Kilde: electronicdesign.com
Batteristyring-systemarkitektur
Et batteristyringssystem (BMS) består vanligvis av flere funksjonelle blokker, inkludert avskjærende felteffekt-sendere (FET), drivstoffmåler, celle-spenningsovervåking, celle-spenningsbalanse, sanntidsklokke, temperaturovervåker og en statsmaskin(Figur 1). Flere typer BMS IC-er er tilgjengelige.
Grupperingen av funksjonelle blokker varierer mye fra en enkel analog frontend, for eksempel ISL94208 som tilbyr balansering og overvåking og krever en mikrokontroller, til en frittstående integrert løsning som kjører autonomt (f.eks. ISL94203). La oss nå undersøke formålet og teknologien bak hver blokk, samt fordeler og ulemper med hver teknologi.
Cutoff FETs og FET Driver
En FET-driver funksjonell blokk er ansvarlig for tilkoblingen og isolasjonen av batteriet mellom lasten og laderen. FET-driverens oppførsel er basert på målinger fra battericelle-spenninger, strømmålinger og sanntids deteksjonskretser. Figur 2 illustrerer to forskjellige typer FET-forbindelser mellom lasten og laderen og batteripakken.
Figur 2A krever færrest tilkoblinger til batteripakken og begrenser batteriets driftsmodi til å lade, lade ut eller sove. Den nåværende strømningsretningen og oppførselen til en bestemt sanntidstest bestemmer enhetens tilstand.
2. Vist er cutoff FET-skjemaer for enkel tilkobling mellom lasten og laderen (A), og en to-terminal tilkobling som muliggjør samtidig lading og utlading (B).
For eksempel har ISL94203 en kanalmonitor (CHMON) som overvåker spenningen på høyre side av cutoff FET-ene. Hvis en lader er koblet til og batteripakken er isolert fra den, vil strømmen som injiseres mot batteripakken føre til at spenningen stiger til laderenes maksimale forsyningsspenning. Spenningsnivået på CHMON er utløst, noe som lar BMS-enheten vite at en lader er til stede. For å bestemme en lastforbindelse injiseres en strøm i lasten for å bestemme om det er en belastning. Hvis spenningen ved stiften ikke øker betydelig når du injiserer strøm, bestemmer utfallet at en belastning er til stede. FET-sjåførens DFET slås deretter på. Tilkoblingsskjemaet i figur 2B gjør at batteripakken kan fungere mens den lades.
FET-drivere kan utformes for å koble til den høye eller lave siden av en batteripakke. En høy-sidetilkobling krever en ladepumpedriver for å aktivere NMOS FET-ene. Når du bruker en driver på høysiden, gir den en solid grunnreferanse for resten av kretsene. FET-driverforbindelser på lav side finnes i noen integrerte løsninger for å redusere kostnadene, fordi de ikke trenger en ladepumpe. De krever heller ikke høyspenningsenheter, som bruker et større dørområde. Ved å bruke cutoff FETs på den lave siden flyter batteripakkens bakkekobling, noe som gjør den mer utsatt for støy injisert i målingen. Dette påvirker ytelsen til noen IC-er.
Drivstoffmåler / strømmåling
Drivstoffmålerens funksjonelle blokk holder oversikt over ladningen som kommer inn og ut av batteripakken. Ladning er et produkt av gjeldende og tid. Flere forskjellige teknikker kan brukes når du designer en drivstoffmåler.
En strømforsterkningsforsterker og en MCU med en innebygd analog-til-digital-omformer (ADC) med lav oppløsning er en strømmålingsmetode. Strømforsterkeren, som opererer i miljøer med vanlig vanlig modus, forsterker signalet og muliggjør målinger med høyere oppløsning. Denne designteknikken ofrer imidlertid dynamisk rekkevidde.
Andre teknikker bruker ADC med høy oppløsning eller en kostbar drivstoffmåler-IC. Å forstå lastens oppførsel nåværende forbruk i forhold til tid bestemmer den beste typen drivstoffmåler-design.
Den mest nøyaktige og kostnadseffektive løsningen er å måle spenningen over en følemotstand ved hjelp av en 16-bit eller høyere ADC med lav forskyvning og høy fellestilstand. En ADC med høy oppløsning tilbyr et stort dynamisk område på bekostning av hastighet. Hvis batteriet er koblet til en uberegnelig belastning, for eksempel et elektrisk kjøretøy, kan den langsomme ADCen savne høydepunkter og høyfrekvente strømspisser levert til lasten.
For uberegnelige belastninger kan en suksessiv-tilnærmet-register (SAR) ADC med kanskje en strøm-forsterker frontend være mer ønskelig. Enhver forskjøvet feil påvirker den totale feilen i mengden batterilading. Målefeil over tid vil forårsake betydelige feil på batteripakken. En måleforskyvning på 50 µV eller mindre med 16-biters oppløsning er tilstrekkelig når du måler ladning.
