BMS (Sistema di gestione della batteria)

1、 Panoramica delle funzioni

Funzione di monitoraggio dei dati

Il BMS (Battery Management System) è in grado di monitorare in tempo reale diversi dati chiave del pacco batterie. Può misurare con precisione la tensione di ogni singola cella; ad esempio, in un pacco batterie al litio, può rilevare le variazioni di tensione di ciascuna cella, con un margine di errore generalmente contenuto entro pochi millivolt. Allo stesso tempo, viene monitorata anche la corrente totale del pacco batterie, sia di carica che di scarica, al fine di determinarne lo stato di funzionamento.

Anche il monitoraggio della temperatura della batteria è un aspetto importante. Il BMS (Battery Management System) è in grado di rilevare la temperatura di diverse parti della batteria in tempo reale tramite sensori di temperatura distribuiti nel pacco batteria, con una precisione di circa ± 1 °C. Questo è fondamentale per prevenire il degrado delle prestazioni o incidenti di sicurezza causati dal surriscaldamento o dal raffreddamento eccessivo della batteria.

Funzione di stima dello stato

In base ai dati monitorati, il BMS è in grado di stimare con precisione lo stato della batteria. Il parametro più importante è lo SOC (State of Charge), ovvero la stima della capacità residua della batteria. Utilizzando algoritmi complessi, combinati con parametri quali tensione, corrente, temperatura, ecc., il BMS calcola in tempo reale la carica residua, con un margine di errore generalmente compreso tra il 5% e il 10%, fornendo agli utenti informazioni accurate sullo stato della batteria.

Allo stesso tempo, il BMS può anche valutare lo stato di salute (SOH) della batteria, ovvero il suo stato di salute generale. Registrando a lungo termine fattori quali il numero di cicli di carica e scarica, il degrado della capacità, ecc., è possibile determinare se la batteria presenta segni di invecchiamento, degrado delle prestazioni o altri problemi, fornendo così indicazioni utili per la manutenzione e la sostituzione della batteria.

Funzione di bilanciamento della batteria

Nei pacchi batteria, le prestazioni delle singole celle possono variare a causa di fattori quali i processi di produzione e le condizioni di utilizzo. La funzione di bilanciamento del BMS (Battery Management System) può risolvere efficacemente questo problema. Esistono principalmente due metodi di bilanciamento. Il primo è il bilanciamento passivo, che prevede il collegamento di una resistenza in parallelo a ciascuna batteria del pacco. Quando la tensione di una batteria è troppo elevata, l'energia in eccesso viene dissipata sotto forma di calore attraverso la resistenza; il secondo approccio è il bilanciamento attivo, che trasferisce l'energia dalle batterie ad alta tensione a quelle a bassa tensione per ottenere un bilanciamento della tensione tra le varie batterie del pacco, prolungandone così la durata complessiva.

Funzione di protezione della sicurezza

Il BMS (Battery Management System) è un importante sistema di protezione per il pacco batterie. Quando la batteria subisce un sovraccarico, ad esempio quando la tensione di carica supera la soglia di sicurezza impostata (generalmente, per le batterie al litio, esistono rigide normative sulla tensione di interruzione della carica), il BMS interrompe immediatamente il circuito di carica per evitare danni alla batteria o addirittura incidenti dovuti al sovraccarico.

Analogamente, in termini di scarica eccessiva, una volta che la tensione della batteria scende al di sotto della tensione di scarica minima specificata, il BMS interromperà la scarica per evitare una perdita di capacità irreversibile causata dalla scarica eccessiva della batteria. Inoltre, quando vengono rilevate situazioni anomale come temperature elevate della batteria o cortocircuiti, il BMS adotterà rapidamente misure, come l'interruzione del circuito, l'emissione di allarmi, ecc., per garantire la sicurezza del pacco batterie.

2、 Componenti hardware

Unità di controllo principale (MCU)

Questo è il componente centrale del BMS, equivalente al cervello. L'MCU è solitamente un microprocessore ad alte prestazioni responsabile della ricezione e dell'elaborazione dei dati provenienti da vari sensori, eseguendo algoritmi complessi per svolgere funzioni quali la stima dello stato della batteria e il controllo del bilanciamento. Può prendere decisioni corrispondenti in base a una logica di programma preimpostata, come ad esempio emettere istruzioni di controllo per attivare meccanismi di protezione quando vengono rilevate situazioni anomale.

sensore

I sensori di tensione vengono utilizzati per misurare la tensione di ogni singola cella e dell'intero pacco batteria. Questi sensori devono possedere elevata precisione e affidabilità per garantire un'acquisizione accurata dei dati di tensione.

I sensori di corrente sono principalmente responsabili della misurazione delle correnti di carica e scarica dei pacchi batteria. Generalmente si utilizzano sensori di corrente ad effetto Hall, che consentono di misurare con precisione l'intensità della corrente anche in condizioni di corrente elevata e presentano una buona linearità.

I sensori di temperatura sono distribuiti in diverse parti chiave del pacco batteria, ad esempio tra le celle e sulla superficie dei moduli. Tra i sensori di temperatura più comuni si annoverano i sensori a termistore, che reagiscono rapidamente alle variazioni di temperatura e forniscono informazioni in tempo reale al sistema di gestione della batteria (BMS).

Circuito bilanciato

Come accennato in precedenza, il circuito di bilanciamento è un componente chiave per ottenere la funzione di bilanciamento della batteria. I circuiti di bilanciamento passivi sono composti principalmente da una serie di resistori di bilanciamento e interruttori di controllo. Quando è richiesto il bilanciamento, l'interruttore di controllo collega il resistore corrispondente in parallelo alla cella della batteria ad alta tensione secondo le istruzioni del microcontrollore, avviando il processo di bilanciamento.

I circuiti di bilanciamento attivo sono relativamente complessi e possono includere componenti come induttori, condensatori e transistor di commutazione. Attraverso la realizzazione di circuiti di trasferimento di energia, l'energia viene trasferita dalle batterie ad alta tensione a quelle a bassa tensione, ottenendo un bilanciamento più efficiente delle batterie.

interfaccia di comunicazione

Il BMS (Battery Management System) è generalmente dotato di diverse interfacce di comunicazione, come l'interfaccia CAN bus, l'interfaccia RS-485 o l'interfaccia SPI. Queste interfacce vengono utilizzate per la comunicazione con dispositivi esterni, ad esempio per lo scambio di dati con l'unità di controllo del veicolo (VCU) dei veicoli elettrici, i sistemi di monitoraggio dei sistemi di accumulo di energia, ecc. Attraverso queste interfacce, i dispositivi esterni possono ottenere i dati sullo stato della batteria monitorati dal BMS e inviare istruzioni di controllo al BMS per realizzare il monitoraggio e la gestione remota del pacco batterie.