Algorithmes logiciels et stratégies de contrôle pour la batterie de lithium BMS

Au moment où la nouvelle industrie de l'énergie est en plein essor, les batteries au lithium sont largement utilisées dans les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie et d'autres domaines en raison de leurs avantages tels que la densité d'énergie élevée et la durée de vie à cycle long. En tant que composant central du système de batterie au lithium, ses algorithmes logiciels et ses stratégies de contrôle sont directement liés aux performances, à la sécurité et à la durée de vie de la batterie au lithium. Cet article mènera des discussions approfondies sur les algorithmes logiciels et les stratégies de contrôle des BMS de batterie au lithium, et se concentre sur l'introduction de technologies avancées et de cas d'application dans l'industrie.

1. Les fonctions de base et l'architecture logicielle de Batteres de lithium BMS

Fonctions de base

• Surveillance de l'état de la batterie:Collecte en temps réel de paramètres clés tels que la tension, le courant, la température et d'autres paramètres clés de la batterie, en fournissant des données pour les stratégies d'estimation et de contrôle de l'état ultérieur.
• Estimation de l'état de la batterie:L'estimation avec précision de l'état de charge (SOC), de l'état de santé (SOH) et de l'état de puissance (SOP) de la batterie est la clé de la gestion intelligente de la batterie par le BMS.
• Gestion de l'équilibrage des batteries:Grâce à l'équilibrage actif ou passif, assurez la cohérence de chaque seule cellule dans la batterie et prolongez la durée de vie de la batterie.
• Contrôle de charge et de décharge:Selon les exigences de l'état et des conditions de travail de la batterie, le processus de charge et de décharge est raisonnablement contrôlé pour éviter la survenue de conditions anormales telles que la surcharge et la surdécharge.
• Contrôle de la gestion thermique:Surveillez la température de la batterie et prenez des mesures appropriées, telles que l'activation du film de refroidissement ou de chauffage du ventilateur, pour vous assurer que la batterie fonctionne dans la plage de température appropriée, améliorant les performances et la sécurité de la batterie.
• Diagnostic et protection des défauts:Surveillance en temps réel de l'état de fonctionnement du système de batterie, détection et diagnostic en temps opportun des défauts, et prendre des mesures de protection, telles que la coupe du circuit, l'alarme, etc., pour éviter l'expansion des défauts et assurer la sécurité du système.

Architecture logicielle

• Système d'exploitation en temps réel (RTOS) ou programmes à métal nu:Responsable du contrôle de synchronisation et de la planification des tâches pour s'assurer que les fonctions du BMS peuvent être exécutées en temps réel et efficacement.
• Logiciel de couche d'application:La mise en œuvre des fonctions centrales telles que l'estimation de l'état de la batterie, le contrôle de la charge et de la décharge, et le diagnostic des défauts est un élément clé de BMS gérant intelligemment les batteries.
• Interface utilisateur:Fournit la visualisation des données, la configuration des paramètres du système et les informations de diagnostic pour faciliter les utilisateurs pour surveiller et utiliser le système BMS.

2. Algorithme d'estimation de l'état de la batterie

Estimation du SOC

• Méthode d'intégration amphibie:Calculez la charge de charge et de décharge de la batterie en intégrant le courant, obtenant ainsi la valeur SOC. Cette méthode est simple et facile à utiliser, mais elle est facilement affectée par des facteurs tels que l'accumulation d'erreurs du capteur de courant et l'auto-décharge de la batterie pendant l'utilisation à long terme, entraînant une augmentation de l'erreur d'estimation.
• Méthode de tension de circuit ouvert:Estimation basée sur la correspondance entre la tension du circuit ouvert de la batterie et du SOC. Une fois que la batterie est laissée pour se tenir debout pendant une période, la tension de circuit ouvert est mesurée et comparée à la courbe de tension de circuit ouvert préétabli pour obtenir la valeur SOC actuelle. Cette méthode a une précision élevée, mais en raison de facteurs tels que la température de la batterie et le vieillissement, la courbe de tension de circuit ouvert changera et une compensation sera requise.
• Méthode de filtrage de Kalman:est un algorithme récursif basé sur le modèle d'espace d'état, qui peut fusionner plusieurs informations de source telles que la tension de la batterie, le courant, la température, etc., mettre à jour les estimations du SOC en temps réel et supprimer le bruit de mesure et les erreurs de modèle. Il a une précision d'estimation élevée et une forte capacité d'anti-ingérence. C'est l'une des méthodes d'estimation du SOC les plus avancées à l'heure actuelle, mais le volume de calcul est relativement important et a des exigences élevées pour les performances du processeur. Par exemple, lors du traitement des systèmes non linéaires, l'algorithme de filtrage Kalman étendu (EKF) estime le SOC de la batterie par approximation linéarise, qui peut contrôler l'erreur d'estimation à moins de 5%.

