Tema: 1 Sistemul de management al bateriei (BMS)  

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să explicați funcțiile principale ale sistemului de management al bateriei într-un vehicul electric sau hibrid;

-          să identificați componentele și arhitectura BMS-ului, precum și principiile de funcționare;

-          să aplicați metode de diagnosticare și întreținere a BMS-ului pentru asigurarea siguranței și durabilității bateriei de înaltă tensiune.

4.1.1 Funcțiile principale ale sistemului de management al bateriei (BMS) într-un vehicul electric sau hibrid

Pentru a asigura funcționarea optimă, sigură și durabilă a bateriei de înaltă tensiune (High Voltage – HV) utilizate în vehiculele electrice (EV) sau hibride (HEV/PHEV), sistemul de management al bateriei (Battery Management System – BMS) îndeplinește o serie de funcții esențiale. Înțelegerea acestor funcții reprezintă o condiție fundamentală pentru formarea specialiștilor în domeniul electromobilității și întreținerii sistemelor de propulsie electrice.

Funcțiile principale ale BMS sunt:

1.   Monitorizarea parametrilor bateriei

BMS-ul supraveghează în timp real parametrii electrici și termici ai bateriei, precum: tensiunea individuală a celulelor, curentul total de încărcare/descărcare, temperatura celulelor și a modulelor, precum și starea generală a sistemului. Această monitorizare are loc la nivel de celulă, modul și pachet, prin intermediul unor senzori specializați și circuite electronice de măsură.

2.   Echilibrarea celulelor (cell balancing)

Pentru a preveni dezechilibrele de tensiune între celulele individuale ale bateriei, BMS-ul aplică strategii de echilibrare activă sau pasivă, menite să egalizeze starea de încărcare a celulelor. Această funcție este vitală pentru maximizarea duratei de viață a bateriei și pentru prevenirea deteriorării premature a celulelor.

3.   Estimarea stării bateriei (state estimation)

Sistemul BMS calculează parametri critici precum:

-  SOC (State of Charge) – nivelul de încărcare al bateriei exprimat procentual;

-  SOH (State of Health) – gradul de uzură al bateriei în raport cu specificațiile originale;

-  SOP (State of Power) – capacitatea bateriei de a furniza sau primi putere într-un interval de timp.

Estimările se realizează prin algoritmi avansați (ex. Kalman filters, modele electrochimice) și sunt fundamentale pentru gestiunea energiei în vehicul.

4.   Protecția bateriei și siguranța operațională

BMS-ul declanșează acțiuni de protecție în cazul în care sunt detectate abateri periculoase ale parametrilor monitorizați (ex. supratensiune, subtensiune, supraîncălzire, supracurent). În asemenea cazuri, sistemul poate limita curentul, opri procesul de încărcare/descărcare, sau deconecta complet bateria pentru a evita accidentele sau degradarea ireversibilă a celulelor.

5.   Comunicarea cu alte sisteme ale vehiculului

BMS-ul este interconectat cu unitatea centrală de control (VCU), invertorul, sistemul de management termic și sistemele de diagnosticare, prin protocoale de comunicație CAN sau LIN. Această comunicare permite optimizarea fluxurilor energetice, planificarea încărcării și adaptarea strategiilor de rulare în funcție de starea reală a bateriei.

6.   Înregistrarea datelor și diagnosticarea defecțiunilor

BMS-ul înregistrează în mod constant date referitoare la utilizarea bateriei și la eventualele erori, oferind astfel suport pentru diagnosticarea tehnică și pentru prognoza întreținerii preventive. Aceste date pot fi accesate în service prin intermediul interfețelor de diagnoză și contribuie la identificarea timpurie a degradărilor sau abaterilor funcționale.

Pentru a-și îndeplini funcțiile critice privind monitorizarea, protecția și optimizarea utilizării bateriei de înaltă tensiune (HV), sistemul de management al bateriei (BMS) utilizează o arhitectură electronică specializată, bazată pe colectarea în timp real a unui volum extins de date de la mai mulți senzori (Figura 4.1). Aceste date sunt prelucrate de algoritmi de control care asigură luarea deciziilor automate în condiții de siguranță și eficiență energetică.

4.1.2 Construcția și principiul de funcționare a sistemul de management al bateriei BMS-ului

În contextul creșterii complexității tehnologiilor de propulsie electrică și a necesității de a asigura siguranța, durabilitatea și performanța bateriilor de înaltă tensiune (High Voltage – HV), sistemul de management al bateriei (Battery Management System – BMS) reprezintă o unitate fundamentală, integrată atât la nivel hardware, cât și software. Cunoașterea structurii funcționale și a principiilor sale de operare constituie un obiectiv esențial în formarea profesională a viitorilor tehnicieni și ingineri auto.

