Connaissances et fonctions du système de gestion de batterie BMS, une introduction

Le nom complet du BMS est Battery Management System.C'est un appareil qui surveille l'état des batteries de stockage d'énergie.Il est principalement utilisé pour la gestion et la maintenance intelligentes des cellules individuelles de la batterie, empêchant la surcharge et la décharge excessive des batteries, prolongeant la durée de vie de la batterie et surveillant l'état de la batterie.Généralement, le BMS est représenté comme un circuit imprimé ou un boîtier matériel.

 

Le BMS est l'un des sous-systèmes centraux du système de stockage d'énergie par batterie, chargé de surveiller l'état de fonctionnement de chaque batterie dans l'unité de stockage d'énergie par batterie et d'assurer le fonctionnement sûr et fiable de l'unité de stockage d'énergie.Le BMS peut surveiller et collecter les paramètres d'état de la batterie de stockage d'énergie en temps réel (y compris, mais sans s'y limiter, la tension d'une seule cellule, la température des pôles de la batterie, le courant de boucle de la batterie, la tension aux bornes de la batterie, la résistance d'isolation du système de batterie, etc.), et effectuer l'analyse et le calcul nécessaires sur les paramètres d'état pertinents pour obtenir davantage de paramètres d'évaluation de l'état du système.Il peut également réaliser un contrôle efficace de la batterie de stockage d'énergie elle-même selon des stratégies de contrôle de protection spécifiques pour garantir le fonctionnement sûr et fiable de l'ensemble de l'unité de stockage d'énergie par batterie.Dans le même temps, le BMS peut interagir avec d'autres appareils externes (PCS, EMS, système de protection incendie, etc.) via sa propre interface de communication et son interface d'entrée analogique/numérique pour former un contrôle de liaison de divers sous-systèmes dans l'ensemble de la puissance de stockage d'énergie. centrale, garantissant un fonctionnement sûr, fiable et efficace de la centrale électrique connecté au réseau.

2) Architecture

Du point de vue de l'architecture topologique, les BMS sont divisés en deux catégories : centralisés et distribués selon les différentes exigences du projet.

 

GTC centralisé

En termes simples, le BMS centralisé utilise un seul matériel BMS pour collecter toutes les cellules, ce qui convient aux scénarios comportant peu de cellules.

Le BMS centralisé présente les avantages d'un faible coût, d'une structure compacte et d'une grande fiabilité, et est couramment utilisé dans des scénarios avec une faible capacité, une faible pression totale et un petit volume de système de batterie, tels que les outils électriques, les robots (robots de manutention, robots d'assistance), Maisons intelligentes IOT (robots de balayage, aspirateurs électriques), chariots élévateurs électriques, véhicules électriques à basse vitesse (vélos électriques, motos électriques, voitures de tourisme électriques, voitures de patrouille électriques, voiturettes de golf électriques, etc.) et véhicules hybrides légers.

Le matériel BMS centralisé peut être divisé en zones haute tension et basse tension.La zone haute tension est chargée de collecter la tension d'une seule cellule, la tension totale du système et de surveiller la résistance d'isolement.La zone basse tension comprend les circuits d'alimentation, les circuits CPU, les circuits de communication CAN, les circuits de contrôle, etc.

Alors que le système de batterie de puissance des véhicules de tourisme continue d'évoluer vers une capacité élevée, une pression totale élevée et un volume important, les architectures BMS distribuées sont principalement utilisées dans les modèles de véhicules hybrides rechargeables et purement électriques.

GTC distribué

À l'heure actuelle, il existe différents termes pour désigner les BMS distribués dans l'industrie, et différentes sociétés portent des noms différents.Le BMS de batterie de puissance a principalement une architecture maître-esclave à deux niveaux :

 

Le BMS de stockage d'énergie est généralement une architecture à trois niveaux en raison de la grande taille de la batterie, avec une couche de contrôle maître au-dessus des couches de contrôle esclave et principale.

Tout comme les batteries forment des clusters de batteries, qui à leur tour forment des piles, le BMS à trois niveaux suit également la même règle ascendante :

Depuis le contrôle : unité de gestion de batterie (BMU), qui collecte les informations des batteries individuelles.

Surveiller la tension et la température de la cellule de la batterie

Égalisation de la batterie dans l'emballage

Téléchargement d'informations

gestion de la chaleur

Alarme anormale

Contrôle principal : Unité de gestion du cluster de batteries : BCU (unité de cluster de batteries, également connue sous le nom d'unité de gestion haute tension HVU, BCMU, etc.), responsable de la collecte des informations BMU et de la collecte des informations sur le cluster de batteries.

