Với sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện năng lượng mới, việc áp dụng BMS đã trở nên phổ biến BMS chịu trách nhiệm giám sát và bảo vệ pin trước các điều kiện có thể gây hại cho pin, xe, người dùng hoặc môi trường xung quanh BMS cũng chịu trách nhiệm cung cấp các ước tính chính xác của SOC và SOH để đảm bảo rằng hiệu suất pin và sự suy giảm công suất được giảm thiểu trong suốt vòng đời của pin, đảm bảo trải nghiệm lái xe của người dùng

Cấu trúc chính của BMS thường bao gồm ba IC: một mặt trước tương tự (AFE), vi điều khiển (MCU) và máy đo kết hợp (Hình 1) Coulometer có thể là một IC độc lập hoặc được nhúng trong MCU MCU là thành phần cốt lõi của BMS và trong khi được kết nối với phần còn lại của hệ thống, nó cũng có được thông tin từ AFE và Coulometer

Hình 1 Sơ đồ khối kiến ​​trúc BMS

AFE cung cấp điện áp, nhiệt độ và thông tin hiện tại cho các ô và mô -đun cho MCU và coulometer Do AFE gần với pin nhất về mặt vật lý, AFE cũng có thể điều khiển bộ ngắt mạch, sẽ ngắt kết nối pin với phần còn lại của hệ thống nếu có bất kỳ lỗi nào được kích hoạt
IC Coulometer lấy thông tin tế bào từ AFE và sau đó sử dụng mô hình tế bào tinh vi và các thuật toán tiên tiến để ước tính các tham số chính, chẳng hạn như SOC và SOH Các chức năng Coulometer có thể được thực hiện thông qua MCU, nhưng có một số lợi thế khi sử dụng IC Coulometer chuyên dụng:

 · Thiết kế hiệu quả: Sử dụng IC chuyên dụng để chạy các thuật toán phức tạp cho phép các nhà thiết kế sử dụng MCU đặc điểm kỹ thuật thấp hơn, giảm chi phí tổng thể và tiêu thụ hiện tại
 · An toàn được cải thiện: Một máy đo độ chuyên dụng đo lường cá nhân SOC và SOH cho mỗi tổ hợp tế bào song song trong bộ pin, cho phép độ chính xác đo chính xác hơn và phát hiện lão hóa trong suốt vòng đời của pin Điều này rất quan trọng vì trở kháng pin và phân kỳ công suất theo thời gian, ảnh hưởng đến thời gian hoạt động và an toàn

Cải thiện độ chính xác của SoC và Soh
Mục tiêu chính của việc thiết kế một BMS có độ chính xác cao là cung cấp các tính toán chính xác cho SOC và SOH của bộ pin Các nhà thiết kế BMS có thể nghĩ rằng cách duy nhất để đạt được điều này là sử dụng các AFE có độ chính xác cao hơn, nhưng đây chỉ là một yếu tố trong độ chính xác tính toán tổng thể Các yếu tố quan trọng nhất là mô hình pin coulometer và thuật toán tính toán coulometer, tiếp theo là khả năng của AFE để cung cấp các bài đọc dòng điện áp điện áp đồng bộ cho tính toán điện trở pin
Coulometer chuyển đổi các phép đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ thành đầu ra SOC và SOH bằng cách phân tích thông tin được tính theo thời gian thực bằng thuật toán liên quan đến một mô hình pin cụ thể được lưu trữ trong bộ nhớ của nó Mô hình tế bào được tạo ra bằng cách mô tả tế bào dưới các điều kiện nhiệt độ, công suất và tải trọng khác nhau, xác định toán học điện áp mạch mở cũng như các thành phần điện trở và điện dung của nó Mô hình này cho phép thuật toán của coulometer tính toán SoC tối ưu dựa trên sự thay đổi của các tham số này trong các điều kiện hoạt động khác nhau Do đó, nếu mô hình pin hoặc thuật toán của coulometer là không chính xác, thì tính toán là không chính xác bất kể độ chính xác mà phép đo được thực hiện bởi AFE

Điện áp và đọc đồng bộ hiện tại
Mặc dù hầu hết tất cả các AFE cung cấp các ADC khác nhau cho điện áp và dòng điện, nhưng không phải tất cả các AFE đều cung cấp các phép đo điện áp và điện áp đồng bộ thực tế cho mỗi ô Tính năng này, được gọi là đọc đồng bộ điện áp điện áp, cho phép coulometer ước tính chính xác điện trở chuỗi tương đương (ESR) của pin Bởi vì ESR thay đổi theo các điều kiện và thời gian hoạt động khác nhau, ước tính ESR trong thời gian thực cho phép ước tính SoC chính xác hơn