Arhitectura BMS poate varia în funcție de tipul vehiculului (EV, HEV, PHEV), capacitatea bateriei și filozofia de proiectare a producătorului, însă în mod uzual este structurată în următoarele niveluri (Figura 4.2).

-  Unitatea centrală de management (Main BMS Controller sau Master BMS) – coordonează toate procesele sistemului, gestionează algoritmii de estimare (SOC, SOH, SOP), realizează schimbul de date cu unitatea de control centrală a vehiculului (VCU), și controlează releele de putere (contactori) pentru conexiunea/desconectarea bateriei.

-  Unități de monitorizare la nivel de modul (Slave BMS sau Cell Monitoring Units – CMU) – module electronice amplasate direct în pachetul de baterii, care preiau date de la celule (tensiune, temperatură, uneori curent) și le transmit către controlerul principal.

-  Senzori specializați – pentru măsurarea tensiunii fiecărei celule, a temperaturii (în mai multe puncte), a curentului (prin senzori Hall), precum și senzori pentru umiditate sau vibrații în aplicații avansate.

-  Releele de înaltă tensiune (blocul de joncțiune) – sunt componente electromecanice care conectează sau deconectează bateria de HV de restul sistemului, în funcție de comenzile date de BMS pentru a proteja circuitul în caz de defecțiune.

-  Siguranțe fuzibile și rezistențe de preîncărcare (pre-charge) – asigură limitarea curentului de pornire și protejează circuitele la suprasarcini.

Tipuri de arhitecturi BMS. Pe baza distribuției funcțiilor și a modului de interconectare, arhitectura unui BMS poate fi:

-  Centralizată – toate celulele sunt conectate la un singur controler BMS. Este simplă și economică, dar devine dificilă la baterii de capacitate mare.

Exemplu: Tip baterie: NiMH (hidruro-metalică nichel), 201 V Automobil: Toyota Prius Prius Gen 2 (2004–2009)

-  Distribuită – fiecare modul de celule are o placă de monitorizare locală, care comunică direct cu controlerul central. Oferă flexibilitate și scalabilitate (Figura 4.3 a).

Exemplu: Tip baterie: Li-ion (litiu-ion) Automobil: Chevrolet Volt (2011–2015)

-  Modulară (master-slave) – combină avantajele arhitecturilor centralizate și distribuite. Fiecare modul are o unitate slave care transmite datele către unitatea master. Este cea mai răspândită arhitectură în aplicațiile auto moderne (Figura 4.3 b).

Exemplu: Tip baterie: Li-ion (pouch cells sau prismatic). Automobil: Tesla Model S

Figura 4.3 Arhitecturi sistemul de management al bateriei BMS de la producătorul BMW

1.   Electronică de management al bateriei (SME), 2. Blocul cu releie și siguranțe, 3. Circuitul de supraveghere a celulelor (Cell Supervisory Circuits CSC) 4. Circuit primar de supraveghere a celulelor 5. Circuit secundar de supraveghere a celulelor

Sistemul BMS organizat într-o arhitectură ierarhică de tip master-slave deține:

-  Unitatea master (Master BMS Controller) centralizează toate datele colectate, execută algoritmi de analiză (ex. estimarea SOC, SOH) și coordonează acțiunile sistemului la nivel global;

-  Unitățile slave (Cell Monitoring Units – CMU) sunt distribuite la nivelul modulelor de baterii și sunt responsabile de achiziția locală a datelor privind tensiunea celulelor, temperatura acestora și, în unele cazuri, semnale adiționale.

BMS-ul funcționează pe baza unui set de algoritmi și protocoale de control care integrează datele obținute de la senzori și modulele de măsură (Figura 4.4).

