Dengan semakin banyaknya kendaraan listrik, sistem manajemen energi baterai menjadi semakin penting selain mencari baterai dengan kepadatan energi yang tinggi dan keamanan yang tinggi. Baterai daya yang berbeda memiliki sifat yang berbeda, dan meskipun jenis baterai yang sama tidak konsisten, dalam proses penggunaan, akan ada kemungkinan kecelakaan yang disebabkan oleh ekspansi. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengelola sistem daya baterai secara efektif untuk memastikan keamanan kendaraan listrik. Pada saat yang sama, kinerja sistem baterai perlu dipastikan, memperpanjang masa pakai baterai, dan meningkatkan efisiensi baterai.

Struktur dan prinsip sistem Manajemen Baterai.

Sistem manajemen baterai (BMS), yaitu Sistem Manajemen Baterai, menentukan status seluruh sistem baterai dengan mendeteksi status setiap baterai dalam paket baterai, dan menjalankan penyesuaian kontrol yang sesuai dan penerapan strategi ke sistem baterai daya sesuai ke kondisi mereka, untuk mewujudkan manajemen pengisian dan pengosongan sistem baterai daya dan setiap unit untuk memastikan pengoperasian sistem baterai daya yang aman dan stabil.

Struktur topologi tipikal dari sistem manajemen baterai terutama dibagi menjadi dua bagian: modul kontrol master dan modul kontrol slave. Secara khusus, ini terdiri dari unit pemrosesan pusat (modul kontrol utama), modul akuisisi data, modul deteksi data, modul unit tampilan, komponen kontrol (perangkat sekering, relai), dan sebagainya. Secara umum, komunikasi informasi data antar modul diwujudkan dengan menggunakan teknologi internal CAN bus.
Berdasarkan fungsi masing-masing modul, BMS dapat secara real-time mendeteksi tegangan, arus, suhu, dan parameter lain dari baterai daya, mewujudkan manajemen termal, manajemen seimbang, tegangan tinggi, dan deteksi insulasi baterai daya, dan menghitung kapasitas sisa, daya pengisian dan pengosongan, serta status SOC&SOH dari baterai daya.

Fungsi dasar sistem Manajemen Baterai.

Fungsi dasar dari sistem manajemen baterai dapat dibagi menjadi tiga bagian: deteksi, manajemen, dan perlindungan. Secara khusus, ini mencakup fungsi seperti akuisisi data, pemantauan kondisi, kontrol seimbang, manajemen termal, perlindungan keamanan, dan sebagainya.
(I) pengumpulan data.
Sebagai dasar dan premis fungsi lain dalam sistem manajemen baterai, keakuratan dan kecepatan akuisisi data dapat mencerminkan kelebihan dan kekurangan sistem manajemen baterai. Fungsi lain dari sistem manajemen, seperti analisis status SOC, manajemen kesetimbangan, manajemen termal, dan sebagainya, didasarkan pada data yang dikumpulkan untuk analisis dan pemrosesan.
Objek akuisisi data umumnya berupa tegangan, arus, dan suhu. Dalam proses penggunaan praktis, kinerja elektrokimia baterai berbeda pada suhu yang berbeda, menghasilkan energi berbeda yang dikeluarkan oleh baterai. Baterai lithium-ion sensitif terhadap voltase dan suhu, sehingga pengaruh suhu harus diperhitungkan saat mengevaluasi SOC baterai.

(II) Analisis negara.

