Chaque cellule possède un capteur de température ainsi que des connexions pour mesurer la tension, qui sont toutes connectées à l'esclave qui surveille la condition de la cellule et met en œuvre l'équilibrage de la cellule.
  • Le maître - Plusieurs esclaves peuvent être connectés au maître qui surveille le courant et l’intègre dans le temps pour calculer le flux net de Coulomb. Ce dernier est modifié à l’aide des données de tension et de température des esclaves pour calculer le SOC de la batterie. Le maître contrôle le (s) contacteur (s) d'isolation de la batterie principale qui initialise la protection de la batterie en réponse aux données du capteur de courant principal ou aux données de tension et de température des esclaves. Le maître assure également les communications du système.

Maître et esclaves BMS (topologie en étoile)

Topologie BMS Star

Cette configuration présente l’avantage de ne pas nécessiter de cartes de circuit imprimé connectées à des cellules individuelles et de pouvoir ajouter des modules supplémentaires aux batteries haute tension. Le courant de la batterie principale ne passant pas par les esclaves, il peut également être utilisé pour les batteries haute tension. Le traitement du signal est partagé entre le maître et les esclaves, ce qui simplifie la gestion de la charge de traitement de l'information. Les communications internes se font par I2C bus.

Les inconvénients sont que les communications entre les capteurs et les esclaves sont sous forme analogique et donc sujettes au bruit, ainsi que le très grand nombre de fils de capteur requis, quatre par cellule. Des connexions opto-isolées entre les esclaves et le maître sont également nécessaires, car les tensions sur les esclaves seraient sinon progressivement plus élevées, jusqu'à la tension de batterie complète, les connexions étant prises depuis le haut de la chaîne de cellules.

Les communications avec le monde extérieur (COMS dans les schémas ci-dessus et ci-dessous) se font généralement au moyen d'une connexion RS232 ou plus vraisemblablement d'une connexion série USB.

BMS Daisy Chain

La connexion en guirlande, topologie en anneau, utilise une petite carte de circuit imprimé esclave simple connectée à chaque cellule pour accueillir les capteurs de tension et de température avec un convertisseur analogique-numérique, ainsi qu'un commutateur de dérivation de courant pour permettre l'équilibrage de la cellule par shunt de charge et communications émetteur-récepteur avec isolation capacitive intégrée pour la réception et la transmission de données sous forme numérique. L'esclave est alimenté par la cellule qu'il surveille et un seul bus de données RS 485 à trois fils relie les nœuds de tous les esclaves au maître, lequel interroge chaque nœud à son tour et demande une mise à jour de ses conditions de cellule. L'esclave n'effectue aucun traitement de signal, mis à part la conversion analogique-numérique, car tout cela est effectué par le maître ainsi que toutes les fonctions de surveillance, de protection et de communication, comme dans l'exemple ci-dessus.

BMS Daisy Chain (topologie en anneau)

Topologie en anneau BMS

Les principaux avantages de cette topologie sont sa conception et sa construction simples et son potentiel de fiabilité accrue dans un environnement automobile.

Les inconvénients sont le grand nombre de cartes de circuit imprimé mini-esclaves nécessaires et la difficulté de les monter sur certains types de cellules. De plus, le maître a une charge de traitement plus élevée.

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