Fonction principale du système de gestion de la batterie

Fonction principale du système de gestion de la batterie : gestion de l'équilibre

Une fonction importante du système de gestion de la batterie est de maintenir le même état de charge (SOC) dans le bloc-batterie, ce qui implique l'égalisation de l'état. La batterie est fabriquée conformément aux spécifications, mais la tension ou l'état de charge de la batterie peut ne pas être constant à la sortie de l'usine. En outre, comme la plupart des autres batteries, les batteries lithium-ion peuvent fuir ou s'autodécharger avec le temps. Par exemple, si la batterie est expédiée avec 3,7 V et 100%SOC, lorsque la cellule arrive à l'assemblage, le SOC est peut-être tombé à 99,5%.

Pourquoi le système de gestion de la batterie doit-il effectuer une égalisation de la batterie ?

Les grandes batteries lithium-ion sont généralement composées de centaines ou de milliers de cellules, et le SOC peut être légèrement différent lorsque les cellules atteignent l'ingénieur chargé de l'assemblage de la batterie. Cette différence peut sembler minime, mais elle peut causer beaucoup de problèmes lorsque le système de batterie commence à fonctionner. En effet, la cellule ayant le plus petit SOC limite la capacité de charge et de décharge de la batterie.

Un exemple simple

Un exemple simple peut aider à comprendre la question. Par exemple, si nous avons trois cellules, dont deux ont le même SOC, et que la cellule n° 3 a une capacité légèrement inférieure, c'est-à-dire que l'état du groupe de cellules est inégal. Lorsque toutes les cellules sont déchargées avec le même courant, la cellule no. 1 atteindra son point de terminaison plus tôt que les deux autres cellules, et le bloc-batterie cessera de se décharger, car la poursuite de la décharge endommagera la cellule no. 1. Cela signifie que l'énergie des cellules n°2 et n°3 ne peut pas être complètement libérée, et qu'il restera toujours un héritage de consommation d'énergie de la batterie. Avec l'augmentation de la circulation, les différences de SOC entre la charge et la décharge des batteries augmentent également, la batterie la plus faible travaille plus dur que l'autre, ce qui conduit finalement à une défaillance prématurée des batteries, et même à la défaillance de l'ensemble du système de batterie.

Il est donc très important de veiller à ce que chaque cellule ait le même état d'équilibre, ce qui est un objectif et une fonction importants du système de gestion de la batterie. L'égalisation signifie que le SOC de chaque cellule d'un bloc-batterie atteint un niveau similaire afin de maximiser la capacité de l'ensemble du bloc-batterie.

Quand le système de gestion de la batterie doit-il équilibrer la batterie ?

Si les cellules sont connectées en parallèle, elles sont automatiquement égalisées. Cependant, chaque ensemble de 

Les modules parallèles doivent toujours être équilibrés. Maintenant que nous connaissons l'importance de l'équilibre, nous devons savoir quand nous devons l'équilibrer. La plupart des systèmes de gestion de batterie actuellement sur le marché effectuent l'équilibrage de la batterie pendant que le système de stockage d'énergie est en charge pour les raisons suivantes. Premièrement, l'équilibrage prend généralement beaucoup de temps et, pour mesurer avec précision la capacité et la tension de la batterie dans un système de stockage d'énergie, la batterie doit être hors service. Deuxièmement, pour mesurer avec précision la capacité et la tension de la batterie, il est nécessaire de mettre la batterie hors service.

Pour les véhicules électriques hybrides, l'équilibrage de la batterie peut théoriquement être effectué pendant les longues périodes de conduite à grande vitesse, car la batterie n'est pratiquement pas utilisée pendant cette période. Mais cela soulève une autre question : comment le système de gestion de la batterie sait-il que la voiture est sur l'autoroute et qu'il peut équilibrer la batterie ? En surveillant la vitesse des roues, il pourrait être possible de déterminer l'état du véhicule, mais il faut s'assurer que le véhicule reste sur l'autoroute suffisamment longtemps pour équilibrer la cellule de la batterie.