Figura 4.4 Diagramă electrică a bateriei HV– BMW G12 LCI Plug-in Hybrid (PHEV)

1.   Blocul cu releie și siguranțe, 2. Releele principale, 3. Senzor de curent și tensiune, 4.Monitorizare a izolației, 5. Siguranță principală de curent (350 A), 6. Modul de celule, 7. Circuit primar de supraveghere a celulelor, 8. Circuit secundar de supraveghere a celulelor, 9. Senzor de temperatură, agentul frigorific, 10. Electronică de management al bateriei (SME), 11. Controlul circuitului de interblocare, 12. Mufa/fișa de serviciu, 13. Supapă de control a agentului frigorific, 14. Unitatea de control a caroseriei BDC, 15. Unitatea de dirijare a baterii de 12 V (Li-ion), 16. Senzor bateriei de12 V, 17. baterii de 12 V (Li-ion), 18.Releul de activare/dezactivare a bateriei de 12 V

Exemplu de funcționare a sistemului de management al bateriei (Battery Management System – BMS) a autovehiculelor hibride plug-in de tip BMW G12 LCI PHEV.

Prin intermediul CSC-urilor și al senzorilor integrați, BMS-ul monitorizează în timp real următorii parametri esențiali:

-  Tensiunea individuală a fiecărei celule (sau grupuri de celule);

-  Temperatura internă a modulelor de baterie;

-  Curentul de sarcină și de încărcare (măsurat printr-un senzor Hall sau un shunt);

-  Izolația dintre magistrala HV și masa caroseriei.

Aceste date sunt transmise continuu către BMCU printr-o magistrală internă de comunicație (de regulă, LIN sau CAN intern), unde sunt analizate pentru a detecta:

-  Dezechilibre de tensiune între celule;

-  Supraîncălzire locală;

-  Defecțiuni de izolație;

-  Supraîncărcare sau descărcare excesivă.

Pentru menținerea duratei de viață și eficienței bateriei, BMS-ul inițiază procese de echilibrare activă sau pasivă a celulelor:

BMS-ul comandă contactorii principali HV+ și HV–, integrați în blocul de distribuție a bateriei, pentru a conecta sau deconecta circuitul de înaltă tensiune de la sarcinile de propulsie (invertor, încărcător, compresor AC etc.). Controlul acestor contactori este permis doar după:

-  Verificarea tensiunii corecte la bornele bateriei;

-  Confirmarea izolației;

-  Confirmarea lipsei unor erori critice.

De asemenea, BMS-ul gestionează preîncărcarea (pre-charge) magistralei HV prin rezistență limitatoare, pentru a preveni apariția curenților mari de vârf la conectare.

În baza datelor colectate, BMS-ul aplică măsuri de protecție automată:

-  Oprirea încărcării sau a descărcării în caz de valori anormale;

-  Comandarea decuplării de urgență a contactorilor HV;

-  Transmiterea semnalului de eroare critică către ECU-ul vehiculului (prin magistrala CAN).

În caz de coliziune sau defecțiuni majore, BMS-ul declanșează mecanismul de dezactivare a sistemului HV, întrerupând complet conexiunea bateriei cu restul sistemului.

4.1.3 Diagnosticare și întreținere a BMS-ului pentru asigurarea siguranței și durabilității bateriei de înaltă tensiune

Sistemul de management al bateriei (BMS) constituie o componentă critică în structura vehiculelor electrice și hibride, având rolul de a supraveghea, proteja și optimiza funcționarea bateriei de înaltă tensiune (HV). În acest context, aplicarea corectă a metodelor de diagnosticare și întreținere a BMS-ului este esențială pentru asigurarea fiabilității sistemului de propulsie, prevenirea defectelor și extinderea duratei de viață a pachetului de baterii.

1. Importanța diagnosticării sistemului BMS

Diagnosticarea periodică a sistemului BMS are drept scop:

-  identificarea timpurie a disfuncționalităților (ex. celule dezechilibrate, erori de măsură, defecte în comunicație);

-  prevenirea degradării celulelor prin intervenții prompte;

-  verificarea conformității funcțiilor de siguranță și protecție;

-  menținerea performanței energetice și a autonomiei vehiculului.

2. Metode de diagnosticare a BMS-ului

Diagnosticarea BMS-ului se realizează cu ajutorul echipamentelor de service și a interfețelor de diagnoză specifice, utilizând protocoale standardizate, precum UDS (Unified Diagnostic Services), implementate prin magistrala CAN. Principalele metode includ:

·  Diagnoza prin interfață OBD (On-Board Diagnostics):

Permite accesarea codurilor de eroare (DTC – Diagnostic Trouble Codes), vizualizarea valorilor live (Live Data) ale tensiunii celulelor, temperaturii, curentului, SOC și SOH. Softurile specifice producătorului oferă acces extins la parametri interni ai BMS.

·  Testarea celulelor și modulelor:

Se realizează compararea tensiunii celulelor și identificarea celor care prezintă abateri de tensiune sau reacționează anormal în timpul încărcării/descărcării. Diferențele mari de tensiune pot indica dezechilibru, defect intern sau pierderi de capacitate.

