Với số lượng xe điện ngày càng tăng, hệ thống quản lý năng lượng pin ngày càng trở nên quan trọng bên cạnh việc tìm kiếm loại pin có mật độ năng lượng cao và độ an toàn cao. Các loại pin khác nhau có các đặc tính khác nhau và ngay cả khi các đặc tính của cùng một loại pin không nhất quán, trong quá trình sử dụng sẽ có khả năng xảy ra tai nạn do giãn nở. Vì vậy, việc quản lý hiệu quả hệ thống ắc quy điện để đảm bảo an toàn cho xe điện là vô cùng quan trọng. Đồng thời, cần đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống ắc quy, kéo dài tuổi thọ ắc quy và nâng cao hiệu quả sử dụng ắc quy.

Cấu tạo và nguyên lý hệ thống Battery Management.

Hệ thống quản lý pin (BMS), cụ thể là Hệ thống quản lý pin, xác định trạng thái của toàn bộ hệ thống pin bằng cách phát hiện trạng thái của từng pin trong bộ pin và thực hiện điều chỉnh điều khiển tương ứng và triển khai chiến lược cho hệ thống pin điện theo đến trạng thái của họ, để thực hiện quản lý sạc và xả của hệ thống pin nguồn và từng đơn vị để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của hệ thống pin nguồn.

Cấu trúc cấu trúc liên kết điển hình của hệ thống quản lý pin chủ yếu được chia thành hai phần: mô-đun điều khiển chính và mô-đun điều khiển phụ. Cụ thể, nó bao gồm bộ xử lý trung tâm (mô-đun điều khiển chính), mô-đun thu thập dữ liệu, mô-đun phát hiện dữ liệu, mô-đun đơn vị hiển thị, các thành phần điều khiển (thiết bị cầu chì, rơle), v.v. Nói chung, giao tiếp thông tin dữ liệu giữa các mô-đun được thực hiện bằng cách sử dụng công nghệ bus CAN bên trong.
Dựa trên các chức năng của từng mô-đun, BMS có thể phát hiện thời gian thực điện áp, dòng điện, nhiệt độ và các thông số khác của pin nguồn, thực hiện quản lý nhiệt, quản lý cân bằng, phát hiện điện áp cao và cách điện của pin nguồn và tính toán dung lượng còn lại, công suất sạc và xả cũng như trạng thái SOC&SOH của pin nguồn.

Các chức năng cơ bản của hệ thống Quản lý Pin.

Các chức năng cơ bản của hệ thống quản lý pin có thể được chia thành ba phần: phát hiện, quản lý và bảo vệ. Cụ thể, nó bao gồm các chức năng như thu thập dữ liệu, theo dõi tình trạng, điều khiển cân bằng, quản lý nhiệt, bảo vệ an ninh, v.v.
(I) thu thập dữ liệu.
Là cơ sở và tiền đề của các chức năng khác trong hệ thống quản lý pin, độ chính xác và tốc độ thu thập dữ liệu có thể phản ánh những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống quản lý pin. Các chức năng khác của hệ thống quản lý như phân tích trạng thái SOC, quản lý cân bằng, quản lý nhiệt, v.v., dựa trên dữ liệu thu thập được để phân tích và xử lý.
Các đối tượng thu thập dữ liệu nói chung là điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Trong quá trình sử dụng thực tế, hiệu suất điện hóa của pin khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau, dẫn đến năng lượng do pin giải phóng khác nhau. Pin nguồn lithium-ion rất nhạy cảm với điện áp và nhiệt độ, vì vậy ảnh hưởng của nhiệt độ phải được tính đến khi đánh giá SOC của pin.

(II) Phân tích trạng thái.

