Dengan perkembangan cepat kendaraan energi baru, penerapan BMS telah menjadi hal biasa BMS bertanggung jawab untuk memantau dan melindungi baterai terhadap kondisi yang dapat membahayakan baterai, kendaraan, pengguna, atau lingkungan sekitarnya BMS juga bertanggung jawab untuk memberikan perkiraan SOC dan SOH yang akurat untuk memastikan bahwa kinerja baterai dan degradasi kapasitas diminimalkan sepanjang siklus masa pakai baterai, memastikan pengalaman berkendara pengguna

Struktur utama BMS biasanya terdiri dari tiga ICS: ujung depan analog (AFE), mikrokontroler (MCU), dan coulometer (Gambar 1) Coulometer bisa menjadi IC mandiri atau tertanam di MCU MCU adalah komponen inti dari BMS, dan saat terhubung ke seluruh sistem, ia juga memperoleh informasi dari AFE dan Coulometer

Gambar 1 Diagram blok arsitektur BMS

AFE menyediakan tegangan, suhu, dan informasi saat ini untuk sel dan modul untuk MCU dan coulometer Karena AFE secara fisik paling dekat dengan baterai, AFE juga dapat mengontrol pemutus sirkuit, yang akan melepaskan baterai dari seluruh sistem jika ada kegagalan yang dipicu
IC Coulometer mengambil informasi sel dari AFE dan kemudian menggunakan pemodelan sel yang canggih dan algoritma canggih untuk memperkirakan parameter kunci, seperti SOC dan SOH Fungsi coulometer dapat diimplementasikan melalui MCU, tetapi ada beberapa keuntungan menggunakan IC coulometer khusus:

 · Desain yang efisien: Menggunakan IC khusus untuk menjalankan algoritma kompleks memungkinkan desainer menggunakan spesifikasi yang lebih rendah MCU, mengurangi biaya keseluruhan dan konsumsi saat ini
 · Peningkatan Keselamatan: Coulometer khusus mengukur individu SOC dan SOH untuk setiap kombinasi sel tandem dalam paket baterai, memungkinkan akurasi pengukuran yang lebih tepat dan deteksi penuaan sepanjang siklus hidup baterai Ini penting karena impedansi baterai dan kapasitas berbeda dari waktu ke waktu, mempengaruhi uptime dan keamanan

Meningkatkan akurasi SOC dan SOH
Tujuan utama merancang BMS presisi tinggi adalah untuk memberikan perhitungan yang akurat untuk SOC dan SOH dari paket baterai Desainer BMS mungkin berpikir bahwa satu-satunya cara untuk mencapai hal ini adalah dengan menggunakan AFE presisi yang lebih tinggi, tetapi ini hanya satu faktor dalam keseluruhan akurasi komputasi Faktor yang paling penting adalah model baterai Coulometer dan algoritma perhitungan coulometer, diikuti oleh kemampuan AFE untuk memberikan pembacaan arus tegangan sinkron untuk perhitungan resistansi baterai
Coulometer mengubah tegangan, arus, dan pengukuran suhu menjadi output SOC dan SOH dengan menganalisis informasi yang dihitung secara real time oleh algoritma sehubungan dengan model baterai spesifik yang disimpan dalam memori Model sel dihasilkan dengan mengkarakterisasi sel di bawah suhu, kapasitas, dan kondisi beban yang berbeda, secara matematis mendefinisikan tegangan sirkuit terbuka serta komponen ketahanan dan kapasitansi Model ini memungkinkan algoritma coulometer untuk menghitung SOC optimal berdasarkan variasi parameter ini di bawah kondisi operasi yang berbeda Oleh karena itu, jika model baterai atau algoritma coulometer tidak akurat, perhitungannya tidak akurat terlepas dari keakuratan yang dilakukan pengukuran oleh AFE

Tegangan dan bacaan sinkron arus
Meskipun hampir semua AFE menawarkan ADC yang berbeda untuk tegangan dan arus, tidak semua AFE menawarkan pengukuran arus dan tegangan sinkron aktual untuk setiap sel Fitur ini, yang disebut bacaan sinkron-arus tegangan, memungkinkan coulometer untuk secara akurat memperkirakan resistansi seri setara (ESR) dari baterai Karena ESR bervariasi dengan kondisi dan waktu operasi yang berbeda, memperkirakan ESR secara real time memungkinkan estimasi SOC yang lebih akurat