Acquisition du courant du cluster de batterie, acquisition de la tension totale, détection des fuites

Protection contre la mise hors tension lorsque l'état de la batterie est anormal

Sous la gestion du BMS, l'étalonnage de la capacité et l'étalonnage du SOC peuvent être effectués séparément comme base pour la gestion ultérieure de la charge et de la décharge.

L'unité de gestion du réseau de batteries (BAU) est responsable de la gestion centralisée des batteries dans l'ensemble de la pile de batteries de stockage d'énergie.Il se connecte à diverses unités de gestion de cluster de batteries et échange des informations avec d'autres appareils pour fournir des informations sur l'état de fonctionnement du module de batteries.

Gestion de la charge et de la décharge du réseau de batteries

Alarme d'auto-vérification et de diagnostic de panne du système BMS

Alarme de diagnostic de panne de batterie

Protection de sécurité pour diverses anomalies et défauts dans le réseau de batteries

Communiquer avec d'autres appareils tels que PCS et EMS

Stockage, transmission et traitement des données

Couche de gestion de batterie : responsable de la collecte de diverses informations (tension, température) des batteries individuelles, du calcul et de l'analyse du SOC et du SOH des batteries, de la réalisation de l'égalisation active des batteries individuelles et du téléchargement des informations anormales des batteries individuelles vers la couche d'unité du bloc de batteries BCMU.Grâce à la communication externe CAN, il est interconnecté via une guirlande.

Couche de gestion de la batterie : responsable de la collecte de diverses informations sur les batteries individuelles téléchargées par le BMU, de la collecte de diverses informations sur la batterie (tension du bloc, température du bloc), des courants de charge et de décharge de la batterie, du calcul et de l'analyse du SOC et du SOH de la batterie. et télécharger toutes les informations vers la couche d'unités de cluster de batteries BAMS.Grâce à la communication externe CAN, il est interconnecté via une guirlande.

Couche de gestion du cluster de batteries : responsable de la collecte de diverses informations sur la batterie téléchargées par BCMU et du téléchargement de toutes les informations vers le système EMS de surveillance du stockage d'énergie via l'interface RJ45 ;communiquant avec le PCS pour envoyer des informations anormales pertinentes de la batterie au PCS (interface CAN ou RS485), et équipé de nœuds secs matériels pour communiquer avec le PCS.En outre, il effectue l'évaluation BSE (Battery State Estimate) du système de batterie, la détection de l'état du système électrique, la gestion des contacteurs, la gestion thermique, la gestion des opérations, la gestion de la charge, la gestion des diagnostics et effectue la gestion du réseau de communication interne et externe.Communique avec ses subordonnés via CAN.

3) Que fait le BMS ?

Les fonctions du BMS sont nombreuses, mais le noyau et ce qui nous préoccupe le plus sont trois aspects :

L’une est la détection (gestion de l’état), qui est la fonction de base du BMS.Il mesure la tension, la résistance, la température et détecte finalement l'état de la batterie.Nous voulons savoir quel est l’état de la batterie, quelle est sa quantité d’énergie et sa capacité, dans quelle mesure elle est saine, quelle quantité d’énergie elle produit et dans quelle mesure elle est sûre.C'est du ressenti.

La seconde est la gestion (gestion du solde).Certains disent que le BMS est la nounou de la batterie.Alors cette nounou devrait s'en occuper.Que gérer ?Il s’agit de rendre la batterie aussi bonne que possible.Le plus basique est la gestion de l’équilibre et la gestion thermique.

Le troisième est la protection (gestion de la sécurité).La nounou a aussi un travail à faire.Si la batterie a un certain état, elle doit être protégée et une alarme doit être déclenchée.

Bien entendu, il existe également un composant de gestion des communications qui transfère les données à l'intérieur ou à l'extérieur du système via certains protocoles.

Le BMS possède de nombreuses autres fonctions, telles que le contrôle du fonctionnement, la surveillance de l'isolation, la gestion thermique, etc., qui ne sont pas abordées ici.

 

3.1 Perception – Mesure et estimation

La fonction de base du BMS est de mesurer et d'estimer les paramètres de la batterie, y compris les paramètres de base tels que la tension, le courant, la température et l'état, ainsi que les calculs des données sur l'état de la batterie telles que le SOC et le SOH.Le domaine des batteries de puissance implique également des calculs de SOP (état de puissance) et SOE (état d'énergie), qui ne sont pas abordés ici.Nous nous concentrerons sur les deux premières données les plus largement utilisées.