Un exemple graphique

Nous pouvons utiliser un exemple graphique pour comprendre la méthode d'égalisation des cellules. Imaginez que vous jouez à un jeu dans lequel il y a trois verres sur la table. Vous devez les remplir d'eau et enfin les vider. Mais il faut respecter certaines règles. Tout d'abord, vous devez utiliser des dispositifs spéciaux dotés de canaux afin que les trois verres soient remplis de la même quantité d'eau en même temps. Deuxièmement, si un verre est plein, il faut arrêter de le remplir, même si les autres sont pleins. Troisièmement, il faut utiliser un autre outil pour verser la même quantité d'eau dans trois verres en même temps. Quatrièmement, ils doivent s'arrêter si l'un des gobelets a été vidé. Commencez le jeu maintenant et voyons ce qui se passe. Les états initiaux des trois tasses sont illustrés dans la figure, qui est analogue aux cellules des différents SOC.

Pour mieux montrer les résultats du jeu, nous exagérons la position de l'eau dans l'image. Le résultat est cependant évident : lorsque vous commencez à verser de l'eau dans le verre le long de l'allée, c'est le dernier verre qui se remplit en premier. Vous pouvez maintenant voir que les deux autres verres ont encore de la place pour l'eau, surtout que le premier verre est loin d'être plein.

Comme vous pouvez le voir dans ce jeu, il y a deux façons de réaliser l'égalisation des cellules. L'une consiste à verser de l'eau d'un verre plein. L'autre consiste à transférer de l'eau d'un verre plein à un verre contenant moins d'eau. De la même manière, il existe deux façons d'égaliser les cellules d'une batterie lithium-ion. La plus grande différence entre les deux méthodes est ce qu'il faut faire avec l'énergie des cellules. Dans la section suivante, nous décrirons ces deux approches, appelées égalisation active et passive.

Péréquation passive : l'énergie excédentaire est consommée

Dans l'égalisation passive, l'énergie excédentaire d'une cellule à SOC élevé est consommée. Il existe de nombreuses façons de la consommer, mais l'utilisation la plus courante consiste à convertir l'énergie excédentaire en chaleur à l'aide de résistances électriques. Bien sûr, cela signifie qu'il faut assembler des résistances de la bonne taille sur la carte de circuit imprimé esclave qui surveille la cellule. Une seule résistance est généralement utilisée pour égaliser toutes les cellules, bien que l'égalisation des cellules ne se fasse pas simultanément.

Avantages et inconvénients de la péréquation passive

Le principal avantage de l'égalisation passive est son faible coût, c'est pourquoi les véhicules électriques ordinaires choisissent le plus souvent le système d'égalisation passive. Mais ses inconvénients sont également évidents. Tout d'abord, l'équilibre passif gaspille de l'énergie. Deuxièmement, l'énergie dissipée par la chaleur doit être gérée dans le système de la batterie. Troisièmement, l'égalisation passive a tendance à prendre plus de temps que l'égalisation active.

Péréquation active：excédent d'énergie transféré à une cellule à faible SOC

Dans un système d'égalisation active, l'énergie excédentaire d'une cellule à SOC élevé peut être transférée à une cellule à SOC faible jusqu'à ce que toutes les cellules atteignent le même SOC. Ce processus peut être répété plusieurs fois, jusqu'à ce que toutes les cellules atteignent le même SOC avant que l'égalisation ne s'arrête et que la charge ne reprenne.

Avantages et inconvénients de la péréquation active

L'avantage de l'égalisation active est que l'énergie excédentaire n'est pas gaspillée, mais transférée à d'autres cellules. Toutefois, l'inconvénient de cette approche est que le processus d'égalisation nécessite un matériel complexe, ce qui non seulement augmente le coût, mais prend également de la place dans le bloc-batterie. En outre, chaque cellule doit être connectée électroniquement ou un groupe de cellules doit être relié à une carte de circuit imprimé esclave dans son ensemble.

De nombreuses études antérieures évaluant ces deux systèmes n'ont pas montré les avantages à long terme des systèmes de péréquation active. En d'autres termes, en l'état actuel de la technologie, les deux méthodes d'égalisation ne sont pas aussi fonctionnelles l'une que l'autre, et le coût du système d'égalisation active est relativement plus élevé.

