Sursa: electronicdesign.com
Arhitectura sistemului de gestionare a bateriilor
Un sistem de gestionare a bateriei (BMS) constă de obicei din mai multe blocuri funcționale, inclusiv emițătoare cu efect de câmp de întrerupere (FETs), monitor cu indicator de combustibil, monitor de tensiune celulară, echilibru de tensiune celulară, ceas în timp real, monitoare de temperatură și o mașină de stat(Fig. 1). Sunt disponibile mai multe tipuri de CIRCUITE BMS.
Gruparea blocurilor funcționale variază foarte mult de la un front-end analogic simplu, ar fi ISL94208, care oferă echilibrare și monitorizare și necesită un microcontroler, la o soluție integrată independentă care funcționează autonom (de exemplu, ISL94203). Acum să examinăm scopul și tehnologia din spatele fiecărui bloc, precum și avantajele și dezavantajele fiecărei tehnologii.
FETs cutoff și driver FET
Un bloc funcțional al driverului FET este responsabil pentru conectarea și izolarea bateriei între sarcină și încărcător. Comportamentul șoferului FET se bazează pe măsurători de la tensiunile celulelor bateriei, măsurătorile de curent și circuitele de detectare în timp real. Figura 2 ilustrează două tipuri diferite de conexiuni FET între încărcător și încărcător și bateria.
Figura 2A necesită cel mai puțin număr de conexiuni la acumulator și limitează modurile de funcționare a bateriei fie la încărcare, descărcare sau repaus. Direcția curentă a fluxului și comportamentul unui anumit test în timp real determină starea dispozitivului.
2. Prezentate sunt scheme FET de întrerupere pentru o singură conexiune între sarcină și încărcător (A) și o conexiune cu două terminale care permite încărcarea și descărcarea simultană (B).
De exemplu, ISL94203 are un monitor de canal (CHMON) care monitorizează tensiunea din partea dreaptă a FET-urilor de întrerupere. Dacă un încărcător este conectat și acumulatorul este izolat de acesta, curentul injectat spre acumulator va determina creșterea tensiunii la tensiunea maximă de alimentare a încărcătorului. Nivelul tensiunii la CHMON este împiedicat, ceea ce permite dispozitivului BMS să știe că este prezent un încărcător. Pentru a determina o conexiune de sarcină, un curent este injectat în sarcină pentru a determina dacă este prezentă o sarcină. Dacă tensiunea la pin nu crește semnificativ atunci când se injectează curent, rezultatul determină prezența unei sarcini. DFET-ul driverului FET se activează. Schema de conectare din figura 2B permite acumulatorului să funcționeze în timpul încărcării.
Driverele FET pot fi proiectate pentru a se conecta la partea înaltă sau joasă a unui acumulator. O conexiune laterală înaltă necesită un driver de pompă de încărcare pentru a activa NMOS FETs. Atunci când se utilizează un driver de înaltă parte, acesta permite o referință solidă la sol pentru restul circuitelor. Conexiunile de driver FET cu partea joasă se găsesc în unele soluții integrate pentru a reduce costurile, deoarece nu au nevoie de o pompă de încărcare. De asemenea, nu necesită dispozitive de înaltă tensiune, care consumă o zonă de matriță mai mare. Utilizarea FET-urilor de întrerupere de pe partea inferioară plutește conexiunea la sol a bateriei, ceea ce o face mai susceptibilă la zgomotul injectat în măsurare. Acest lucru afectează performanța unor CIRCUITE.
Măsurarea indicatorului de combustibil/curentului
Blocul funcțional cu indicator de combustibil ține evidența încărcării care intră și iese din acumulator. Încărcarea este produsul curentului și al timpului. Mai multe tehnici diferite pot fi utilizate la proiectarea unui indicator de combustibil.
Un amplificator de curent și un MCU cu un convertor analog-digital (ADC) încorporat de rezoluție joasă este o metodă de măsurare a curentului. Amplificatorul de curent, care funcționează în medii de înaltă calitate, amplifică semnalul, permițând măsurători de rezoluție mai mare. Această tehnică de proiectare sacrifică gama dinamică, totuși.
Alte tehnici utilizează un ADC de înaltă rezoluție sau un IC costisitor cu indicator de combustibil. Înțelegerea consumului curent al comportamentului de încărcare față de timp determină cel mai bun tip de proiectare a indicatorului de combustibil.
Soluția cea mai precisă și mai eficientă din punct de vedere al costurilor este măsurarea tensiunii pe un rezistor de simț folosind un ADC pe 16 biți sau mai mare, cu offset scăzut și rating ridicat în modul comun. Un ADC de înaltă rezoluție oferă o gamă dinamică mare în detrimentul vitezei. Dacă bateria este conectată la o sarcină neregulată, ar fi un vehicul electric, ADC lent poate rata vârfurile de curent de mare magnitudine și de înaltă frecvență livrate încărcăturii.
Pentru sarcini neregulate, un succesiv-aproximativ-registru (SAR) ADC cu, probabil, un curent-sens amplificator front-end poate fi mai de dorit. Orice eroare de decalaj afectează eroarea generală în cantitatea de încărcare a bateriei. Erorile de măsurare în timp vor cauza erori semnificative de stare a încărcării bateriei. Un decalaj de măsurare de 50 μV sau mai puțin cu rezoluție pe 16 biți este adecvat la măsurarea sarcinii.
Tensiunea celulară și maximizarea duratei de viață a bateriei
Monitorizarea tensiunii celulare a fiecărei celule dintr-un acumulator este esențială pentru a determina starea generală de sănătate a acesteia. Toate celulele au o fereastră de tensiune de funcționare în care ar trebui să aibă loc încărcarea / descărcarea pentru a asigura funcționarea corectă și durata de viață a bateriei. Dacă o aplicație utilizează o baterie cu o chimie de litiu, tensiunea de funcționare variază de obicei între 2,5 și 4,2 V. Intervalul de tensiune este dependent de chimie. Funcționarea bateriei în afara intervalului de tensiune reduce semnificativ durata de viață a celulei și o poate face inutilă.