Mesure cellulaire

1) Mesure des informations de base : la fonction la plus fondamentale du système de gestion de la batterie est de mesurer la tension, le courant et la température de chaque cellule de la batterie, ce qui constitue la base de tous les calculs de niveau supérieur et de la logique de contrôle du système de gestion de la batterie.

2) Test de résistance d'isolation : des tests d'isolation sont requis pour l'ensemble du système de batterie et du système haute tension au sein du système de gestion de batterie.

3) Détection de verrouillage haute tension (HVIL) : utilisée pour confirmer l'intégrité de l'ensemble du système haute tension et lancer des mesures de sécurité lorsque l'intégrité de la boucle du système haute tension est compromise.

Calcul du SOC

SOC fait référence à l'état de charge, qui correspond à la capacité restante de la batterie.En termes simples, il s’agit de la quantité d’énergie restante dans la batterie.

Le SOC est le paramètre le plus important du BMS, car tout le reste est basé sur lui.Par conséquent, sa précision et sa robustesse (également appelée capacité de correction d’erreurs) sont extrêmement importantes.Sans SOC précis, aucune fonction de protection ne peut permettre au BMS de fonctionner correctement, car la batterie sera souvent dans un état protégé, ce qui rendra impossible la prolongation de sa durée de vie.

À l'heure actuelle, les principales méthodes d'estimation du SOC comprennent la méthode de tension en circuit ouvert, la méthode d'intégration de courant, la méthode du filtre de Kalman et la méthode du réseau neuronal.Les deux premières méthodes sont couramment utilisées.Ces deux dernières méthodes font appel à des connaissances avancées telles que les modèles d’intégration et l’intelligence artificielle, qui ne sont pas détaillées ici.

Dans les applications pratiques, plusieurs algorithmes sont souvent utilisés en combinaison, différents algorithmes étant adoptés en fonction de l'état de charge et de décharge de la batterie.

méthode de tension en circuit ouvert

Le principe de la méthode de tension en circuit ouvert consiste à utiliser la relation fonctionnelle relativement fixe entre la tension en circuit ouvert et le SOC dans des conditions de placement statique à long terme de la batterie, et ainsi à estimer le SOC sur la base de la tension en circuit ouvert.Le vélo électrique à batterie au plomb, auparavant couramment utilisé, utilise cette méthode pour estimer le SOC.La méthode de tension en circuit ouvert est simple et pratique, mais présente également de nombreux inconvénients :

1. La batterie doit rester debout pendant une longue période, sinon la tension en circuit ouvert sera difficile à stabiliser en peu de temps ;

2. Il existe un plateau de tension dans les batteries, en particulier les batteries au lithium fer phosphate, où la tension aux bornes et la courbe SOC sont approximativement linéaires dans la plage SOC30 %-80 % ;

3. La batterie est à différentes températures ou à différentes étapes de vie, et bien que la tension en circuit ouvert soit la même, la différence réelle de SOC peut être importante ;

Comme le montre la figure ci-dessous, lorsque nous utilisons ce vélo électrique, si le SOC actuel est affiché à 100 %, la tension chute lors de l'accélération et la puissance peut être affichée à 80 %.Lorsque nous arrêtons d'accélérer, la tension augmente et la puissance revient à 100 %.L'affichage de la puissance de notre scooter électrique n'est donc pas précis.Lorsque nous nous arrêtons, il a du courant, mais lorsque nous redémarrons, il n’en a plus.Ce n'est peut-être pas un problème avec la batterie, mais cela peut être dû au fait que l'algorithme SoC du BMS est trop simple.

Méthode intégrale An-Shi

La méthode d'intégration continue Anshi calcule directement la valeur SOC en temps réel grâce à la définition du SOC.

Compte tenu de la valeur SOC initiale, tant que le courant de la batterie peut être mesuré (lorsque le courant de décharge est positif), la modification de la capacité de la batterie peut être calculée avec précision grâce à l'intégration du courant, ce qui donne le SOC restant.

Cette méthode donne des résultats d'estimation relativement fiables sur une courte période, mais en raison des erreurs de mesure du capteur de courant et de la dégradation progressive de la capacité de la batterie, l'intégration du courant à long terme introduira certains écarts.Par conséquent, il est généralement utilisé conjointement avec la méthode de tension en circuit ouvert pour estimer la valeur initiale pour l'estimation du SOC avec des exigences de précision faibles, et peut également être utilisé conjointement avec la méthode de filtrage de Kalman pour la prédiction du SOC à court terme.