Autres fonctions du système de gestion de la batterie

Outre l'équilibrage, le système de gestion de la batterie a de nombreuses autres fonctions importantes. Par exemple, un système de stockage d'énergie sans égalisation peut encore fonctionner, bien que l'égalisation de la capacité ait un impact significatif sur la durée de vie du bloc-batterie. Cependant, la surveillance de la température et de la tension de la cellule et du bloc-batterie est essentielle à la sécurité du système. Par conséquent, l'une des tâches principales du système de gestion de la batterie est de veiller à ce que le système de batterie et la cellule fonctionnent en toute sécurité, notamment en surveillant le courant du bloc-batterie, la tension et la température de la cellule.

Surveillance du courant de la batterie

Le contrôle du courant de la batterie permet de déterminer la puissance disponible dans le système lors de la charge et de la décharge. Il est important que le système de gestion de la batterie surveille chaque cellule d'une batterie en série (si la cellule est en parallèle, la plupart des systèmes de gestion de la batterie la traiteront comme une seule cellule) parce que la tension de charge de la cellule dépasse la tension maximale ou que la tension de décharge tombe en dessous de la tension minimale. Ces données peuvent aider le système à déterminer quand commencer la charge et quand arrêter la décharge. La surveillance et la gestion de la température de la cellule est une autre fonction importante, car un fonctionnement continu dans des conditions extrêmes non seulement réduit la durée de vie de la cellule, mais augmente également le risque d'emballement thermique de la cellule. Le système de gestion de la batterie peut indiquer au système si la cellule doit être chauffée ou refroidie.

Communiquer avec des systèmes externes

Une autre fonction importante du système de gestion de la batterie est la communication avec les systèmes externes. De nombreux systèmes avancés de gestion de la batterie peuvent recevoir des informations du véhicule ou du contrôleur du moteur et envoyer des informations en retour. En général, le système de gestion de la batterie peut envoyer des requêtes pour réduire ou arrêter la décharge de la batterie, puis envoyer des données sur l'état de la batterie (comme la capacité et l'énergie restantes de la batterie), qui peuvent être converties en kilométrage ou en durée de vie pour l'utilisateur.

Contrôler le contact

Enfin, le système de gestion de la batterie peut également décider quand activer et désactiver le contact dans le système, c'est-à-dire contrôler le courant circulant de la batterie vers le moteur, ou du système de charge vers la batterie pour la charger.

Système de gestion de la batterie système de contrôle logiciel

Le logiciel, le contrôleur du système de gestion de la batterie, contrôle tout. La plupart des fabricants considèrent le logiciel comme la technologie de base, car il contrôle l'ensemble du système de gestion de la batterie. La plupart du matériel peut être basé sur des composants prêts à l'emploi, mais le logiciel nécessite une conception personnalisée, consistant non seulement en des milliers de lignes de code de programmation, mais le code peut impliquer de nombreux algorithmes. Le logiciel de contrôle utilise une série de formules mathématiques et de méthodes de calcul pour comprendre les différents états (SOx) de toutes les batteries à différents moments, tels que l'énergie et la puissance actuellement disponibles, le SOC actuel, la quantité de SOC restante, la durée de vie restante de la batterie, etc. Cet algorithme est généralement basé sur des modèles très complexes et repose sur une sorte de système et de structure de la cellule.

Dans la plupart des cas, le concepteur d'un système de gestion de batterie étudie une cellule en fonctionnement dans un environnement de laboratoire contrôlé afin de comprendre comment elle fonctionne dans différentes conditions, puis la traduit en code. Grâce à une série d'étapes répétées, les concepteurs de logiciels peuvent finalement concevoir un algorithme qui prédit avec précision les performances de la cellule dans la plupart des conditions.

La conception du système de gestion de la batterie est si complexe qu'un système de gestion de la batterie adapté à un type chimique de cellule peut ne pas être adapté à d'autres types chimiques de cellules. Par exemple, une cellule NMC typique fonctionne à 3,7 V, alors qu'une cellule LFP fonctionne à 3,3 V et qu'une cellule LTO fonctionne à 2,2 V. Par conséquent, tous les algorithmes doivent connaître les tensions les plus élevées et les plus basses auxquelles la cellule peut fonctionner. Plusieurs fabricants de systèmes de gestion de batterie ont développé des logiciels différents pour gérer leur matériel en fonction des différents types d'applications de batterie.