Kilde: electronicdesign.com
Batteristyring-systemarkitektur
Et batteristyringssystem (BMS) består typisk af flere funktionelle blokke, herunder afskæringsfelteffekttransmittere (FET'er), brændstofmålerovervågning, celle-spændingsovervågning, celle-spændingsbalance, realtidsur, temperaturmonitorer og en tilstandsmaskine(Fig. 1). Flere typer BMS IC'er er tilgængelige.
Grupperingen af funktionelle blokke varierer meget fra en simpel analog frontend, såsom ISL94208, der tilbyder afbalancering og overvågning og kræver en mikrocontroller, til en uafhængig integreret løsning, der kører autonomt (f.eks. ISL94203). Lad os nu undersøge formålet og teknologien bag hver blok samt fordele og ulemper ved hver teknologi.
Cutoff FET'er og FET Driver
En FET-driver funktionsblok er ansvarlig for batteripakkens forbindelse og isolering mellem lasten og opladeren. FET-driverens opførsel er baseret på målinger fra battericelle-spændinger, strømmålinger og realtidsdetekteringskredsløb. Figur 2 illustrerer to forskellige typer FET-forbindelser mellem lasten og opladeren og batteripakken.
Figur 2A kræver det færreste antal forbindelser til batteripakken og begrænser batteriets driftstilstande til enten at oplade, aflade eller sove. Den aktuelle strømningsretning og opførelsen af en bestemt test i realtid bestemmer enhedens tilstand.
2. Vist er afskårne FET-skemaer til enkelt forbindelse mellem lasten og opladeren (A) og en to-terminal forbindelse, der muliggør samtidig opladning og afladning (B).
For eksempel har ISL94203 en kanalmonitor (CHMON), der overvåger spændingen på højre side af cutoff FET'erne. Hvis en oplader er tilsluttet, og batteripakken er isoleret fra den, vil strømmen, der injiceres mod batteripakken, få spændingen til at stige til opladernes maksimale forsyningsspænding. Spændingsniveauet ved CHMON udløses, hvilket lader BMS-enheden vide, at en oplader er til stede. For at bestemme en belastningsforbindelse injiceres en strøm i belastningen for at bestemme, om der er en belastning. Hvis spændingen ved stiften ikke stiger markant, når der indsprøjtes strøm, bestemmer resultatet, at der er en belastning. FET-driverens DFET tændes derefter. Forbindelsesplanen i figur 2B gør det muligt for batteripakken at fungere under opladning.
FET-drivere kan designes til at oprette forbindelse til den høje eller lave side af en batteripakke. En højsidetilslutning kræver en ladepumpedriver for at aktivere NMOS FET'erne. Når du bruger en driver på høj side, giver den mulighed for en solid jordreference for resten af kredsløbet. FET-driverforbindelser på lav side findes i nogle integrerede løsninger for at reducere omkostningerne, fordi de ikke har brug for en opladningspumpe. De kræver heller ikke højspændingsenheder, der bruger et større matriceområde. Ved hjælp af afskærings-FET'erne på den lave side flyder batteripakkens jordforbindelse, hvilket gør den mere modtagelig for støj, der injiceres i målingen. Dette påvirker ydeevnen for nogle IC'er.
Brændstofmåler / strømmålinger
Brændstofmålerens funktionelle blok holder styr på opladningen, der kommer ind og ud af batteripakken. Opladning er et produkt af strøm og tid. Flere forskellige teknikker kan bruges ved design af en brændstofmåler.
En strømfølsom forstærker og en MCU med en indbygget analog-til-digital konverter (ADC) med lav opløsning er en metode til strømmåling. Strømforstærkeren, der fungerer i høje miljøer med almindelig tilstand, forstærker signalet og muliggør målinger med højere opløsning. Denne designteknik ofrer dog dynamisk rækkevidde.
Andre teknikker bruger ADC med høj opløsning eller en dyr IC-brændstofmåler. At forstå belastningsadfærdets aktuelle forbrug i forhold til tid bestemmer den bedste type design af brændstofmåler.
Den mest nøjagtige og omkostningseffektive løsning er at måle spændingen på tværs af en sensormodstand ved hjælp af en 16-bit eller højere ADC med lav forskydning og høj common-mode-vurdering. En ADC med høj opløsning tilbyder et stort dynamisk område på bekostning af hastighed. Hvis batteriet er tilsluttet en uregelmæssig belastning, såsom et elektrisk køretøj, kan den langsomme ADC muligvis savne højspændings- og højfrekvente strømspidser leveret til lasten.
For uregelmæssige belastninger kan en successiv-approximate-register (SAR) ADC med måske en strøm-sense forstærkerfront være mere ønskelig. Enhver forskydningsfejl påvirker den samlede fejl i mængden af batteriopladning. Målefejl over tid vil forårsage betydelige opladningsstatus-batteripakkefejl. En måleforskydning på 50 µV eller mindre med 16-bit opløsning er tilstrækkelig, når der måles opladning.