SOC (State Of Charge) appartient à l'algorithme de contrôle de base du BMS, représentant l'état actuel de la capacité restante.Il est principalement réalisé grâce à la méthode d'intégration ampère-heure et à l'algorithme EKF (Extended Kalman Filter), combinés à des stratégies de correction (telles que la correction de tension en circuit ouvert, la correction de charge complète, la correction de fin de charge, la correction de capacité sous différentes températures et SOH, etc.).La méthode d’intégration ampère-heure est relativement fiable à condition de garantir la précision de l’acquisition du courant, mais elle n’est pas robuste.En raison de l’accumulation d’erreurs, elle doit être combinée à des stratégies de correction.La méthode EKF est robuste mais l’algorithme est relativement complexe et difficile à mettre en œuvre.Les grands fabricants nationaux peuvent atteindre une précision inférieure à 6 % à température ambiante, mais il est difficile d'estimer à des températures élevées et basses et l'atténuation de la batterie.

Correction du SOC

En raison des fluctuations actuelles, le SOC estimé peut être inexact et diverses stratégies de correction doivent être intégrées au processus d'estimation.

 

Calcul du SOH

SOH fait référence à l’état de santé, qui indique l’état de santé actuel de la batterie (ou le degré de dégradation de la batterie).Elle est généralement représentée par une valeur comprise entre 0 et 100 %, les valeurs inférieures à 80 % étant généralement considérées comme indiquant que la batterie n'est plus utilisable.Cela peut être représenté par des changements dans la capacité de la batterie ou dans la résistance interne.Lors de l'utilisation de la capacité, la capacité réelle de la batterie actuelle est estimée sur la base des données du processus de fonctionnement de la batterie, et le rapport entre celle-ci et la capacité nominale est le SOH.Un SOH précis améliorera la précision de l'estimation des autres modules lorsque la batterie se détériore.

Il existe deux définitions différentes du SOH dans l’industrie :

Définition SOH basée sur l'évanouissement de la capacité

Lors de l'utilisation de batteries lithium-ion, la matière active à l'intérieur de la batterie diminue progressivement, la résistance interne augmente et la capacité diminue.Par conséquent, le SOH peut être estimé par la capacité de la batterie.L'état de santé de la batterie est exprimé comme le rapport entre la capacité actuelle et la capacité initiale, et son SOH est défini comme :

SOH = (C_standard-C_fade)/C_standard ×100 %

Où : C_fade est la capacité perdue de la batterie ;C_standard est la capacité nominale.

La norme IEEE 1188-1996 stipule que lorsque la capacité de la batterie d'alimentation chute à 80 %, la batterie doit être remplacée.Par conséquent, on considère généralement que le SOH de la batterie n’est pas disponible lorsqu’il est inférieur à 80 %.

Définition SOH basée sur l'atténuation de puissance (Power Fade)

Le vieillissement de presque tous les types de batteries entraînera une augmentation de la résistance interne de la batterie.Plus la résistance interne de la batterie est élevée, plus la puissance disponible est faible.Par conséquent, le SOH peut être estimé en utilisant l’atténuation de puissance.

3.2 Gestion – Technologie équilibrée

Chaque batterie a sa propre « personnalité »

Pour parler d’équilibre, il faut commencer par les piles.Même les batteries produites dans le même lot par le même fabricant ont leurs propres cycles de vie et « personnalités » – la capacité de chaque batterie ne peut pas être exactement la même.Il y a deux raisons à cette incohérence :

L’une est l’incohérence de la production cellulaire

L’une est l’incohérence des réactions électrochimiques.

incohérence de production

Les incohérences de production sont faciles à comprendre.Par exemple, au cours du processus de production, des incohérences dans le diaphragme et dans les matériaux des cathodes et des anodes peuvent entraîner des incohérences dans la capacité globale de la batterie.Une batterie standard de 50 Ah peut devenir 49 Ah ou 51 Ah.

incohérence électrochimique

L'incohérence de l'électrochimie est que dans le processus de charge et de décharge de la batterie, même si la production et le traitement des deux cellules sont identiques, l'environnement thermique ne peut jamais être cohérent dans le processus de réaction électrochimique.Par exemple, lors de la fabrication de modules de batterie, la température de l'anneau environnant doit être inférieure à celle du milieu.Cela entraîne une incohérence à long terme entre les quantités de charge et de décharge, ce qui conduit à son tour à une capacité incohérente des cellules de batterie ;Lorsque les courants de charge et de décharge du film SEI sur la cellule de batterie sont incohérents pendant une longue période, le vieillissement du film SEI sera également incohérent.