Việc phân tích trạng thái pin chủ yếu bao gồm hai khía cạnh: lượng pin còn lại và mức độ lão hóa của pin, cụ thể là đánh giá SOC và đánh giá SOH. SOC cho phép người lái xe nhận thông tin trực tiếp về tác động của lượng điện năng còn lại đối với quãng đường đi được. Ở giai đoạn hiện tại, rất nhiều nghiên cứu tập trung vào phân tích SOC, không ngừng cải thiện độ chính xác của nó. Việc phân tích SOC sẽ bị ảnh hưởng bởi SOH. SOH của pin liên tục bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và dòng điện trong quá trình sử dụng nên cần được phân tích liên tục để đảm bảo độ chính xác của phân tích SOC.
Trong phân tích SOC, có phương pháp đo điện tích, phương pháp điện áp mạch hở, phương pháp lọc Kalman, thuật toán mạng thần kinh nhân tạo và phương pháp logic mờ, v.v. Phương pháp đo điện tích và phương pháp điện áp mạch mở được giới thiệu ngắn gọn ở đây.
(1) phương pháp đo điện tích.
Phương pháp đo điện tích tính toán SOC thông qua số liệu thống kê về điện tích mà pin đã sạc và xả trong một khoảng thời gian, tức là sự tích lũy dòng điện theo thời gian. Mặc dù đây là phương pháp đo được sử dụng phổ biến nhất, nhưng nó sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác của dữ liệu, khả năng tự phóng điện, v.v. Ví dụ, do cảm biến dòng điện thiếu độ chính xác, nên có sai số giữa dòng điện dùng để tính tích phân và giá trị thực, khiến độ lệch của kết quả SOC ngày càng lớn. Vì vậy, khi sử dụng phương pháp đo điện tích, chúng ta cần sử dụng một số thuật toán hiệu chỉnh để hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng nhằm giảm sai số của kết quả tính toán và phân tích.
(2) Phương pháp điện áp hở mạch.
Phương pháp điện áp hở mạch là đo điện áp hở mạch của pin khi pin ở trạng thái tĩnh để tính SOC của pin. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi sử dụng phương pháp điện áp mạch hở, người ta thường coi rằng có một mối quan hệ tuyến tính nhất định giữa SOC và EMF và bất kỳ giá trị SOC nào chỉ tương ứng với một giá trị EMF. Hiệu ứng lò xo điện áp phải được tính đến khi sử dụng phương pháp điện áp mạch hở và SOC được tính toán sẽ quá nhỏ khi điện áp không phục hồi về giá trị ổn định. So với phương pháp đo điện áp, phương pháp điện áp mạch hở không thể được sử dụng khi pin hoạt động bình thường, đây là vấn đề lớn nhất của nó.

Rất khó để đo SOC chính xác ở giai đoạn này, ví dụ, độ không chính xác của dữ liệu lấy mẫu do độ chính xác của cảm biến và nhiễu điện từ dẫn đến sai lệch của phân tích trạng thái. Ngoài ra, sự không nhất quán của pin, dữ liệu lịch sử và sự không chắc chắn của điều kiện hoạt động cũng có tác động lớn đến việc tính toán SOC.

(III) kiểm soát cân bằng.
Do ảnh hưởng của môi trường sản xuất và làm việc, bộ phận tế bào không nhất quán và có sự khác biệt về điện áp, công suất, điện trở trong và các đặc tính khác, dẫn đến công suất hiệu quả và khả năng sạc và xả của từng tế bào trong quá trình sử dụng thực tế khác nhau . Do đó, để đảm bảo hiệu suất tổng thể của hệ thống pin và kéo dài tuổi thọ, việc cân bằng pin để giảm sự khác biệt giữa các ô đơn lẻ là rất cần thiết.
Quản lý cân bằng góp phần duy trì dung lượng pin và kiểm soát độ sâu xả. Nếu không có kiểm soát cân bằng pin, do cài đặt chức năng bảo vệ của hệ thống quản lý pin, sẽ có hiện tượng khi một pin được sạc đầy, các pin khác không được sạc đầy hoặc khi xả một pin. pin có công suất tối thiểu bị cắt, các pin khác chưa đạt đến giới hạn cắt xả. Khi pin được sạc hoặc xả quá mức, một số phản ứng hóa học không thể đảo ngược sẽ xảy ra trong pin, ảnh hưởng đến tính chất của pin, do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin.
Theo cấu trúc mạch và chế độ điều khiển trong quản lý cân bằng, cái trước được chia thành cân bằng tập trung và cân bằng phân tán, và cái sau được chia thành cân bằng chủ động và cân bằng thụ động. Cân bằng tập trung có nghĩa là tất cả các đơn vị pin trong bộ pin chia sẻ một bộ cân bằng duy nhất để điều khiển cân bằng, trong khi cân bằng phân tán là bộ cân bằng dành riêng cho một hoặc nhiều ô pin. Cái trước có ưu điểm là giao tiếp đơn giản và trực tiếp và tốc độ cân bằng nhanh. Tuy nhiên, việc bố trí dây nối giữa bộ ắc quy và bộ cân bằng phức tạp nên không phù hợp với hệ thống ắc quy có số lượng lớn. Cái sau có thể giải quyết vấn đề khai thác của cái trước, nhưng nhược điểm là chi phí cao.
Trạng thái cân bằng chủ động hay còn gọi là trạng thái cân bằng không tiêu hao, hình ảnh lý thuyết là sự truyền năng lượng giữa các đơn vị pin. Năng lượng trong tế bào có năng lượng cao được chuyển đến các monome có năng lượng thấp để đạt được mục đích cân bằng năng lượng. Loại thụ động là trạng thái cân bằng tiêu tán, tiêu thụ năng lượng của monome năng lượng cao đến trạng thái cân bằng với các monome khác bằng điện trở song song. Trạng thái cân bằng chủ động hiệu quả và năng lượng được truyền đi thay vì tiêu hao, nhưng cấu trúc phức tạp dẫn đến tăng chi phí.