Analisis status baterai terutama mencakup dua aspek: sisa daya baterai dan tingkat penuaan baterai, yaitu evaluasi SOC dan evaluasi SOH. SOC memungkinkan pengemudi mendapatkan informasi langsung tentang dampak sisa daya pada jarak tempuh. Pada tahap ini, banyak penelitian difokuskan pada analisis SOC, terus meningkatkan akurasinya. Analisis SOC akan dipengaruhi oleh SOH. SOH baterai secara terus menerus dipengaruhi oleh suhu dan arus dalam proses penggunaan, sehingga perlu dianalisis secara terus menerus untuk memastikan akurasi analisis SOC.
Dalam analisis SOC terdapat metode charge metering, metode open circuit voltage, metode filter Kalman, algoritma jaringan saraf tiruan, dan metode logika fuzzy, dan sebagainya. Metode pengukuran muatan dan metode tegangan sirkuit terbuka diperkenalkan secara singkat di sini.
(1) metode pengukuran muatan.
Metode pengukuran muatan menghitung SOC melalui statistik muatan yang diisi dan dikosongkan oleh baterai selama beberapa waktu, yaitu akumulasi arus dalam waktu. Meskipun merupakan metode pengukuran yang paling umum digunakan, namun akan dipengaruhi oleh banyak faktor, antara lain akurasi data, self-discharge, dan sebagainya. Misalnya, karena kurangnya akurasi sensor arus, terjadi kesalahan antara arus yang digunakan untuk perhitungan integral dan nilai sebenarnya, yang membuat deviasi hasil SOC semakin besar. Oleh karena itu, ketika menggunakan metode pengukuran muatan, kita perlu menggunakan beberapa algoritma koreksi untuk memperbaiki berbagai faktor yang mempengaruhi untuk mengurangi kesalahan hasil perhitungan dan analisis.
(2) Metode tegangan rangkaian terbuka.
Metode tegangan rangkaian terbuka adalah mengukur tegangan rangkaian terbuka baterai saat baterai dalam keadaan statis untuk menghitung SOC baterai. Namun, perlu dicatat bahwa ketika menggunakan metode tegangan sirkuit terbuka, umumnya dianggap bahwa ada hubungan linier tertentu antara SOC dan EMF, dan nilai SOC apa pun hanya sesuai dengan satu nilai EMF. Efek pegas tegangan harus diperhitungkan saat menggunakan metode tegangan rangkaian terbuka, dan SOC yang dihitung akan terlalu kecil saat tegangan tidak memantul ke nilai stabil. Dibandingkan dengan metode pengukuran muatan, metode tegangan sirkuit terbuka tidak dapat digunakan saat baterai bekerja normal, yang merupakan masalah terbesarnya.

Sangat sulit untuk mengukur SOC secara akurat pada tahap ini, misalnya ketidakakuratan pengambilan sampel data yang disebabkan oleh akurasi sensor dan interferensi elektromagnetik menyebabkan penyimpangan analisis keadaan. Selain itu, ketidakkonsistenan baterai, data historis, dan ketidakpastian kondisi pengoperasian juga berdampak besar pada perhitungan SOC.

(III) kontrol seimbang.
Karena pengaruh manufaktur dan lingkungan kerja, unit sel tidak konsisten, dan ada perbedaan tegangan, kapasitas, resistansi internal dan properti lainnya, menghasilkan kapasitas efektif yang berbeda dan kapasitas pengisian dan pengosongan setiap sel tunggal dalam proses penggunaan yang sebenarnya. . Oleh karena itu, untuk memastikan kinerja keseluruhan sistem baterai dan memperpanjang masa pakai, sangat penting untuk menyeimbangkan baterai guna mengurangi perbedaan antara sel tunggal.
Manajemen yang seimbang berkontribusi pada pemeliharaan kapasitas baterai dan kontrol kedalaman pelepasan. Jika tidak ada kontrol baterai yang seimbang, karena pengaturan fungsi perlindungan dari sistem manajemen baterai, akan ada fenomena ketika satu baterai terisi penuh, baterai lain tidak terisi penuh, atau ketika pelepasan satu baterai baterai dengan daya minimum terputus, baterai lainnya belum mencapai batas pemutusan pengosongan. Setelah baterai diisi ulang atau diisi ulang, beberapa reaksi kimia yang tidak dapat diubah akan terjadi pada baterai, yang akan memengaruhi sifat baterai, sehingga memengaruhi masa pakai baterai.
Menurut struktur sirkuit dan mode kontrol dalam manajemen pemerataan, yang pertama dibagi menjadi pemerataan terpusat dan pemerataan terdistribusi, dan yang terakhir dibagi menjadi pemerataan aktif dan pemerataan pasif. Pemerataan terpusat berarti bahwa semua unit baterai dalam paket baterai menggunakan satu equalizer untuk kontrol pemerataan, sementara pemerataan terdistribusi adalah equalizer yang didedikasikan untuk satu atau lebih sel baterai. Yang pertama memiliki keunggulan komunikasi yang sederhana dan langsung serta kecepatan pemerataan yang cepat. Namun susunan wire harness antara unit baterai dan equalizer rumit, sehingga tidak cocok untuk sistem baterai dengan jumlah unit yang banyak. Yang terakhir dapat memecahkan masalah harness yang pertama, tetapi kerugiannya adalah biayanya yang tinggi.
Kesetimbangan aktif, juga dikenal sebagai kesetimbangan non-dissipatif, teori gambar adalah transfer energi antar unit baterai. Energi dalam sel dengan energi tinggi ditransfer ke monomer dengan energi rendah untuk mencapai tujuan keseimbangan energi. Jenis pasif adalah kesetimbangan disipatif, yang mengkonsumsi energi monomer berenergi tinggi ke keadaan seimbang dengan monomer lain melalui resistensi paralel. Kesetimbangan aktif efisien dan energi ditransfer daripada dikonsumsi, tetapi struktur yang kompleks menyebabkan peningkatan biaya.

