Sumber: electronicdesign.com
Senibina Sistem Pengurusan Bateri
Sistem pengurusan bateri (BMS) biasanya terdiri dari beberapa blok berfungsi, termasuk pemancar kesan medan (FET), monitor tolok bahan bakar, monitor voltan sel, keseimbangan voltan sel, jam masa nyata, monitor suhu, dan mesin negeri(Rajah 1). Terdapat beberapa jenis IC BMS.
Pengelompokan blok fungsional berbeza-beza dari ujung depan analog sederhana, seperti ISL94208 yang menawarkan pengimbangan dan pemantauan dan memerlukan mikrokontroler, ke penyelesaian terpadu yang berdiri sendiri yang berjalan secara autonomi (misalnya, theISL94203). Sekarang mari kita kaji tujuan dan teknologi di sebalik setiap blok, serta kebaikan dan keburukan setiap teknologi.
Pemotong FET dan Pemandu FET
Blok fungsi pemandu FET bertanggungjawab untuk sambungan dan pengasingan pek bateri antara beban dan pengecas. Tingkah laku pemandu FET didasarkan pada pengukuran dari voltan sel bateri, pengukuran semasa, dan litar pengesanan masa nyata. Gambar 2 menggambarkan dua jenis sambungan FET antara beban dan pengecas, dan pek bateri.
Gambar 2A memerlukan bilangan sambungan paling sedikit ke pek bateri dan menghadkan mod operasi pek bateri sama ada untuk mengecas, melepaskan, atau tidur. Arah aliran semasa dan tingkah laku ujian masa nyata tertentu menentukan keadaan peranti.
2. Yang ditunjukkan adalah skema FET cutoff untuk sambungan tunggal antara beban dan pengecas (A), dan sambungan dua terminal yang membolehkan pengisian dan pengosongan serentak (B).
Sebagai contoh, ISL94203 mempunyai monitor saluran (CHMON) yang memantau voltan di sebelah kanan potongan FET. Sekiranya pengecas disambungkan dan pek bateri diasingkan daripadanya, arus yang disuntikkan ke pek bateri akan menyebabkan voltan naik ke voltan bekalan maksimum pengecas. Paras voltan di CHMON tersekat, yang membolehkan peranti BMS mengetahui bahawa pengecas ada. Untuk menentukan sambungan beban, arus disuntikkan ke dalam beban untuk menentukan apakah ada beban. Sekiranya voltan pada pin tidak meningkat dengan ketara semasa menyuntikkan arus, hasilnya menentukan bahawa terdapat beban. DFET pemandu FET kemudian dihidupkan. Skema sambungan dalam Rajah 2B membolehkan pek bateri beroperasi semasa mengecas.
Pemacu FET boleh direka bentuk untuk menyambung ke bahagian bateri yang tinggi atau rendah. Sambungan sisi tinggi memerlukan pemacu pam pengecas untuk mengaktifkan NMOS FET. Semasa menggunakan pemacu sisi tinggi, ia membolehkan rujukan tanah yang kukuh untuk litar yang selebihnya. Sambungan pemandu FET sisi rendah terdapat dalam beberapa penyelesaian bersepadu untuk mengurangkan kos, kerana mereka tidak memerlukan pam pengecasan. Mereka juga tidak memerlukan peranti voltan tinggi, yang menggunakan kawasan mati yang lebih besar. Menggunakan potongan FET di bahagian bawah mengapung sambungan bawah pek bateri, menjadikannya lebih rentan terhadap kebisingan yang disuntikkan ke dalam pengukuran. Ini mempengaruhi prestasi beberapa IC.
Pengukur Bahan Api / Arus Semasa
Blok fungsi tolok bahan api mengawasi cas masuk dan keluar dari pek bateri. Caj adalah produk semasa dan masa. Beberapa teknik yang berbeza dapat digunakan ketika merancang pengukur bahan bakar.
Penguat akal semasa dan MCU dengan penukar analog-ke-digital resolusi rendah tertanam (ADC) adalah satu kaedah pengukuran semasa. Penguat akal semasa, yang beroperasi di persekitaran mod biasa yang tinggi, menguatkan isyarat, memungkinkan pengukuran resolusi lebih tinggi. Teknik reka bentuk ini mengorbankan jarak dinamik.
Teknik lain menggunakan ADC resolusi tinggi, atau IC alat pengukur bahan bakar yang mahal. Memahami penggunaan semasa perilaku beban berbanding masa menentukan jenis reka bentuk alat pengukur bahan api yang terbaik.
Penyelesaian yang paling tepat dan menjimatkan kos adalah untuk mengukur voltan merintangi perintang akal menggunakan ADC 16-bit atau lebih tinggi dengan peringkat offset rendah dan mod biasa-biasa tinggi. ADC resolusi tinggi menawarkan julat dinamik yang besar dengan mengorbankan kelajuan. Sekiranya bateri disambungkan ke beban yang tidak menentu, seperti kenderaan elektrik, ADC yang perlahan mungkin kehilangan lonjakan arus berkekuatan tinggi dan frekuensi tinggi yang dihantar ke beban.
Untuk beban yang tidak menentu, ADC berturut-turut-perkiraan (SAR) dengan barisan hadapan penguat arus mungkin mungkin lebih diinginkan. Sebarang ralat ofset mempengaruhi keseluruhan kesalahan dalam jumlah cas bateri. Kesalahan pengukuran dari masa ke masa akan menyebabkan kesalahan pek bateri status pengecasan yang ketara. Pengimbangan ofset 50 µV atau kurang dengan resolusi 16-bit mencukupi semasa mengukur cas.