Évaluation SOH

• Méthode de test de capacité:SOH est déterminé en effectuant un cycle de charge et de décharge complet de la batterie et en mesurant le rapport de sa capacité réelle à la capacité nominale. Cette méthode a une précision élevée, mais nécessite une charge profonde et une décharge de la batterie, ce qui prend beaucoup de temps et aura un certain effet de vieillissement sur la batterie. Il est généralement utilisé pour les tests hors ligne et l'évaluation de la batterie.
• Méthode de test de résistance interne:La résistance interne d'une batterie augmente avec l'augmentation du vieillissement. Le SOH peut être estimé en mesurant les changements dans la résistance interne de la batterie. Cependant, lorsqu'il est utilisé seul, cette méthode est sensible aux facteurs tels que la température et le SOC, et une évaluation complète est nécessaire en combinaison avec d'autres méthodes.
• Méthode de reconnaissance du modèle de données:Utilisez des algorithmes d'apprentissage automatique, tels que des réseaux de neurones artificiels, des machines à vecteurs de support, etc. pour apprendre et analyser les données historiques de la batterie et les données d'exécution en temps réel, établir le modèle d'état de santé d'une batterie et prédire SOH en fonction des données de fonctionnalité d'entrée. Cette méthode peut exploiter des relations non linéaires complexes dans les données de la batterie, avec une précision et une adaptabilité d'estimation élevée, mais nécessite une grande quantité de données de formation et de capacités de traitement et d'analyse professionnelles.

3. Stratégie de contrôle de l'équilibre des batteries

Égalisation passive

• Principe:En connectant les résistances dans la batterie, l'excès d'énergie électrique d'une seule cellule avec une tension plus élevée est consommé sous forme d'énergie thermique, de sorte que les tensions de chaque cellule unique ont tendance à être cohérentes.
• Avantages:Circuit simple, faible coût, technologie mature et haute fiabilité.
• Inconvénients:Taux d'utilisation de faible énergie, adapté uniquement au processus de charge, à une vitesse d'égalisation lente, pas adapté aux batteries de grande capacité.

Égalisation active

• Principe:L'énergie d'une seule batterie avec une énergie plus élevée dans la batterie est activement transférée sur une seule batterie avec une énergie plus faible à travers des circuits spécifiques (tels que les convertisseurs DC-DC bidirectionnels, les transformateurs, etc.) en une seule batterie avec une énergie plus faible pour réaliser une réallocation et une égalisation d'énergie.
• Avantages:Le taux d'utilisation élevée de l'énergie, la vitesse d'équilibre rapide, le réglage bidirectionnel, adapté à une grande capacité et à des batteries à cordes élevées, peuvent améliorer efficacement les performances globales et la durée de vie de la batterie.
• Inconvénients:Le circuit est complexe, le coût est élevé et la précision de contrôle est élevée.

Optimisation de la stratégie d'équilibre

• Basé sur l'algorithme de contrôle flou:Ajustez dynamiquement le seuil d'égalisation et le courant d'égalisation en fonction de l'état en temps réel de la batterie, tels que la différence de tension et de température unique, et donner la priorité aux batteries uniques avec des différences de tension importantes pour améliorer l'efficacité de l'égalisation et réduire la perte d'énergie.
• Algorithme génétique basé:En simulant les processus évolutifs biologiques, en optimisant des chemins et des paramètres d'équilibre, et en trouvant la stratégie optimale de contrôle d'équilibre pour obtenir un meilleur effet d'équilibre et une utilisation d'énergie plus élevée.