Gambar 2 menunjukkan kesalahan bacaan yang disinkronkan versus bacaan yang tidak disinkronkan

Gambar 2 Perbandingan kesalahan SOC dengan dan tanpa bacaan sinkron

Kontrol Kesalahan Langsung AFE
Seperti yang disebutkan sebelumnya, peran paling penting yang dimainkan AFE dalam BMS adalah manajemen perlindungan AFE dapat secara langsung mengontrol sirkuit perlindungan, melindungi sistem dan baterai saat kesalahan terdeteksi Beberapa sistem menerapkan kontrol kesalahan di MCU, tetapi ini menghasilkan waktu respons yang lebih lama dan membutuhkan lebih banyak sumber daya dari MCU, meningkatkan kompleksitas firmware
Advanced AFE menggunakan bacaan ADC dan konfigurasi pengguna untuk mendeteksi kondisi kegagalan AFE menanggapi kegagalan dengan menyalakan MOSFET pelindung untuk memastikan perlindungan perangkat keras yang sebenarnya Dengan cara ini, MCU dapat bertindak sebagai mekanisme perlindungan sekunder untuk keamanan dan ketahanan yang lebih tinggi

Perlindungan baterai untuk pengukuran tegangan tinggi dan rendah
Saat merancang BMS, penting untuk mempertimbangkan di mana pemutus sirkuit yang dilindungi baterai ditempatkan Biasanya, sirkuit ini diimplementasikan menggunakan MOSFET N-channel karena mereka memiliki resistensi internal yang lebih rendah dibandingkan dengan MOSFET P-channel Pemutus sirkuit ini dapat ditempatkan di sisi tegangan tinggi (terminal positif baterai) atau sisi tegangan rendah (terminal negatif baterai)
Arsitektur Sisi Tinggi memastikan landasan yang baik (GND) untuk menghindari potensi masalah keamanan dan komunikasi jika terjadi hubungan pendek Selain itu, koneksi GND yang bersih dan stabil membantu mengurangi fluktuasi sinyal referensi, yang merupakan kunci untuk operasi MCU yang akurat
Namun, ketika MOSFET N-saluran ditempatkan di ujung sel yang positif, menggerakkan gerbang mereka membutuhkan tegangan lebih tinggi dari pada baterai, membuat proses desain lebih menantang Oleh karena itu, pompa muatan khusus yang diintegrasikan ke dalam AFE sering digunakan dalam arsitektur kelas atas, yang meningkatkan biaya keseluruhan dan konsumsi saat ini IC
Untuk konfigurasi low-end, pompa pengisian tidak diperlukan, tetapi lebih sulit untuk mencapai komunikasi yang efektif dalam konfigurasi sisi tegangan rendah karena tidak ada referensi GND ketika perlindungan dihidupkan

Saldo baterai untuk memperpanjang masa pakai baterai
Paket baterai daya biasanya terdiri dari sejumlah sel secara seri dan paralel Setiap sel secara teori identik, tetapi setiap sel biasanya berperilaku sedikit berbeda karena toleransi manufaktur dan perbedaan kimia Seiring waktu, perbedaan ini menjadi lebih signifikan, sehingga penyeimbangan baterai sangat penting
Peternur pasif adalah metode yang paling umum, yang membutuhkan pelepasan baterai yang paling bermuatan sampai mereka semua memiliki muatan yang sama Penyeimbangan unit pasif dalam AFE dapat dilakukan secara eksternal atau internal Balancing eksternal memungkinkan untuk arus keseimbangan yang lebih besar, tetapi juga meningkatkan BOM (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3)

Gambar 3 Diagram keseimbangan baterai eksternal

Keseimbangan internal, di sisi lain, tidak meningkatkan BOM, tetapi biasanya membatasi arus keseimbangan ke nilai yang lebih rendah karena disipasi panas (Gambar 4) Saat menentukan keseimbangan internal dan eksternal, biaya perangkat keras eksternal dan arus keseimbangan target perlu dipertimbangkan

Gambar 4 Diagram blok keseimbangan unit internal