Celulele sunt conectate în serie și paralele pentru a forma un pachet de baterii. O conexiune paralelă mărește unitatea curentă a bateriei, în timp ce o conexiune de serie mărește tensiunea totală. Performanța unei celule are o distribuție: în același timp egal cu zero, încărcarea și ratele de descărcare ale celulei de baterie sunt aceleași. Pe măsură ce fiecare celulă trece între încărcare și descărcare, ratele de încărcare și descărcare ale fiecărei celule se modifică. Acest lucru duce la o distribuție extinsă pe un pachet de baterii.
O modalitate simplă de a determina dacă un acumulator este încărcat este de a monitoriza tensiunea fiecărei celule la un nivel de tensiune stabilit. Prima tensiune celulară care atinge limita de tensiune împiedică limita de încărcare a bateriei. Un acumulator celular mai slab decât media are ca rezultat ca cea mai slabă celulă să atingă mai întâi limita, împiedicând restul celulelor să se încarce complet.
O schemă de încărcare, așa este descrisă, nu maximizează timpul de încărcare al bateriei. Schema de încărcare reduce durata de viață a bateriei, deoarece are nevoie de mai multe cicluri de încărcare și descărcare. O celulă mai slabă se descarcă mai repede. De asemenea, apare pe ciclul de descărcare de gestiune; celula mai slabă deversează mai întâi limita de descărcare de gestiune, lăsând restul celulelor cu încărcătura rămasă.
Există două modalități de a îmbunătăți timpul ON per încărcare a bateriei. Primul este de a încetini încărcarea la cea mai slabă celulă în timpul ciclului de încărcare. Acest lucru se realizează prin conectarea unui bypass FET cu un rezistor limitator de curent în întreaga celulă(Fig. 3A). Este nevoie de curent din celula cu cel mai mare curent, rezultând într-o încetinire a încărcării celulelor. Ca urmare, celelalte celule ale bateriei sunt capabile să recupereze. Scopul final este de a maximiza capacitatea de încărcare a bateriei prin atingerea simultană a tuturor celulelor la limita complet încărcată.
3. Bypass celule de echilibrare FETs ajuta la încetinirea ratei de încărcare a unei celule în timpul ciclului de încărcare (A). Echilibrarea activă este utilizată în timpul ciclului de descărcare de gestiune pentru a fura încărcarea dintr-o celulă puternică și pentru a da încărcătura unei celule slabe (B).
A doua metodă este echilibrarea bateriei pe ciclul de descărcare prin punerea în aplicare a unei scheme de deplasare a sarcinii. Se realizează prin preluarea sarcinii prin cuplare inductivă sau stocare capacitivă din celula alfa și injectarea sarcinii stocate în cea mai slabă celulă. Acest lucru încetinește timpul necesar celei mai slabe celule pentru a atinge limita de descărcare de gestiune, cunoscută și sub numele de echilibrare activă(Fig. 3B).
Monitorizarea temperaturii
Bateriile de astăzi oferă mult curent, menținând în același timp o tensiune constantă. Acest lucru poate duce la o afecțiune fugară care face ca bateria să ia foc. Substanțele chimice utilizate pentru construirea unei baterii sunt foarte volatile - o baterie trasă în țeapă cu obiectul potrivit poate face, de asemenea, bateria să ia foc. Măsurătorile de temperatură nu sunt utilizate doar pentru siguranță, ci pot determina și dacă este de dorit să încărcați sau să descărcați o baterie.
Senzorii de temperatură monitorizează fiecare celulă pentru aplicații de stocare a energiei (ESS) sau o grupare de celule pentru aplicații mai mici și mai portabile. Thermistors alimentat de o referință internă de tensiune ADC sunt utilizate în mod obișnuit pentru a monitoriza temperatura fiecărui circuit. În plus, o referință de tensiune internă ajută la reducerea inexactităților citirii temperaturii față de schimbările de temperatură din mediu.
Mașini sau algoritmi de stat
Majoritatea sistemelor BMS necesită un microcontroler (MCU) sau o matrice de porți programabile pe teren (FPGA) pentru a gestiona informațiile din circuitele de detectare și apoi pentru a lua decizii cu informațiile primite. În anumite dispozitive, ar fi ISL94203, un algoritm care este codificat digital permite o soluție independentă cu un singur cip. Soluțiile independente sunt, de asemenea, valoroase atunci când sunt împerecheate cu un MCU, deoarece mașina de stat independentă poate fi utilizată pentru a elibera cicluri de ceas MCU și spațiu de memorie.
Alte blocuri BMS
Alte blocuri BMS funcționale pot include autentificarea bateriei, ceasul în timp real (RTC), memoria și lanțul daisy. RTC și memoria sunt utilizate pentru aplicațiile black-box - RTC este utilizat ca marcă de timp și memoria este utilizată pentru stocarea datelor. Acest lucru permite utilizatorului să cunoască comportamentul bateriei înainte de un eveniment catastrofal. Blocul de autentificare a bateriei împiedică conectarea electronicelor BMS la un acumulator terț. Referința/regulatorul de tensiune este utilizat pentru alimentarea circuitelor periferice din jurul sistemului BMS. În cele din urmă, circuitele daisy-chain sunt utilizate pentru a simplifica conexiunea dintre dispozitivele stivuite. Blocul daisy-chain înlocuiește nevoia de cuple optice sau alte circuite de schimbare a nivelului.