4. Stratégie de contrôle des charges et de la sortie

Stratégie de contrôle de la charge

• Courant constant et méthode de chargement de tension constante:Il s'agit actuellement de la méthode de charge de batterie au lithium la plus courante. Au début de la charge, la batterie est chargée d'un courant constant. Lorsque la tension de la batterie atteint une certaine valeur, elle passe à une charge de tension constante jusqu'à la fin de la charge. Cette méthode peut efficacement améliorer l'efficacité de charge, réduire le temps de charge et éviter la surcharge de la batterie.
• Méthode de charge en plusieurs étapes:Divisez le processus de charge en plusieurs étapes, tels que la pré-chargement, la charge de courant constant, la charge de tension constante, la charge flottante, etc. en fonction de l'état et des exigences de la batterie, différents courants de charge et tensions sont utilisés à différentes étapes pour améliorer encore l'efficacité de charge et les performances de la batterie et prolonger la durée de vie de la batterie.
• Stratégie de charge intelligente:Ajustez dynamiquement le courant de charge et la tension en fonction de l'estimation de l'état de la batterie et des données de surveillance en temps réel. Par exemple, sur la base du SOC, du SOH, de la température et d'autres paramètres de la batterie, la courbe de charge est optimisée, la charge personnalisée est obtenue et la sécurité et l'efficacité de la charge sont améliorées.

Stratégie de contrôle du débit

• Protection de surdischarge:Surveillez la tension de la batterie en temps réel. Lorsque la tension de la batterie unique est inférieure à celle du seuil de surdischarge défini, coupez le circuit de décharge à temps pour éviter que la batterie ne soit en profondeur et évitez les dommages irréversibles à la batterie. Par exemple, le seuil trop déchargé des batteries de phosphate de fer au lithium est généralement d'environ 2,5 V, et le seuil trop déchargé des batteries au lithium ternaire est d'environ 2,8 V.
• Limite de puissance et ajustement dynamique:Limitez la puissance de décharge en fonction de l'état de la batterie et des conditions de travail pour éviter la surcharge de la batterie. Dans des applications telles que les véhicules électriques, la puissance de décharge peut être ajustée dynamiquement en fonction de facteurs tels que l'état de conduite du véhicule, le SOC et la température de la batterie pour assurer le fonctionnement sûr de la batterie et en même temps améliorer les performances et la plage électriques du véhicule.
• Contrôle de l'égalisation de la décharge:Pendant le processus de décharge, combinés à la gestion de l'égalisation de la batterie, des ajustements de l'égalisation appropriés sont effectués sur des cellules uniques à faible tension, de sorte que la batterie maintient une bonne consistance pendant le processus de décharge et améliore les performances globales de décharge et la durée de vie de la batterie.

5. Stratégie de contrôle de la gestion thermique

Surveillance de la température et avertissement précoce

• Surveillance multi-points:Disposez plusieurs capteurs de température à des emplacements clés de la batterie pour surveiller la distribution de température de la batterie en temps réel. En collectant des données de température à différents endroits, l'état thermique de la batterie peut être compris plus précisément, fournissant une base de gestion et de contrôle thermique.
• Avertissement de température:Réglez un seuil d'avertissement de température. Lorsque la température de la batterie dépasse la plage d'avertissement, un signal d'alarme sera émis à temps pour rappeler au système de prendre des mesures correspondantes. Par exemple, lorsque la température de la batterie atteint 45 ℃, un avertissement à haute température est émis; Lorsque la température baisse en dessous de 0 ℃, un avertissement à basse température est émis