IV) Manajemen termal.
Sistem baterai dalam kondisi pengoperasian yang berbeda karena resistansi internalnya sendiri, pada daya keluaran, energi listrik pada saat yang sama menghasilkan sejumlah panas, mengakibatkan akumulasi panas untuk meningkatkan suhu baterai, tata letak ruang yang berbeda membuat suhu baterai menjadi tidak konsisten. Ketika suhu baterai melebihi kisaran suhu pengoperasian normalnya, daya harus dibatasi, jika tidak, masa pakai baterai akan terpengaruh. Untuk memastikan kinerja kelistrikan dan masa pakai sistem baterai, sistem daya baterai umumnya dirancang dengan sistem manajemen termal. Sistem manajemen termal baterai adalah seperangkat sistem manajemen yang digunakan untuk memastikan bahwa sistem baterai bekerja dalam kisaran suhu yang sesuai, yang terutama terdiri dari kotak baterai, media perpindahan panas,
Fungsi utama sistem manajemen baterai dalam manajemen termal adalah mengukur dan memantau suhu baterai secara akurat. Ketika suhu baterai terlalu tinggi, pembuangan panas dan ventilasi yang efektif digunakan untuk memastikan distribusi medan suhu baterai yang seragam. Di bawah kondisi suhu rendah, paket baterai dapat dipanaskan dengan cepat untuk mencapai lingkungan kerja yang normal.