*Film SEI : « interface électrolyte solide » (interface électrolyte solide).Au cours du premier processus de décharge de charge d'une batterie lithium-ion liquide, le matériau d'électrode réagit avec l'électrolyte sur l'interface de phase solide-liquide pour former une couche de passivation recouvrant la surface du matériau d'électrode.Le film SEI est un isolant électronique mais un excellent conducteur d'ions lithium, qui non seulement protège l'électrode mais n'affecte pas non plus le fonctionnement de la batterie.Le vieillissement du film SEI a un impact significatif sur la santé de la batterie.

Par conséquent, la non-uniformité (ou la discrétion) des blocs-batteries est une manifestation inévitable du fonctionnement des batteries.

Pourquoi l'équilibre est nécessaire

Les batteries sont différentes, alors pourquoi ne pas essayer de les rendre identiques ?Parce que l’incohérence affectera les performances de la batterie.

Le bloc de batteries en série suit l'effet du canon court : dans le système de blocs de batteries en série, la capacité de l'ensemble du système de blocs de batteries est déterminée par la plus petite unité.

Supposons que nous ayons une batterie composée de trois batteries :

Nous savons que la surcharge et la décharge excessive peuvent sérieusement endommager les batteries.Par conséquent, lorsque la batterie B est complètement chargée pendant la charge ou lorsque le SoC de la batterie B est très faible pendant la décharge, il est nécessaire d'arrêter la charge et la décharge pour protéger la batterie B. En conséquence, la puissance des batteries A et C ne peut pas être complètement utilisé.

Cela mène à:

La capacité réellement utilisable de la batterie a diminué : les batteries A et C, qui auraient pu utiliser la capacité disponible, ne sont plus en mesure de le faire pour accueillir la batterie B. C'est comme deux personnes sur trois jambes attachées ensemble, avec le personne de grande taille incapable de faire de grands pas.

Autonomie réduite de la batterie : Une longueur de foulée plus petite nécessite plus de pas et fatigue davantage les jambes.Avec une capacité réduite, le nombre de cycles de charge et de décharge augmente, ce qui entraîne une plus grande dégradation de la batterie.Par exemple, une seule cellule peut réaliser 4 000 cycles à 100 % DoD, mais en utilisation réelle, elle ne peut pas atteindre 100 % et le nombre de cycles n'atteindra certainement pas 4 000.

*DoD, Profondeur de décharge, représente le pourcentage de capacité de décharge de la batterie par rapport à la capacité nominale de la batterie.

L'incohérence des batteries entraîne une diminution des performances de la batterie.Lorsque la taille du module de batterie est grande, plusieurs chaînes de batteries sont connectées en série et une grande différence de tension unique entraînera une diminution de la capacité de l'ensemble du boîtier.Plus il y a de batteries connectées en série, plus elles perdent de capacité.Cependant, dans nos applications, en particulier dans les applications de systèmes de stockage d'énergie, il existe deux exigences importantes :

Le premier est une batterie longue durée, qui peut réduire considérablement les coûts d’exploitation et de maintenance.Le système de stockage d’énergie a des exigences élevées quant à la durée de vie de la batterie.La plupart des appareils domestiques sont conçus pour 15 ans.Si l’on suppose 300 cycles par an, 15 ans font 4 500 cycles, ce qui reste très élevé.Nous devons maximiser la durée de vie de chaque batterie afin que la durée de vie totale de l'ensemble de la batterie puisse atteindre autant que possible la durée de vie prévue et réduire l'impact de la dispersion de la batterie sur la durée de vie de la batterie.

Le deuxième cycle profond, en particulier dans le scénario d’application de l’écrêtement des pointes, libérer un kWh d’électricité supplémentaire apportera un point de revenu supplémentaire.C’est-à-dire que nous ferons du 80%DoD ou du 90%DoD.Lorsque le cycle profond est utilisé dans le système de stockage d’énergie, la dispersion de la batterie lors de la décharge arrière se manifestera.Par conséquent, afin d'assurer la libération totale de la capacité de chaque cellule dans des conditions de charge et de décharge profondes, il est nécessaire d'exiger que le BMS de stockage d'énergie ait de fortes capacités de gestion d'égalisation et supprime l'apparition de cohérence entre les cellules de la batterie. .

Ces deux exigences sont exactement contraires à l’incohérence de la batterie.Pour obtenir des applications de batteries plus efficaces, nous devons disposer d’une technologie d’équilibrage plus efficace afin de réduire l’impact de l’incohérence de la batterie.

technologie d'équilibre

La technologie d’égalisation des batteries est un moyen de rendre identiques des batteries de différentes capacités.Il existe deux méthodes d'égalisation courantes : l'égalisation unidirectionnelle par dissipation d'énergie (égalisation passive) et l'égalisation bidirectionnelle par transfert d'énergie (égalisation active).