IV) Quản lý nhiệt.
Hệ thống pin trong các điều kiện hoạt động khác nhau do điện trở bên trong của chính nó, ở công suất đầu ra, năng lượng điện đồng thời tạo ra một lượng nhiệt nhất định, dẫn đến tích tụ nhiệt làm tăng nhiệt độ pin, cách bố trí không gian khác nhau khiến nhiệt độ pin thay đổi. không nhất quán. Khi nhiệt độ của pin vượt quá phạm vi nhiệt độ hoạt động bình thường, phải hạn chế nguồn điện, nếu không tuổi thọ của pin sẽ bị ảnh hưởng. Để đảm bảo hiệu suất điện và tuổi thọ của hệ thống pin, hệ thống pin điện thường được thiết kế với hệ thống quản lý nhiệt. Hệ thống quản lý nhiệt của pin là một bộ hệ thống quản lý được sử dụng để đảm bảo hệ thống pin hoạt động trong phạm vi nhiệt độ phù hợp, chủ yếu bao gồm hộp pin, môi trường truyền nhiệt,
Chức năng chính của hệ thống quản lý pin trong quản lý nhiệt là đo và theo dõi chính xác nhiệt độ của pin. Khi nhiệt độ pin quá cao, hệ thống tản nhiệt và thông gió hiệu quả được sử dụng để đảm bảo trường nhiệt độ pin phân bố đồng đều. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, bộ pin có thể được làm nóng nhanh chóng để đạt được môi trường làm việc bình thường.

