Com o rápido desenvolvimento de novos veículos energéticos, a aplicação do BMS se tornou comum O BMS é responsável por monitorar e proteger a bateria contra condições que podem prejudicar a bateria, o veículo, o usuário ou o ambiente circundante O BMS também é responsável por fornecer estimativas precisas do SOC e SOH para garantir que o desempenho da bateria e a degradação da capacidade sejam minimizados durante todo o ciclo de vida da bateria, garantindo a experiência de condução do usuário

A estrutura principal de um BMS normalmente consiste em três ICs: um front -end analógico (AFE), um microcontrolador (MCU) e um coulômetro (Figura 1) O coulômetro pode ser um IC independente ou incorporado no MCU O MCU é o componente central do BMS e, embora conectado ao restante do sistema, também obtém informações do AFE e do coulômetro

Figura 1 Diagrama de blocos de arquitetura BMS

O AFE fornece informações de tensão, temperatura e corrente para células e módulos para MCUs e coulômetros Como o AFE está fisicamente mais próximo da bateria, o AFE também pode controlar o disjuntor, que desconectará a bateria do restante do sistema se alguma falha for acionada
O Coulometer IC pega as informações celulares do AFE e, em seguida, usa modelagem de células sofisticadas e algoritmos avançados para estimar os principais parâmetros, como SOC e SOH As funções do coulometer podem ser implementadas através de um MCU, mas há várias vantagens em usar um IC do coulometer dedicado:

· Design eficiente: o uso de ICs dedicados para executar algoritmos complexos permite que os designers usem MCUs de menor especificação, reduzindo o custo geral e o consumo atual
· Segurança aprimorada: um coulômetro dedicado mede o SOC e SOH individuais para cada combinação de células em tandem em uma bateria, permitindo uma precisão mais precisa da medição e detecção de envelhecimento durante todo o ciclo de vida da bateria Isso é importante porque a impedância e a capacidade da bateria divergem ao longo do tempo, afetando o tempo de atividade e a segurança

Melhorar a precisão do SOC e SOH
O principal objetivo de projetar um BMS de alta precisão é fornecer cálculos precisos para o SOC e o SOH da bateria Os designers do BMS podem pensar que a única maneira de conseguir isso é usar as AFEs de maior precisão, mas esse é apenas um fator na precisão computacional geral Os fatores mais importantes são o modelo da bateria do Coulometer e o algoritmo de cálculo do coulômetro, seguido pela capacidade do AFE de fornecer leituras síncronas de corrente de tensão para o cálculo da resistência à bateria
O coulômetro converte medições de tensão, corrente e temperatura em saídas SOC e SOH, analisando as informações calculadas em tempo real pelo algoritmo em relação a um modelo de bateria específico armazenado em sua memória O modelo de célula é gerado caracterizando a célula sob diferentes condições de temperatura, capacidade e carga, definindo matematicamente sua tensão de circuito aberto, bem como seus componentes de resistência e capacitância Este modelo permite que o algoritmo do coulômetro calcule o SOC ideal com base na variação desses parâmetros em diferentes condições operacionais Portanto, se o modelo ou algoritmo da bateria do coulômetro for impreciso, o cálculo será impreciso, independentemente da precisão com que a medição é feita pela AFE

Tensão e leitura síncrona atual
Embora quase todos os AFEs ofereçam ADCs diferentes para tensão e corrente, nem todos os AFEs oferecem medições reais de corrente síncrona e tensão para cada célula Esse recurso, chamado de leitura síncrona de corrente de tensão, permite que o coulômetro estime com precisão a resistência à série equivalente (ESR) da bateria Como a ESR varia com diferentes condições operacionais e tempo, a estimativa de ESR em tempo real permite estimativas SOC mais precisas

A Figura 2 mostra o erro de uma leitura sincronizada versus uma leitura não sincronizada

Figura 2 Comparação de erros do SOC com e sem leitura síncrona

AFE Controle de falha direta
Como mencionado anteriormente, o papel mais importante que a AFE desempenha em um BMS é o gerenciamento de proteção O AFE pode controlar diretamente o circuito de proteção, protegendo o sistema e a bateria quando uma falha é detectada Alguns sistemas implementam o controle de falhas no MCU, mas isso resulta em tempos de resposta mais longos e requer mais recursos do MCU, aumentando a complexidade do firmware
O AFE ADVANCED usa sua leitura do ADC e configuração do usuário para detectar quaisquer condições de falha O AFE responde a falhas, ativando um MOSFET de proteção para garantir a verdadeira proteção de hardware Dessa forma, o MCU pode atuar como um mecanismo de proteção secundária para maior segurança e robustez

Proteção à bateria para medições de alta e baixa tensão
Ao projetar um BMS, é importante considerar onde o disjuntor protegido pela bateria é colocado Normalmente, esses circuitos são implementados usando MOSFETs de canal N porque têm menor resistência interna em comparação com os MOSFETs de canal P Esses disjuntores podem ser colocados no lado de alta tensão (o terminal positivo da bateria) ou o lado de baixa tensão (o terminal negativo da bateria)
A alta arquitetura lateral garante uma boa base (GND) para evitar possíveis problemas de segurança e comunicação em caso de curto -circuito Além disso, uma conexão GND limpa e estável ajuda a reduzir as flutuações de sinal de referência, que são essenciais para a operação precisa da MCU
No entanto, quando os MOSFETs de canal n são colocados na extremidade positiva da célula, dirigir seu portão requer uma tensão maior que a da bateria, tornando o processo de design mais desafiador Portanto, as bombas de carga especializadas integradas à AFE são frequentemente usadas em arquiteturas de ponta, o que aumenta o custo geral e o consumo atual de IC
Para configurações de baixo custo, as bombas de carga não são necessárias, mas é mais difícil obter uma comunicação eficaz em configurações laterais de baixa tensão, porque não há referência do GND quando a proteção é ativada

Balanço da bateria para prolongar a duração da bateria
Uma bateria de energia geralmente consiste em várias células em série e paralelas Cada célula é teoricamente idêntica, mas cada célula geralmente se comporta de maneira ligeiramente diferente devido a tolerâncias de fabricação e diferenças químicas Com o tempo, essas diferenças se tornam mais significativas, portanto o equilíbrio da bateria é essencial
A equalização passiva é o método mais comum, que requer descarregar as baterias mais carregadas até que todas elas tenham cobranças iguais O balanceamento passivo da unidade no AFE pode ser feito externamente ou internamente O balanceamento externo permite uma corrente de equilíbrio maior, mas também aumenta a BOM (como mostrado na Figura 3)

Figura 3 Diagrama de balanço da bateria externo

O balanço interno, por outro lado, não aumenta a BOM, mas geralmente limita a corrente do saldo a um valor mais baixo devido à dissipação de calor (Figura 4) Ao determinar o equilíbrio interno e externo, o custo do hardware externo e o balanço -alvo precisam ser considerados

Figura 4 Diagrama de bloco de equilíbrio unitário interno