Struttura di base e principio di funzionamento del BMS per i veicoli a nuova energia

Non esiste una definizione rigorosa di sistema di gestione della batteria (BMS). Possiamo interpretarlo come segue: un sistema di gestione della batteria è un dispositivo utilizzato per monitorare in modo sicuro e gestire in modo efficace il pacco batteria, mantenendo il normale funzionamento del sistema di alimentazione e prolungando la durata della batteria. È comunemente noto come tata della batteria o gestore della batteria. Può monitorare lo stato operativo della batteria (tensione, corrente e temperatura della batteria), prevedere la capacità della batteria (SOC) e la corrispondente autonomia rimanente e gestire la batteria per evitare-scarica eccessiva, sovraccarico, surriscaldamento e grave squilibrio di tensione tra le singole celle, massimizzando l'utilizzo della capacità di stoccaggio della batteria e la durata del ciclo.

Classificazione:

I sistemi di gestione delle batterie possono essere classificati in sistemi distribuiti, sistemi centralizzati e sistemi integrati in base alla loro struttura.

1. Sistema distribuito

Definizione principale:

Un BMS distribuito, noto anche come BMS modulare, è caratterizzato da "funzioni decentralizzate e gestione centralizzata". Distribuisce l'acquisizione dei dati della batteria e alcune funzioni di elaborazione a più unità di controllo slave indipendenti all'interno del modulo batteria o del pacco batteria, mentre un'unità di controllo master è responsabile degli algoritmi avanzati e della comunicazione del veicolo.

Analisi delle caratteristiche professionali:

Vantaggi:

• Elevata scalabilità e modularità: aggiungendo o rimuovendo unità di controllo slave, può adattarsi facilmente a piattaforme con diversi livelli di potenza e tensione, facilitando la progettazione basata su piattaforma-.
• Cablaggio semplice ed elevata affidabilità: il cablaggio di campionamento di ciascun modulo è estremamente corto e ordinato, riducendo il rischio di interferenze derivanti dalla trasmissione di segnali analogici a lunga-distanza e migliorando la precisione della misurazione e la compatibilità elettromagnetica del sistema.
• Elevata sicurezza: i punti di campionamento dell'alta-tensione sono dispersi, riducendo il rischio di intrusione dell'alta-tensione nei sistemi a bassa-tensione. L'unità di controllo principale può essere posizionata lontano dall'area ad alta-tensione.

Svantaggi:

• Elevata complessità del sistema: richiede lo sviluppo e la gestione di due unità hardware (master e slave) e protocolli di comunicazione complessi.
• Costo relativamente elevato: il costo hardware totale di più unità di controllo slave potrebbe essere più elevato.
• Applicazioni tipiche: veicoli elettrici,-sistemi di stoccaggio dell'energia su larga scala, robot e altri scenari che richiedono elevata modularità, scalabilità, sicurezza e precisione.

2. Sistema centralizzato

Definizione principale:

Il BMS centralizzato adotta un'architettura di "acquisizione integrata, elaborazione centralizzata". Tutte le funzioni sono integrate in un unico controller centrale e tutti i segnali di tensione e temperatura delle celle della batteria sono direttamente collegati alle porte di acquisizione sul controller centrale tramite lunghi cablaggi.

Analisi delle caratteristiche professionali:

Vantaggi:

• Struttura semplice, costo basso: controller singolo, nessun protocollo di comunicazione master{0}}slave, sviluppo software relativamente semplice e il costo complessivo più basso nei sistemi-di capacità ridotta.
• Elaborazione diretta dei dati: tutti i dati vengono elaborati all'interno di un singolo chip, eliminando la necessità di sincronizzazione tra nodi e ritardi di trasmissione.

Svantaggi:

• Scarsa scalabilità: le porte I/O del controller sono fisse, rendendo difficile l'adattamento a sistemi con un numero diverso di batterie.
• Rischio elevato di affidabilità: i cablaggi di campionamento a lunga- distanza sono suscettibili alle interferenze, con conseguente ridotta precisione della misurazione; i numerosi e lunghi cablaggi comportano un elevato tasso di guasto dei connettori.
• Layout non flessibile: il controller centrale deve essere vicino al pacco batteria e il layout del cablaggio è fisso, il che non favorisce il layout generale del veicolo.
• Pericoli per la sicurezza: tutti i-punti di campionamento ad alta tensione sono concentrati in un unico posto, con il rischio di guasto di un singolo-punto che porta al guasto dell'intero sistema.

Applicazioni tipiche: veicoli elettrici a bassa-velocità, utensili elettrici, armadietti per lo stoccaggio dell'energia-di piccola capacità ed elettronica di consumo con requisiti di spazio e costi estremamente rigorosi.