(1) Solde passif

Le principe de l'égalisation passive consiste à mettre en parallèle une résistance de décharge commutable sur chaque chaîne de batteries.Le BMS contrôle la résistance de décharge pour décharger les cellules à tension plus élevée, dissipant ainsi l'énergie électrique sous forme de chaleur.Par exemple, lorsque la batterie B est presque complètement chargée, l'interrupteur est ouvert pour permettre à la résistance de la batterie B de dissiper l'énergie électrique excédentaire sous forme de chaleur.La charge continue ensuite jusqu'à ce que les batteries A et C soient également complètement chargées.

Cette méthode ne peut décharger que les cellules à haute tension et ne peut pas recharger les cellules de faible capacité.En raison de la limitation de puissance de la résistance de décharge, le courant d'égalisation est généralement faible (inférieur à 1A).

Les avantages de l'égalisation passive sont un faible coût et une conception de circuit simple ;les inconvénients sont qu'il est basé sur la capacité restante la plus faible de la batterie pour l'égalisation, ce qui ne peut pas augmenter la capacité des batteries ayant une faible capacité restante, et que 100 % de la puissance égalisée est gaspillée sous forme de chaleur.

(2) Solde actif

Grâce à des algorithmes, plusieurs chaînes de batteries transfèrent l'énergie des cellules haute tension aux cellules basse tension en utilisant des composants de stockage d'énergie, déchargeant les batteries haute tension et utilisant l'énergie libérée pour charger les cellules basse tension.L’énergie est principalement transférée plutôt que dissipée.

De cette façon, pendant la charge, la batterie B, qui atteint en premier 100 % de tension, se décharge vers A et C, et les trois batteries sont complètement chargées ensemble.Pendant la décharge, lorsque la charge restante de la batterie B est trop faible, A et C « chargent » B, afin que la cellule B n'atteigne pas le seuil SOC permettant d'arrêter la décharge aussi rapidement.

Principales caractéristiques de la technologie d'équilibrage actif

(1) Équilibrez la haute et la basse tension pour améliorer l'efficacité de la batterie : pendant la charge, la décharge et au repos, les batteries haute tension peuvent être déchargées et les batteries basse tension peuvent être chargées ;

(2) Transfert d'énergie à faibles pertes : l'énergie est principalement transférée plutôt que simplement perdue, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'énergie ;

(3) Courant d'équilibre important : généralement, le courant d'équilibre est compris entre 1 et 10 A et l'équilibre est plus rapide ;

L'égalisation active nécessite la configuration de circuits et de dispositifs de stockage d'énergie correspondants, ce qui entraîne un volume important et une augmentation des coûts.Ces deux conditions réunies font que la péréquation active n’est pas facile à promouvoir et à appliquer.

De plus, le processus actif de charge et de décharge d’égalisation augmente implicitement la durée de vie de la batterie.Pour les cellules qui nécessitent une charge et une décharge pour atteindre l'équilibre, la charge de travail supplémentaire peut les amener à dépasser le vieillissement des cellules ordinaires, ce qui entraîne un écart de performances plus important avec les autres cellules.

Certains experts estiment que les deux expressions ci-dessus devraient correspondre à un équilibre dissipatif et à un équilibre non dissipatif.Son caractère actif ou passif dépend de l'événement qui déclenche le processus d'équilibre.Si le système atteint un état où il doit être passif, il est passif.S'il est défini par l'homme, la définition du programme d'équilibre lorsqu'il n'est pas nécessaire d'être équilibré est appelée équilibre actif.

Par exemple, lorsque la décharge est terminée, la cellule à tension la plus basse a atteint la tension de coupure de décharge, tandis que les autres cellules sont encore alimentées.À ce stade, afin de décharger autant d'électricité que possible, le système transfère l'électricité des cellules à haute énergie vers des cellules à faible énergie, permettant au processus de décharge de se poursuivre jusqu'à ce que toute l'énergie soit déchargée.Il s'agit d'un processus d'égalisation passive.Si le système prévoit qu'il y aura un déséquilibre à la fin de la décharge alors qu'il reste encore 40 % de puissance, il lancera un processus d'égalisation actif.

La péréquation active est divisée en méthodes centralisées et décentralisées.La méthode d'égalisation centralisée obtient l'énergie de l'ensemble du bloc-batterie, puis utilise un dispositif de conversion d'énergie pour compléter l'énergie des batteries avec moins d'énergie.L'égalisation décentralisée implique un lien de stockage d'énergie entre des batteries adjacentes, qui peut être une inductance ou un condensateur, permettant à l'énergie de circuler entre des batteries adjacentes.