Stratégie de contrôle de la dissipation de la chaleur

• Dissipation de chaleur refroidie par l'air:Utilisez des ventilateurs et d'autres équipements pour accélérer le flux d'air autour de la batterie, en prenant la chaleur générée par la batterie. En contrôlant la vitesse du ventilateur, en ajustant dynamiquement l'intensité de dissipation thermique en fonction de facteurs tels que la température de la batterie et la puissance de décharge pour garantir que la température de la batterie se situe dans une plage raisonnable. Par exemple, lorsqu'un véhicule électrique roule à grande vitesse ou lorsqu'une batterie est déchargée à haute puissance, la vitesse du ventilateur est augmentée et l'effet de dissipation thermique est amélioré.
• Dissipation de chaleur refroidi par liquide:Pour les systèmes de batterie de haute puissance et de grande capacité, la dissipation de chaleur refroidie par liquide est adoptée. En faisant circuler le liquide de refroidissement, la chaleur générée par la batterie est rapidement transmise et émise. La dissipation de chaleur refroidi par liquide présente les avantages d'une efficacité de dissipation de chaleur élevée et d'une précision de contrôle de température élevée, ce qui peut réduire efficacement le gradient de température de la batterie et améliorer les performances et la durée de vie de la batterie.

Stratégies de contrôle du chauffage

• Préchauffage à basse température:Dans un environnement à basse température, lorsque la température de la batterie tombe en dessous d'une certaine valeur (par exemple, 0 ° C), activez un dispositif de chauffage, tel qu'un film de chauffage ou un radiateur PTC, pour préchauffer la batterie et augmenter sa température sur une plage de fonctionnement appropriée. Pendant le processus de préchauffage, la puissance de chauffage et le temps de chauffage doivent être contrôlés pour éviter d'endommager la batterie causée par un chauffage excessif.
• Contrôle de l'égalisation de la température:Pendant le processus de chauffage, la température de chaque cellule dans la batterie augmente uniformément à travers une stratégie de contrôle raisonnable pour éviter la surchauffe locale ou la différence de température excessive. Par exemple, le contrôle de chauffage zonal est utilisé pour régler la puissance de chauffage en fonction de la température de chaque zone pour obtenir une distribution uniforme de la température de la batterie.

6. Stratégies de diagnostic et de protection des défauts

Algorithme de diagnostic des défauts

• Diagnostic basé sur les règles:Formuler une série de règles de diagnostic basées sur des caractéristiques anormales de la tension, du courant, de la température et d'autres paramètres de la batterie. Lorsque les paramètres surveillés dépassent la plage de sécurité prédéfinie ou il y a des mutations, les règles de diagnostic correspondantes seront déclenchées pour déterminer le type et l'emplacement du défaut. Par exemple, lorsque la tension de la batterie tombe soudainement à zéro, il est jugé qu'il peut y avoir un défaut de court-circuit.
• Méthode statistique:Utilisez des données historiques et des modèles statistiques pour analyser les tendances changeantes et les corrélations des paramètres de la batterie. En analysant les caractéristiques statistiques des paramètres de la batterie, telles que la moyenne, la variance, le coefficient de corrélation, etc., la dégradation des performances de la batterie et les défauts de potentiel sont découverts en temps opportun. Par exemple, lorsque la résistance interne de la batterie augmente et dépasse progressivement un certain seuil, il est prévu que la batterie peut subir une panne de vieillissement.
• Méthodes d'apprentissage automatique:Les modèles d'apprentissage automatique des trains, tels que les machines de support, les forêts aléatoires, les réseaux de neurones, etc. pour identifier les modèles de comportement normaux et anormaux de la batterie. En entrant une grande quantité de données de fonctionnement de la batterie, le modèle peut apprendre les caractéristiques et les modèles de comportement de la batterie, réalisant ainsi le diagnostic automatique et l'alerte précoce des défauts. Les méthodes d'apprentissage automatique ont une précision diagnostique élevée et une adaptabilité, mais nécessitent une grande quantité de données de formation et une technologie de formation professionnelle.