·  Verificarea funcționării sistemului de echilibrare:

Se controlează dacă BMS-ul inițiază corect procesul de balansare, activând rezistențele de descărcare sau circuitele de redistribuire a energiei între celule. Dezechilibre persistente pot semnala defecte în rețeaua slave.

·  Evaluarea comunicației master-slave și verificarea contactorilor:

Se testează integritatea semnalului dintre unitatea master și modulele slave, precum și comanda și funcționarea contactorilor HV (inclusiv timpul de răspuns și integritatea circuitului de preîncărcare).

·  Analiza jurnalului de evenimente (Event Log):

BMS-ul salvează în memoria internă evenimente critice (supratensiuni, scurtcircuite, temperaturi excesive etc.), utile pentru investigarea istoricului defecțiunilor și predicția viitoarelor riscuri.

3. Măsuri de întreținere a sistemului BMS

Întreținerea corectă a sistemului de management al bateriei presupune o combinație de activități preventive și corective, în conformitate cu specificațiile producătorului. Printre acestea se numără:

·  Inspecția fizică a conectorilor și cablajului HV:

Se verifică integritatea mecanică și izolarea electrică a cablurilor de comunicație și alimentare între module, pentru a preveni erorile de semnal sau pierderile de contact.

·  Actualizarea software-ului BMS:

Firmware-ul BMS poate fi actualizat pentru a corecta erori de programare, a introduce noi algoritmi de optimizare sau a îmbunătăți strategiile de echilibrare și protecție.

·  Curățarea și controlul zonelor de ventilație și răcire:

Supratemperaturile pot afecta funcționarea senzorilor sau a circuitelor electronice. Se recomandă inspectarea și menținerea curată a componentelor pasive și active implicate în răcirea bateriei și a unităților electronice.

·  Verificarea ciclurilor de încărcare/descărcare:

Pe baza istoricului înregistrat de BMS, se poate analiza uzura bateriei, frecvența încărcărilor rapide și adâncimea ciclurilor, date esențiale pentru planificarea recondiționării sau înlocuirii.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Care sunt principalele funcții ale sistemului de management al bateriei (BMS) într-un vehicul electric sau hibrid, și ce rol joacă acestea în siguranța și eficiența sistemului de propulsie?

2.   Cum contribuie funcția de monitorizare a parametrilor electrici și termici la prevenirea defectării bateriei de înaltă tensiune? Menționați tipurile de senzori utilizați.

3.   Ce reprezintă parametrii SOC, SOH și SOP în cadrul sistemului BMS și cum sunt aceștia estimați? Justificați importanța fiecăruia în managementul energiei.

4.   Descrieți modalitățile prin care BMS-ul interacționează cu celelalte sisteme ale vehiculului. De ce este esențială această comunicare pentru funcționarea integrată a vehiculului electric/hibrid?

5.   Care sunt componentele principale ale arhitecturii unui sistem de management al bateriei (BMS) și ce rol funcțional îndeplinește fiecare în ansamblul sistemului?

6.   Comparați arhitecturile BMS centralizată, distribuită și modulară (master-slave) din perspectiva avantajelor și aplicațiilor lor în vehiculele electrice moderne.

7.   Cum asigură BMS-ul protecția sistemului de înaltă tensiune în cazul detecției unor valori anormale ale parametrilor monitorizați (ex. supratensiune, supraîncălzire, defect de izolație)?

8.   Descrieți modul modul de funcționare a sistemul de management al bateriei BMS?

9.   De ce este esențială diagnosticarea periodică a sistemului BMS în vehiculele electrice și hibride, și ce tipuri de defecțiuni pot fi prevenite prin această activitate?

10.   Care sunt principalele metode și instrumente utilizate pentru diagnosticarea funcțională a unui BMS și ce tip de informații se pot obține prin acestea?

11.   Ce activități de întreținere preventivă și corectivă sunt recomandate pentru a menține performanța și siguranța sistemului de management al bateriei de înaltă tensiune (BMS)?

BIBLIOGRAFIE

1.   Руководства по ремонту. BMW G12 LCI PHEV High-voltage Battery

2.   Руководства по ремонту. BMW F45 PHEV HIGH-VOLTAGE COMPONENTS.

3.   Руководства по ремонту. TOYOTA Auris 1.8 VVT-i HSD (2ZR-FXE (3JM)) 2010 – 2013

4.   Electude LMS 2024.4.0.