Hình 2 cho thấy lỗi của một lần đọc đồng bộ so với đọc không đồng bộ

Hình 2 So sánh các lỗi SOC có và không đọc đồng bộ

Kiểm soát lỗi trực tiếp AFE
Như đã đề cập trước đó, vai trò quan trọng nhất mà AFE đóng trong BMS là quản lý bảo vệ AFE có thể trực tiếp điều khiển mạch bảo vệ, bảo vệ hệ thống và pin khi phát hiện lỗi Một số hệ thống thực hiện kiểm soát lỗi trong MCU, nhưng điều này dẫn đến thời gian phản hồi dài hơn và đòi hỏi nhiều tài nguyên hơn từ MCU, làm tăng sự phức tạp của phần sụn
Advanced AFE sử dụng cấu hình người dùng và đọc ADC để phát hiện mọi điều kiện thất bại AFE phản ứng với các thất bại bằng cách bật MOSFET bảo vệ để đảm bảo bảo vệ phần cứng thực sự Theo cách này, MCU có thể hoạt động như một cơ chế bảo vệ thứ cấp cho sự bảo mật và mạnh mẽ cao hơn

Bảo vệ pin cho các phép đo điện áp cao và thấp
Khi thiết kế BMS, điều quan trọng là phải xem xét nơi đặt bộ ngắt mạch được bảo vệ bằng pin Thông thường, các mạch này được triển khai bằng MOSFET kênh N vì chúng có điện trở bên trong thấp hơn so với MOSFET kênh P Các bộ ngắt mạch này có thể được đặt ở phía điện áp cao (đầu cực dương của pin) hoặc phía điện áp thấp (đầu cực âm của pin)
Kiến trúc phía cao đảm bảo nền tảng tốt (GND) để tránh các vấn đề bảo mật và giao tiếp tiềm năng trong trường hợp ngắn mạch Ngoài ra, kết nối GND sạch, ổn định giúp giảm biến động tín hiệu tham chiếu, là chìa khóa để hoạt động MCU chính xác
Tuy nhiên, khi các mosfet kênh N được đặt ở đầu dương của ô, việc lái cổng của chúng đòi hỏi điện áp cao hơn so với bộ pin, khiến quá trình thiết kế trở nên khó khăn hơn Do đó, các máy bơm điện tích chuyên dụng được tích hợp vào AFE thường được sử dụng trong các kiến ​​trúc cao cấp, làm tăng chi phí tổng thể và mức tiêu thụ hiện tại của IC
Đối với các cấu hình cấp thấp, không cần phải bơm điện tích, nhưng khó có thể đạt được giao tiếp hiệu quả hơn trong các cấu hình bên điện áp thấp vì không có tham chiếu GND khi bật bảo vệ

Cân bằng pin để kéo dài thời lượng pin
Một bộ pin năng lượng thường bao gồm một số ô nối tiếp và song song Mỗi ô là về mặt lý thuyết, nhưng mỗi tế bào thường hoạt động hơi khác nhau do dung sai sản xuất và sự khác biệt hóa học Theo thời gian, những khác biệt này trở nên quan trọng hơn, vì vậy cân bằng pin là điều cần thiết
Cân bằng thụ động là phương pháp phổ biến nhất, đòi hỏi phải xả pin sạc nhất cho đến khi tất cả đều có điện tích bằng nhau Đơn vị thụ động cân bằng trong AFE có thể được thực hiện bên ngoài hoặc bên trong Cân bằng bên ngoài cho phép dòng cân bằng lớn hơn, nhưng cũng làm tăng BOM (như trong Hình 3)

Hình 3 Sơ đồ cân bằng pin bên ngoài

Mặt khác, cân bằng bên trong không làm tăng BOM, nhưng nó thường giới hạn dòng điện cân bằng xuống giá trị thấp hơn do tản nhiệt (Hình 4) Khi xác định số dư bên trong và bên ngoài, chi phí của phần cứng bên ngoài và dòng cân bằng mục tiêu cần được xem xét

Hình 4 Sơ đồ khối cân bằng đơn vị nội bộ