Mesures de protection des défaillances

• Circuit coupé:Lorsque de graves défauts sont diagnostiqués, tels que le court-circuit, la surcharge, la surdécharge, etc., coupez le circuit de charge et de décharge de la batterie à temps pour empêcher le défaut de se développer et protéger la sécurité de la batterie et du système. Par exemple, coupez rapidement le circuit en contrôlant le MOSFET ou le relais.
• Alarme de défaut et indication:En cas de défaut, un signal d'alarme audible et léger est publié pour rappeler à l'utilisateur ou à l'administrateur système pour faire attention. Dans le même temps, le type de défaut et les informations connexes sont affichés via le voyant de défaut ou l'écran d'affichage, ce qui facilite le dépannage et la manipulation.
• Isolement d'anomalie:Dans les grands systèmes de batterie, tels que les systèmes de stockage d'énergie, lorsqu'un module de batterie ou un cluster échoue, la partie défectueuse est isolée de l'ensemble du système via des disjoncteurs CC, des fusibles et d'autres équipements pour éviter la propagation du défaut et assurer le fonctionnement normal du système.

7. Stratégie de gestion de la communication

Sélection du protocole de communication

• Protocole de bus Can:A les avantages des capacités de communication à grande vitesse, du taux d'erreur bit faible et de la prise en charge des connexions multi-nœuds. Il est largement utilisé dans les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie et autres champs. Le bus Can peut réaliser une communication efficace entre BMS et les contrôleurs de véhicules, les chargeurs, les onduleurs et d'autres appareils, assurant la précision et la fiabilité de la transmission des données.
• Protocole RS-485:Convient à la communication à longue distance, a les caractéristiques d'une forte capacité anti-ingérence et de nombreux nœuds connectés, et est souvent utilisé pour la surveillance et la gestion des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle. Grâce au bus RS-485, plusieurs unités d'esclaves BMS peuvent être connectées aux unités principales pour atteindre une surveillance et une gestion centralisées.
• Protocole de communication sans fil:comme Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, etc., qui peuvent être utilisés pour la communication sans fil entre BMS et les appareils mobiles, les ordinateurs hôtes, etc. La méthode de communication sans fil présente les avantages d'une installation facile et d'une haute flexibilité, ce qui facilite les utilisateurs de surveiller l'état de la batterie et de configurer des paramètres en temps réel.

Gestion des données et optimisation de la transmission

• Acquisition et traitement des données:Concevoir raisonnablement la fréquence et la précision d'acquisition de données et collecter les données des paramètres clés en fonction de l'état et des exigences d'application de la batterie. Les données collectées sont filtrées, calibrées, fusion et autres traitements pour améliorer la précision et la fiabilité des données et fournir un support de données de haute qualité pour les stratégies d'estimation et de contrôle ultérieures de l'état.
• Optimisation de transmission des données:adopte les technologies de compression et d'emballage des données pour réduire le volume de transmission des données et améliorer l'efficacité de la transmission. Dans le même temps, optimisez la structure du cadre de données de communication pour assurer l'intégrité et le réel de la transmission des données. Par exemple, dans la communication Bus Can, l'ID et la longueur de la trame de données sont allouées raisonnablement pour éviter les conflits de données et les retards de transmission.

8. Cas de demande pratiques et tendances de l'industrie

Cas de candidature pratiques

• Véhicule électrique:Dans un projet de véhicules électriques, une méthode d'estimation du SOC basée sur l'algorithme de filtrage Kalman étendu est adoptée, combinée avec une stratégie de contrôle de charge en plusieurs étapes et une gestion de l'égalisation passive, pour obtenir une estimation d'état de haute précision et une gestion efficace de la batterie. Le système BMS peut ajuster dynamiquement le courant de charge et la tension en fonction de l'état de la batterie et des besoins de conduite du véhicule, optimiser le processus de charge et de décharge de la batterie et améliorer la gamme de croisière et la durée de vie de la batterie du véhicule. Dans le même temps, grâce à la communication avec le bus CAN du contrôleur du véhicule, les informations sur l'état de la batterie sont transmises en temps réel pour assurer le fonctionnement sûr du véhicule.
• Système de stockage d'énergie:Dans une grande centrale de stockage d'énergie, une architecture BMS distribuée est adoptée, combinée à une technologie d'égalisation active et à des stratégies de gestion thermique basées sur des algorithmes de contrôle floues, pour obtenir une gestion et un contrôle efficaces des packs de batteries au lithium à grande échelle. Le système BMS assure l'uniformité de la température et la sécurité de la batterie lors de la charge et de la décharge par une surveillance de la température multi-points et un contrôle intelligent de la dissipation de la chaleur. Dans le même temps, l'utilisation des technologies de communication sans fil, la transmission des données et la surveillance à distance du système de stockage d'énergie et du centre de surveillance à distance sont réalisées, ce qui facilite la surveillance et la gestion en temps réel de l'état de fonctionnement du système de stockage d'énergie et améliore la fiabilité et la maintenabilité du système de stockage d'énergie.