Cellespænding og maksimering af batteriets levetid
Overvågning af cellespændingen i hver celle i en batteripakke er afgørende for at bestemme dens generelle helbred. Alle celler har et driftsspændingsvindue, hvor opladning / afladning skal ske for at sikre korrekt drift og batterilevetid. Hvis en applikation bruger et batteri med lithiumkemi, varierer driftsspændingen typisk mellem 2,5 og 4,2 V. Spændingsområdet er kemisk afhængigt. Betjening af batteriet uden for spændingsområdet reducerer cellens levetid betydeligt og kan gøre det ubrugeligt.
Celler er forbundet i serie og parallelt for at danne en batteripakke. En parallel forbindelse øger batteriets aktuelle drev, mens en serieforbindelse øger den samlede spænding. En celles ydeevne har en fordeling: På tid er nul, er batteripakkecellens opladnings- og afladningshastigheder de samme. Når hver celle skifter mellem opladning og afladning, ændres hver celles opladnings- og udladningshastighed. Dette resulterer i en spredt fordeling på en batteripakke.
En enkel måde at afgøre, om en batteripakke er opladet, er at overvåge hver celles spænding til et indstillet spændingsniveau. Den første cellespænding, der når spændingsgrænsen, udløser grænsen for batteripakken. En svagere end gennemsnittet cellebatteripakke resulterer i, at den svageste celle når grænsen først og holder resten af cellerne i fuld opladning.
Et opladningsskema maksimerer som beskrevet ikke batteriet PÅ-tid pr. Opladning. Opladningsskemaet reducerer batteriets levetid, fordi det har brug for flere opladnings- og afladningscyklusser. En svagere celle udlades hurtigere. Det forekommer også i afladningscyklussen; den svagere celle udløser udledningsgrænsen først og efterlader resten af cellerne med resterende ladning.
Der er to måder at forbedre ON-tiden pr. Batteripakkeopladning på. Den første er at sænke opladningen til den svageste celle under opladningscyklussen. Dette opnås ved at forbinde en bypass FET med en strømbegrænsende modstand på tværs af cellen(Fig. 3A). Det tager strøm fra cellen med den højeste strøm, hvilket resulterer i en langsommere celleopladning. Som et resultat er de andre batteripakkeceller i stand til at indhente. Det ultimative mål er at maksimere batteripakkens opladningskapacitet ved at have alle cellerne samtidigt til at nå den fuldt opladede grænse.
3. Omgå FET'er til afbalancering af celler hjælper med at sænke opladningshastigheden for en celle under opladningscyklussen (A). Aktiv afbalancering bruges under afladningscyklussen til at stjæle ladning fra en stærk celle og give ladningen til en svag celle (B).
Den anden metode er at afbalancere batteripakken i afladningscyklussen ved at implementere en ordning med ladning-forskydning. Det opnås ved at tage styring via induktiv kobling eller kapacitiv lagring fra alfacellen og injicere den lagrede ladning i den svageste celle. Dette bremser den tid, det tager den svageste celle at nå udledningsgrænsen, ellers kendt som aktiv afbalancering(Fig. 3B).
Temperaturovervågning
Dagens batterier leverer masser af strøm med en konstant spænding. Dette kan føre til en løbende tilstand, der får batteriet til at antændes. De kemikalier, der bruges til at konstruere et batteri, er meget flygtige - et batteri spidset med den rigtige genstand kan også få batteriet til at antændes. Temperaturmålinger bruges ikke kun af sikkerhed, de kan også afgøre, om det er ønskeligt at oplade eller aflade et batteri.
Temperatursensorer overvåger hver celle til energilagringssystemapplikationer (ESS) eller en gruppering af celler til mindre og mere bærbare applikationer. Termistorer drevet af en intern ADC-spændingsreference bruges ofte til at overvåge hvert kredsløbs temperatur. Derudover hjælper en intern spændingsreference med at reducere unøjagtighederne i temperaturaflæsningen i forhold til miljøtemperaturændringer.
Statsmaskiner eller algoritmer
De fleste BMS-systemer kræver en mikrocontroller (MCU) eller en feltprogrammerbar gate array (FPGA) for at administrere information fra sensing kredsløb og derefter træffe beslutninger med den modtagne information. I visse enheder, såsom ISL94203, muliggør en digital kodet algoritme en enkeltstående løsning med en chip. Selvstændige løsninger er også værdifulde, når de parres med en MCU, fordi den enkeltstående tilstandsmaskine kan bruges til at frigøre MCU-urcyklusser og hukommelsesplads.
Andre BMS-byggesten
Andre funktionelle BMS-blokke kan omfatte batterigodkendelse, realtidsur (RTC), hukommelse og daisy chain. RTC og hukommelse bruges til black-box-applikationer - RTC bruges som et tidsstempel, og hukommelse bruges til lagring af data. Dette lader brugeren kende batteripakkens opførsel inden en katastrofal begivenhed. Batteriautentificeringsblokken forhindrer, at BMS-elektronikken tilsluttes en tredjeparts batteripakke. Spændingsreferencen / regulatoren bruges til at drive perifere kredsløb omkring BMS-systemet. Endelig bruges daisy-chain kredsløb til at forenkle forbindelsen mellem stablede enheder. Daisy-chain-blokken erstatter behovet for optiske koblinger eller andre niveauskiftende kredsløb.