3. Sistema Integrato

Definizione principale:

Il BMS integrato è il prodotto di una profonda integrazione di componenti elettrici e meccanici, che incarna "integrazione hardware e software, alto grado di integrazione". Integra le funzioni hardware principali del BMS (come AFE, MCU) direttamente sulla scheda di controllo e protezione del pacco batteria e talvolta si integra anche fisicamente con altri componenti all'interno del pacco batteria (come dispositivi di disconnessione ad alta-tensione, sensori di corrente).

Analisi delle caratteristiche professionali:

Vantaggi:

• Dimensioni ridotte, utilizzo dello spazio estremamente elevato: molto adatto per applicazioni con limiti di spazio-.
• Ottimizzazione dei costi e della catena di fornitura: riduce i materiali come involucri e connettori, semplificando la produzione e l'assemblaggio.
• Forte obiettivo delle prestazioni: design ottimizzato per pacchi batteria specifici, ottenendo prestazioni ottimali.

Svantaggi:

• Quasi nessuna scalabilità: profondamente integrato con il pacco batteria, non può essere utilizzato per sistemi batteria con altre specifiche.
• Manutenzione e sostituzione difficili: in caso di guasto, di solito è necessario sostituire l'intera scheda di controllo o anche l'intero modulo del pacco batteria.
• Sfide relative alla dissipazione del calore e all'isolamento: l'integrazione ad alta-densità comporta sfide nella progettazione della dissipazione del calore e requisiti più elevati per la progettazione dell'isolamento dei circuiti ad alta e bassa tensione.

Le applicazioni tipiche includono: elettronica di consumo, due-ruote elettriche, prodotti compatti per lo stoccaggio dell'energia domestica e pacchi batteria per alcuni veicoli PHEV/HEV che danno priorità al massimo utilizzo dello spazio.

Il sistema di gestione della batteria è costituito principalmente dalle seguenti parti: un'unità di elaborazione centrale (chiamata anche modulo di controllo principale o ECU), un'unità di acquisizione dati (modulo di acquisizione BMU), un'unità di bilanciamento, un'unità di visualizzazione, componenti di controllo (relè, fusibili) e componenti di rilevamento (rilevamento di perdite, sensori di corrente, sensori di temperatura, ecc.).

L'unità di elaborazione centrale è costituita da una scheda di controllo principale e da un circuito di controllo ad alta-tensione; l'unità di acquisizione dati è composta da un modulo di acquisizione della temperatura e da un modulo di acquisizione della tensione. Nella maggior parte delle applicazioni il modulo di bilanciamento ed il modulo di rilevamento sono integrati tra loro; l'unità display è costituita da un tabellone, uno schermo LCD, una tastiera e un computer host. La tecnologia del bus di campo CAN viene generalmente utilizzata per realizzare la comunicazione delle informazioni tra questi componenti e con il sistema multi-energetico del veicolo.

Nel sistema di gestione della batteria di una batteria agli ioni di litio-di un produttore di veicoli a nuova energia, il sistema adotta una struttura master-slave. Un modulo di controllo principale BMS può controllare fino a 256 moduli di acquisizione e ciascun modulo di acquisizione può raccogliere ed elaborare fino a 16 canali di tensione e 8 canali di temperatura. Può eseguire il monitoraggio-in tempo reale dello stato di carica e scarica della batteria, elaborazione dei dati, stima del SOC, stima dell'autonomia, controllo della carica e dello scaricamento e altre funzioni.

Il principio di funzionamento principale del BMS può essere semplicemente riassunto come segue: dopo che il circuito di acquisizione dati ha raccolto le informazioni sullo stato della batteria, l'unità di controllo elettronica elabora e analizza i dati, quindi invia comandi di controllo ai relativi moduli funzionali all'interno del sistema in base ai risultati dell'analisi e trasmette le informazioni al mondo esterno.

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L'uso delle batterie nei sistemi di alimentazione automobilistica è un processo complesso. Le batterie devono migliorare la sicurezza, la densità di potenza e la densità di energia, nonché ridurre la velocità e i costi di autoscarica. Inoltre, è necessario considerare molti aspetti speciali legati al loro utilizzo nei veicoli, come l'uniformità della batteria, i collegamenti tra le batterie, la protezione dalle perdite e la sicurezza dell'alta tensione, la ventilazione e la dissipazione del calore, l'impermeabilità e la protezione dalla polvere del pacco batteria e la manutenibilità del sistema. Solo risolvendo questi problemi le batterie elettriche potranno essere ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici.

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