Tendances de l'industrie

• Contrôle intelligent et adaptatif:La future batterie de lithium BMS sera plus intelligente et aura des capacités de contrôle adaptatives. En introduisant des technologies telles que l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique, BMS peut apprendre les caractéristiques de la batterie et les conditions de travail en temps réel, ajuster automatiquement les stratégies de contrôle et les paramètres d'algorithme, réaliser une estimation d'état plus précise et un contrôle de gestion plus optimisé, et améliorer les performances et la durée de vie du système de batterie.
• Haute précision et haute fiabilité:Alors que l'échelle d'application des batteries au lithium dans les véhicules électriques, le stockage d'énergie et d'autres champs continuent de se développer, les exigences de précision et de fiabilité des BM augmentent également. BMS adoptera une technologie de capteur plus avancée, des algorithmes de traitement du signal et des méthodes de diagnostic de défaut pour améliorer la précision de la surveillance et de l'estimation de l'état de la batterie, tout en renforçant la conception de fiabilité et la conception redondante du système pour assurer le fonctionnement stable du BMS dans diverses conditions de fonctionnement sévères.
• Intégration et modularité: Afin de réduire les coûts et d'améliorer l'évolutivité et la maintenabilité du système, les BM de batterie de lithium se déplaceront vers l'intégration et la modularité. Les fonctions matérielles et logicielles du BMS sont conçues modulaires pour faciliter la combinaison et l'expansion flexibles en fonction de différents scénarios d'application et configurations de batterie. Dans le même temps, le BMS est profondément intégré aux batteries, onduleurs, chargeurs et autres équipements pour former un système de gestion de l'énergie plus compact et plus efficace.
• Intégration avec d'autres technologies:Lithium Battery BMS sera profondément intégré à des technologies telles que l'Internet des objets, les mégadonnées et le cloud computing pour réaliser la surveillance à distance, la gestion intelligente et l'analyse des données des systèmes de batterie. Grâce à la technologie IoT, BMS peut télécharger des données en temps réel de la batterie sur la plate-forme cloud, réalisant la surveillance à distance et l'avertissement de défaut du système de batterie. En utilisant la technologie des mégadonnées et le cloud computing, une grande quantité de données de fonctionnement de la batterie est analysée et exploitée, fournissant une prise en charge des données pour la gestion de la santé des batteries, l'optimisation des performances et la prédiction de la vie et la promotion du développement continu et des progrès de la technologie des batteries au lithium.

Pour résumer, les algorithmes logiciels et les stratégies de contrôle des batteries au lithium BMS sont la clé pour assurer le fonctionnement sûr et efficace des batteries au lithium. En optimisant en continu les algorithmes d'estimation de l'état des batteries, des stratégies de contrôle équilibrées, des stratégies de contrôle des charges et des décharges, des stratégies de contrôle de la gestion thermique, des stratégies de diagnostic et de protection des défauts et des stratégies de gestion de la communication, les performances, la vie et la fiabilité des batteries au lithium peuvent être améliorées et la demande croissante de la nouvelle industrie de l'énergie pour les systèmes de batterie au lithium peut être satisfaite. À l'avenir, avec l'innovation continue et les progrès de la technologie, le Lithium Battery BMS fera de plus grandes percées en matière d'intelligence, de haute précision, de haute fiabilité, d'intégration, etc., fournira un soutien plus fort au développement de l'industrie des batteries au lithium, promouvoir le développement durable de la nouvelle industrie de l'énergie et aider le processus mondial de transformation de l'énergie et de développement durable.

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