Cellespenning og maksimering av batteriets levetid
Det er viktig å overvåke cellespenningen til hver celle i en batteripakke for å bestemme dens generelle helse. Alle celler har et driftsspenningsvindu der lading / utlading skal skje for å sikre riktig drift og batterilevetid. Hvis en applikasjon bruker et batteri med litiumkjemi, varierer driftsspenningen vanligvis mellom 2,5 og 4,2 V. Spenningsområdet er kjemiavhengig. Å bruke batteriet utenfor spenningsområdet reduserer celleens levetid betydelig og kan gjøre det ubrukelig.
Cellene er koblet i serie og parallelt for å danne en batteripakke. En parallell tilkobling øker batteripakkens nåværende stasjon, mens en seriekobling øker den totale spenningen. En celles ytelse har en fordeling: På samme tid som null er batteripakke-cellens lading og utladningshastighet den samme. Når hver celle går mellom ladning og utladning, endres hver celles ladnings- og utladningshastigheter. Dette resulterer i en spredt fordeling over en batteripakke.
En enkel måte å avgjøre om en batteripakke lades er å overvåke spenningen til hver celle til et innstilt spenningsnivå. Den første cellespenningen som når spenningsgrensen utløser grensen for ladet batteripakke. En svakere enn gjennomsnittlig cellebatteripakke resulterer i at den svakeste cellen når grensen først, slik at resten av cellene ikke lades helt.
Et ladesystem, som beskrevet, maksimerer ikke PÅ-tiden for batteripakken per lading. Ladingsskjemaet reduserer levetiden til batteripakken fordi den trenger flere ladesykluser. En svakere celle utlades raskere. Det forekommer også på utslippssyklusen; den svakere cellen utløser utslippsgrensen først, slik at resten av cellene er igjen med ladning.
Det er to måter å forbedre PÅ-tiden per batteriladning. Den første er å bremse ladningen til den svakeste cellen under ladningssyklusen. Dette oppnås ved å koble en bypass FET med en strømbegrensende motstand over cellen(Fig. 3A). Det tar strøm fra cellen med høyest strøm, noe som resulterer i en avtagende cellelading. Som et resultat er de andre batteripakkecellene i stand til å ta igjen. Det endelige målet er å maksimere batterikapasitetens ladekapasitet ved at alle cellene samtidig når den fulladede grensen.
3. Bypass cellebalanserende FETs hjelper til med å redusere ladningshastigheten til en celle under ladningssyklusen (A). Aktiv balansering brukes under utslippssyklusen for å stjele ladning fra en sterk celle og gi ladningen til en svak celle (B).
Den andre metoden er å balansere batteripakken på utladningssyklusen ved å implementere en ordning for ladning-forskyvning. Det oppnås ved å ta ladning via induktiv kobling eller kapasitiv lagring fra alfacellen og injisere den lagrede ladningen i den svakeste cellen. Dette reduserer tiden det tar den svakeste cellen å nå utslippsgrensen, ellers kjent som aktiv balansering(Fig. 3B).
Temperaturovervåking
Dagens batterier leverer mye strøm mens de holder en konstant spenning. Dette kan føre til en rømningsforhold som får batteriet til å ta fyr. Kjemikaliene som brukes til å konstruere et batteri er svært flyktige - et batteri spisset med riktig objekt kan også få batteriet til å ta fyr. Temperaturmålinger brukes ikke bare for sikkerhet, de kan også avgjøre om det er ønskelig å lade eller lade ut et batteri.
Temperatursensorer overvåker hver celle for energilagringssystemapplikasjoner (ESS) eller en gruppering av celler for mindre og mer bærbare applikasjoner. Termistorer drevet av en intern ADC-spenningsreferanse brukes ofte til å overvåke temperaturen på hver krets. I tillegg hjelper en intern spenningsreferanse med å redusere unøyaktigheter i temperaturavlesningen i forhold til temperaturendringer.
Statlige maskiner eller algoritmer
De fleste BMS-systemer krever en mikrokontroller (MCU) eller en feltprogrammerbar gate matrise (FPGA) for å administrere informasjon fra sensing kretsene, og deretter ta beslutninger med den mottatte informasjonen. I visse enheter, for eksempel ISL94203, muliggjør en algoritme som er kodet digitalt en frittstående løsning med en brikke. Frittstående løsninger er også verdifulle når de parres til en MCU, fordi den frittstående tilstandsmaskinen kan brukes til å frigjøre MCU-klokkesykluser og minneplass.
Andre BMS-byggesteiner
Andre funksjonelle BMS-blokker kan omfatte batteriautentisering, sanntidsklokke (RTC), minne og tusenfrydskjede. RTC og minne brukes til black-box applikasjoner - RTC brukes som et tidsstempel og minne brukes til å lagre data. Dette lar brukeren vite oppførselen til batteripakken før en katastrofal hendelse. Batteriautentiseringsblokken forhindrer at BMS-elektronikken kobles til en tredjeparts batteripakke. Spenningsreferansen / regulatoren brukes til å drive perifere kretser rundt BMS-systemet. Til slutt brukes kretser med tusenkjede for å forenkle forbindelsen mellom stablede enheter. Daisy-chain block erstatter behovet for optiske koblinger eller andre nivåforskyvende kretser.