Dans la stratégie de contrôle de l'équilibre actuel, certains prennent la tension des cellules comme paramètre cible de contrôle, et il y a également ceux qui proposent d'utiliser SOC comme paramètre cible de contrôle d'équilibre.Prenons l'exemple de la tension de la cellule.

Tout d'abord, définissez une paire de valeurs seuils pour lancer et terminer l'égalisation : par exemple, dans un ensemble de batteries, lorsque la différence entre la tension extrême d'une seule cellule et la tension moyenne de l'ensemble atteint 50 mV, l'égalisation est initiée, et lorsque il atteint 5mV, l'égalisation est terminée.

Le BMS collecte la tension de chaque cellule selon un cycle d'acquisition fixe, calcule la valeur moyenne, puis calcule la différence entre la tension de chaque cellule et la valeur moyenne ;

Si la différence maximale atteint 50 mV, le BMS doit démarrer le processus d'égalisation ;

Continuez l'étape 2 pendant le processus d'égalisation jusqu'à ce que les valeurs de différence soient toutes inférieures à 5 mV, puis terminez l'égalisation.

Il convient de noter que tous les BMS ne nécessitent pas cette étape et que les stratégies ultérieures peuvent varier en fonction de la méthode d'équilibrage.

La technologie de la balance est également liée au type de batterie.On pense généralement que les LFP conviennent mieux à l’équilibre actif, tandis que les batteries ternaires conviennent à l’équilibre passif.

Le stade de concurrence intense dans le domaine des BMS est principalement soutenu par le coût et la fiabilité.Actuellement, la vérification expérimentale de l’équilibrage actif n’a pas encore été réalisée.Le niveau de sécurité fonctionnelle devrait évoluer vers ASIL-C et ASIL-D, mais le coût est assez élevé.Par conséquent, les grandes entreprises actuelles se méfient de la recherche active d’équilibrage.Certaines grandes usines souhaitent même supprimer le module d’équilibrage et faire effectuer tout l’équilibrage en externe, à l’instar de la maintenance des véhicules à carburant.Chaque fois que le véhicule parcourt une certaine distance, il se rend au magasin 4S pour un équilibrage externe.Cela réduira le coût de l'ensemble du BMS du véhicule et profitera également au magasin 4S correspondant.C’est une situation gagnant-gagnant pour toutes les parties.Donc, personnellement, je comprends que cela puisse devenir une tendance !

3.3 Protection – diagnostic de défaut et alarme

La surveillance BMS est adaptée au matériel du système électrique et est divisée en différents niveaux de défaillance (panne mineure, panne grave, panne fatale) en fonction des différentes conditions de performance de la batterie.Différentes mesures de traitement sont prises selon les niveaux de défaillance : avertissement, limitation de puissance ou coupure directe haute tension.Les pannes incluent les pannes d’acquisition de données et de rationalité, les pannes électriques (capteurs et actionneurs), les pannes de communication et les pannes d’état de la batterie.

Un exemple courant est lorsqu'une batterie surchauffe, le BMS détermine que la batterie est en surchauffe en fonction de la température de la batterie collectée, puis contrôle la déconnexion du circuit de cette batterie, effectue une protection contre la surchauffe et envoie une alerte aux systèmes de gestion tels que EMS.

3.4 Communications

Le fonctionnement normal du BMS ne peut être séparé de sa fonction de communication.Qu'il s'agisse de contrôler la batterie pendant la gestion de la batterie, de transmettre l'état de la batterie au monde extérieur ou de recevoir des instructions de contrôle, une communication stable est requise.

Dans le système de batterie électrique, une extrémité du BMS est connectée à la batterie et l'autre extrémité est connectée aux systèmes de contrôle et électroniques de l'ensemble du véhicule.L'environnement global utilise le protocole CAN, mais il existe une distinction entre l'utilisation du CAN interne entre les composants internes de la batterie et l'utilisation du CAN du véhicule entre la batterie et l'ensemble du véhicule.

En revanche, le BMS de stockage d'énergie et la communication interne utilisent essentiellement le protocole CAN, mais sa communication externe (externe fait principalement référence au système de répartition de la centrale de stockage d'énergie PCS) utilise souvent les formats de protocole Internet, le protocole TCP/IP et le protocole modbus.

4) BMS de stockage d'énergie

Les fabricants de BMS de stockage d'énergie ont généralement évolué à partir des BMS de batterie de puissance, de nombreux modèles et termes ont donc des origines historiques

Par exemple, la batterie de puissance est généralement divisée en BMU (Battery Monitor Unit) et BCU (Battery Control Unit), le premier collectant des données et le second les contrôlant.