(V) Keamanan dan perlindungan.
Sebagai fungsi terpenting dari keseluruhan sistem manajemen baterai, perlindungan keselamatan didasarkan pada empat fungsi pertama. Ini terutama mencakup proteksi arus berlebih, proteksi overcharge dan discharge, proteksi overtemperature dan pemantauan isolasi.
(1) proteksi arus lebih.
Karena baterai memiliki resistansi internal tertentu, saat baterai bekerja, aliran arus akan menyebabkan panas internal baterai, dan peningkatan akumulasi panas menyebabkan peningkatan suhu baterai, yang menyebabkan penurunan panas. stabilitas baterai. Untuk baterai lithium-ion, kemampuan de-interkalasi bahan elektroda positif dan negatif sudah pasti. Ketika arus pengisian dan pengosongan lebih besar dari kapasitas de-interkalasinya, tegangan polarisasi baterai akan meningkat, dan kapasitas sebenarnya dari baterai akan berkurang dan mempengaruhi masa pakai baterai. Dalam kasus yang serius, ini akan mempengaruhi keamanan baterai. Sistem manajemen baterai akan menilai apakah nilai saat ini melebihi rentang keamanan, dan jika melebihi itu,
(2) perlindungan overcharge dan overdischarge.
Dalam proses pengisian, ketika tegangan pengisian melebihi tegangan pengisian cutoff baterai, struktur kisi positif akan hancur dan kapasitas baterai menjadi lebih kecil. Dan bila voltase terlalu tinggi, akan menimbulkan bahaya ledakan yang tersembunyi di hubung singkat kutub positif dan negatif. Pengisian daya yang berlebihan sangat dilarang. BMS mendeteksi voltase baterai tunggal dalam sistem, dan ketika voltase melebihi batas pengisian daya, BMS memutuskan sirkuit pengisian daya untuk melindungi sistem baterai.
Dalam proses pengosongan, ketika tegangan pengosongan lebih rendah dari tegangan pengosongan pengosongan baterai, pengumpul logam pada elektroda negatif baterai akan larut, menyebabkan kerusakan permanen pada baterai. Saat mengisi daya baterai yang kelebihan muatan, ada kemungkinan korsleting internal atau kebocoran. Ketika tegangan melebihi tegangan batas pelepasan, BMS akan membuka sirkuit untuk melindungi sistem baterai.
(3) perlindungan suhu berlebih.
Untuk perlindungan suhu berlebih, perlu digabungkan dengan fungsi manajemen termal di atas. Aktivitas baterai bervariasi pada temperatur yang berbeda. Saat terkena suhu tinggi dalam waktu lama, stabilitas struktural material baterai akan menjadi lebih buruk dan mempersingkat masa pakai baterai. Pembatasan aktivitas baterai pada suhu rendah akan mengurangi kapasitas yang tersedia, terutama kapasitas pengisian daya menjadi sangat rendah, dan dapat menimbulkan risiko keselamatan. Sistem manajemen baterai dapat melarang pengisian dan pengosongan saat suhu baterai melebihi batas suhu tinggi atau lebih rendah dari batas suhu rendah.
(4) Pemantauan isolasi.
Fungsi pemantauan isolasi juga merupakan salah satu fungsi penting untuk memastikan keamanan sistem baterai. Tegangan sistem baterai biasanya beberapa ratus volt, dan begitu kebocoran terjadi, akan berbahaya bagi personel, sehingga fungsi pemantauan isolasi sangat penting. BMS akan memantau resistansi isolasi total positif dan negatif terhadap besi tubuh secara real time. Jika resistansi isolasi lebih rendah dari kisaran aman, kesalahan akan dilaporkan dan tegangan tinggi akan diputuskan.
Desain sistem dan persyaratan teknis.

Saat merancang sistem manajemen baterai, pertama-tama kita perlu menentukan fungsi BMS sesuai dengan persyaratan desain seluruh kendaraan, lalu menentukan topologinya, diikuti dengan desain perangkat lunak dan perangkat keras dari pekerjaan utama. Setelah menyelesaikan pekerjaan dasar di atas, kita perlu melakukan pengujian unit BMS dan pengujian keseluruhan paket baterai daya. Sebelum desain perangkat lunak dan perangkat keras, pengisian dan pengosongan, kapasitas, resistansi, dan karakteristik lain dari baterai tunggal perlu diuji untuk melindungi desain sirkuit, desain algoritme, dan sebagainya dengan lebih baik.
Desain perangkat keras harus dikombinasikan dengan persyaratan algoritme perangkat lunak, dan perhatian harus diberikan pada isolasi tegangan, interferensi anti-elektromagnetik, kompatibilitas elektromagnetik, isolasi komunikasi, ventilasi dan pembuangan panas dalam pengembangan papan sirkuit dan desain komponen. Fungsi desain perangkat lunak umum meliputi deteksi voltase, perolehan suhu, deteksi arus, deteksi insulasi, estimasi SOC, komunikasi CAN, fungsi pemerataan debit, fungsi uji mandiri sistem, fungsi deteksi sistem, manajemen muatan, manajemen termal, dan sebagainya.
Desain perangkat keras terkait mendukung fungsi desain perangkat lunak, seperti modul MCU digunakan untuk mengumpulkan dan menganalisis data, mengirim dan menerima sinyal kontrol, dan modul deteksi saat ini untuk mengumpulkan arus pengisian dan pengosongan paket baterai selama proses pengisian dan pengosongan.