(V) An ninh và bảo vệ.
Là chức năng quan trọng nhất của toàn bộ hệ thống quản lý pin, bảo vệ an toàn dựa trên bốn chức năng đầu tiên. Nó chủ yếu bao gồm bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá tải và xả, bảo vệ quá nhiệt và giám sát cách điện.
(1) bảo vệ quá dòng.
Do pin có điện trở trong nhất định nên khi pin hoạt động, dòng điện chạy qua sẽ gây ra nhiệt bên trong pin, tích tụ nhiệt tăng dẫn đến nhiệt độ pin tăng, dẫn đến nhiệt độ giảm. ổn định của pin. Đối với pin lithium-ion, khả năng khử xen kẽ của vật liệu điện cực dương và âm là chắc chắn. Khi dòng điện sạc và xả lớn hơn khả năng khử xen kẽ của nó, điện áp phân cực của pin sẽ tăng lên và dung lượng thực tế của pin sẽ giảm và ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó sẽ ảnh hưởng đến sự an toàn của pin. Hệ thống quản lý pin sẽ đánh giá xem giá trị hiện tại có vượt quá phạm vi an toàn hay không và nếu vượt quá,
(2) bảo vệ quá tải và xả quá mức.
Trong quá trình sạc, khi điện áp sạc vượt quá điện áp sạc ngắt của pin, cấu trúc mạng dương sẽ bị phá hủy và dung lượng pin sẽ nhỏ hơn. Và khi điện áp quá cao, nó sẽ gây ra nguy cơ nổ tiềm ẩn ở cực dương và cực âm ngắn mạch. Sạc quá mức bị nghiêm cấm. BMS phát hiện điện áp của một pin duy nhất trong hệ thống và khi điện áp vượt quá giới hạn sạc, BMS sẽ ngắt mạch sạc để bảo vệ hệ thống pin.
Trong quá trình xả, khi điện áp xả thấp hơn điện áp cắt xả của ắc quy, chất thu kim loại trên điện cực âm của ắc quy sẽ bị hòa tan, gây hư hỏng không thể phục hồi cho ắc quy. Khi sạc pin đã xả quá mức, có thể xảy ra hiện tượng đoản mạch hoặc rò rỉ bên trong. Khi điện áp vượt quá điện áp giới hạn xả, BMS sẽ mở mạch để bảo vệ hệ thống ắc quy.
(3) bảo vệ quá nhiệt.
Để bảo vệ quá nhiệt cần kết hợp với các chức năng quản lý nhiệt trên. Hoạt động của pin khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong một thời gian dài, độ ổn định cấu trúc của vật liệu pin sẽ trở nên kém hơn và rút ngắn tuổi thọ của pin. Việc hạn chế hoạt động của pin ở nhiệt độ thấp sẽ làm giảm dung lượng khả dụng, đặc biệt là dung lượng sạc sẽ trở nên rất thấp và có thể gây ra rủi ro về an toàn. Hệ thống quản lý pin có thể cấm sạc và xả khi nhiệt độ pin vượt quá giới hạn nhiệt độ cao hoặc thấp hơn giới hạn nhiệt độ thấp.
(4) Giám sát cách nhiệt.
Chức năng giám sát cách điện cũng là một trong những chức năng quan trọng đảm bảo an toàn cho hệ thống ắc quy. Điện áp của hệ thống pin thường là vài trăm vôn, một khi rò rỉ xảy ra sẽ gây nguy hiểm cho nhân viên, vì vậy chức năng giám sát cách điện là rất quan trọng. BMS sẽ theo dõi điện trở cách điện của tổng dương và âm đối với cơ thể sắt trong thời gian thực. Nếu điện trở cách điện thấp hơn khoảng an toàn sẽ báo lỗi và ngắt điện áp cao.
Thiết kế hệ thống và yêu cầu kỹ thuật.

Khi thiết kế hệ thống quản lý pin, trước tiên chúng ta cần xác định chức năng của BMS theo yêu cầu thiết kế của toàn bộ phương tiện, sau đó xác định cấu trúc liên kết của nó, tiếp theo là thiết kế phần mềm và phần cứng của công việc chính. Sau khi hoàn thành công việc cơ bản trên, chúng ta cần tiến hành kiểm tra thiết bị BMS và kiểm tra tổng thể bộ pin nguồn. Trước khi thiết kế phần mềm và phần cứng, việc sạc và xả, dung lượng, điện trở và các đặc tính khác của pin đơn cần được kiểm tra để bảo vệ tốt hơn thiết kế mạch, thiết kế thuật toán, v.v.
Thiết kế phần cứng nên được kết hợp với các yêu cầu của thuật toán phần mềm và cần chú ý đến cách điện áp, chống nhiễu điện từ, tương thích điện từ, cách ly giao tiếp, thông gió và tản nhiệt trong quá trình phát triển bảng mạch và thiết kế linh kiện. Các chức năng thiết kế phần mềm chung bao gồm phát hiện điện áp, thu thập nhiệt độ, phát hiện dòng điện, phát hiện cách điện, ước tính SOC, giao tiếp CAN, chức năng cân bằng xả, chức năng tự kiểm tra hệ thống, chức năng phát hiện hệ thống, quản lý sạc, quản lý nhiệt, v.v.
Thiết kế phần cứng liên quan hỗ trợ các chức năng của thiết kế phần mềm, chẳng hạn như mô-đun MCU được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu, gửi và nhận tín hiệu điều khiển và mô-đun phát hiện dòng điện là để thu thập dòng sạc và dòng xả của bộ pin trong quá trình quá trình sạc và xả.