Étant donné que la cellule de batterie est un processus électrochimique, plusieurs cellules de batterie forment une batterie.En raison des caractéristiques de chaque cellule de batterie, quelle que soit la précision du processus de fabrication, il y aura des erreurs et des incohérences dans chaque cellule de batterie au fil du temps et en fonction de l'environnement.Par conséquent, le système de gestion de la batterie consiste à évaluer l'état actuel de la batterie à l'aide de paramètres limités, ce qui ressemble un peu à un médecin de médecine traditionnelle chinoise qui diagnostique un patient en observant les symptômes plutôt qu'à la médecine occidentale nécessitant une analyse physique et chimique.L'analyse physique et chimique du corps humain est similaire aux caractéristiques électrochimiques de la batterie, qui peuvent être mesurées par des instruments expérimentaux à grande échelle.Cependant, il est difficile pour les systèmes embarqués d’évaluer certains indicateurs de l’électrochimie.Par conséquent, BMS est comme un vieux docteur en médecine chinoise.

4.1 Architecture à trois couches du BMS de stockage d'énergie

En raison du grand nombre de cellules de batterie dans les systèmes de stockage d'énergie, afin de réduire les coûts, le BMS est généralement mis en œuvre en couches, à deux ou trois couches.Actuellement, le courant dominant est constitué de trois couches : contrôle maître/contrôle maître/contrôle esclave.

4.2 Description détaillée du BMS de stockage d'énergie

5) Situation actuelle et tendance future

Il existe plusieurs types de fabricants qui produisent des BMS :

La première catégorie est l’utilisateur final ayant la puissance la plus dominante dans le BMS de batterie de puissance – les usines automobiles.En fait, la plus grande force de fabrication de BMS à l'étranger réside également dans les usines automobiles, telles que General Motors, Tesla, etc. Au pays, il y a BYD, Huating Power, etc.

La deuxième catégorie concerne les usines de batteries, y compris les fabricants de cellules et les fabricants de packs, tels que Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad, etc. ;

Le troisième type de fabricants de BMS est celui qui possède de nombreuses années d'expérience dans la technologie de l'électronique de puissance et dispose d'équipes de R&D issues d'universités ou d'entreprises connexes, telles que Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology et Kegong Electronics.

Contrairement au BMS des batteries de puissance, qui est principalement dominé par les constructeurs de véhicules terminaux, il semble que les utilisateurs finaux des batteries de stockage d'énergie n'aient pas besoin ni d'actions spécifiques pour participer à la recherche, au développement et à la fabrication du BMS.Il est également peu probable qu’ils dépensent beaucoup d’argent et d’énergie pour développer des systèmes de gestion de batteries à grande échelle.Par conséquent, on peut considérer que l’industrie des BMS pour batteries de stockage d’énergie manque d’un acteur important doté d’avantages absolus, laissant un immense espace de développement et d’imagination aux fabricants et fournisseurs de batteries se concentrant sur les BMS de stockage d’énergie.Si le marché du stockage d'énergie est établi, cela donnera aux fabricants de batteries et aux fabricants professionnels de BMS une grande marge de développement et une résistance moins compétitive.

Actuellement, il existe relativement peu de fabricants professionnels de BMS axés sur le développement de BMS de stockage d'énergie, principalement en raison du fait que le marché du stockage d'énergie en est encore à ses balbutiements et qu'il existe encore de nombreux doutes quant au développement futur du stockage d'énergie sur le marché.Par conséquent, la plupart des fabricants n’ont pas développé de BMS liés au stockage d’énergie.Dans l’environnement commercial actuel, certains fabricants achètent également des BMS pour batteries de véhicules électriques afin de les utiliser comme BMS pour les batteries de stockage d’énergie.On pense qu’à l’avenir, les fabricants professionnels de BMS pour véhicules électriques deviendront également probablement une partie importante des fournisseurs de BMS utilisés dans les projets de stockage d’énergie à grande échelle.

À ce stade, il manque des normes uniformes pour les BMS fournies par les différents fournisseurs de systèmes de stockage d’énergie.Différents fabricants ont des conceptions et des définitions différentes pour le BMS, et en fonction des différentes batteries avec lesquelles ils sont compatibles, l'algorithme SOX, la technologie d'égalisation et le contenu des données de communication téléchargées peuvent également varier.Dans l’application pratique du BMS, de telles différences augmenteront les coûts d’application et nuiront au développement industriel.Par conséquent, la standardisation et la modularisation du BMS constitueront également une direction de développement importante à l’avenir.