Voltan Sel dan Memaksimumkan Umur Bateri
Memantau voltan sel setiap sel dalam pek bateri sangat penting untuk menentukan kesihatan keseluruhannya. Semua sel mempunyai tetingkap voltan operasi di mana pengisian / pemakaian harus berlaku untuk memastikan operasi dan jangka hayat bateri yang betul. Sekiranya aplikasi menggunakan bateri dengan kimia litium, voltan operasi biasanya berkisar antara 2.5 dan 4.2 V. Julat voltan bergantung kepada kimia. Mengendalikan bateri di luar julat voltan mengurangkan jangka hayat sel dengan ketara dan menjadikannya tidak berguna.
Sel dihubungkan secara bersiri dan selari untuk membentuk pek bateri. Sambungan selari meningkatkan pemacu semasa bateri, sementara sambungan siri meningkatkan voltan keseluruhan. Prestasi sel mempunyai taburan: Pada masa sama dengan sifar, kadar cas dan pelepasan sel pek bateri adalah sama. Oleh kerana setiap sel berpusing antara cas dan pelepasan, kadar cas dan pelepasan setiap sel berubah. Ini menghasilkan penyebaran penyebaran ke seluruh pek bateri.
Cara mudah untuk menentukan sama ada bateri diisi adalah dengan memantau voltan setiap sel ke tahap voltan yang ditetapkan. Voltan sel pertama yang mencapai had voltan melepasi had cas pek bateri. Pek bateri sel yang lebih lemah daripada rata-rata menyebabkan sel yang paling lemah mencapai had terlebih dahulu, menjaga sel yang selebihnya tidak dapat dicas sepenuhnya.
Skema pengecasan, seperti yang dijelaskan, tidak memaksimumkan masa ON bateri setiap cas. Skema pengecasan mengurangkan jangka hayat bateri kerana memerlukan lebih banyak kitaran pengisian dan pengosongan. Sel yang lemah melepaskan lebih cepat. Ini juga berlaku pada kitaran pembuangan; sel yang lemah melepasi had pelepasan terlebih dahulu, meninggalkan sel yang selebihnya dengan baki cas.
Terdapat dua cara untuk meningkatkan masa ON setiap cas bateri. Yang pertama adalah memperlahankan cas ke sel yang paling lemah semasa kitaran cas. Ini dicapai dengan menyambungkan FET pintasan dengan perintang had semasa di sel(Gamb. 3A). Ia mengambil arus dari sel dengan arus tertinggi, yang mengakibatkan pengecasan sel yang perlahan. Hasilnya, sel pek bateri lain dapat mengejar ketinggalan. Tujuan utamanya adalah untuk memaksimumkan kapasiti pengisian bateri dengan menjadikan semua sel secara serentak mencapai had pengisian penuh.
3. Mengetepikan sel FET membantu melambatkan kadar cas sel semasa kitaran cas (A). Pengimbangan aktif digunakan semasa kitaran pelepasan untuk mencuri cas dari sel yang kuat dan memberikan cas ke sel yang lemah (B).
Kaedah kedua adalah mengimbangi pek bateri pada kitaran pelepasan dengan melaksanakan skema perpindahan cas. Ini dicapai dengan mengambil cas melalui gandingan induktif atau penyimpanan kapasitif dari sel alpha dan menyuntikkan cas tersimpan ke dalam sel yang paling lemah. Ini melambatkan masa sel yang paling lemah untuk mencapai had pelepasan, atau dikenali sebagai keseimbangan aktif(Gamb. 3B).
Pemantauan Suhu
Bateri hari ini memberikan banyak arus sambil mengekalkan voltan tetap. Ini boleh menyebabkan keadaan pelarian yang menyebabkan bateri terbakar. Bahan kimia yang digunakan untuk membina bateri sangat mudah menguap - bateri yang disekat dengan objek yang tepat juga dapat membuat bateri terbakar. Pengukuran suhu tidak hanya digunakan untuk keselamatan, mereka juga dapat menentukan apakah diinginkan untuk mengisi atau melepaskan bateri.
Sensor suhu memantau setiap sel untuk aplikasi sistem penyimpanan tenaga (ESS) atau pengelompokan sel untuk aplikasi yang lebih kecil dan lebih mudah alih. Termistor yang dikuasakan oleh rujukan voltan ADC dalaman biasanya digunakan untuk memantau suhu setiap litar. Sebagai tambahan, rujukan voltan dalaman membantu mengurangkan ketidaktepatan bacaan suhu berbanding perubahan suhu persekitaran.
Nyatakan Mesin atau Algoritma
Sebilangan besar sistem BMS memerlukan mikrokontroler (MCU) atau larik gerbang yang dapat diprogramkan lapangan (FPGA) untuk menguruskan maklumat dari litar penginderaan, dan kemudian membuat keputusan dengan maklumat yang diterima. Dalam peranti tertentu, seperti ISL94203, algoritma yang dikodkan secara digital membolehkan penyelesaian tersendiri dengan satu cip. Penyelesaian mandiri juga berharga ketika dikawinkan dengan MCU, kerana mesin keadaan mandiri dapat digunakan untuk membebaskan putaran jam MCU dan ruang memori.
Blok Bangunan BMS yang lain
Blok BMS berfungsi yang lain mungkin termasuk pengesahan bateri, jam masa nyata (RTC), memori, dan rantaian daisy. RTC dan memori digunakan untuk aplikasi kotak hitam — RTC digunakan sebagai cap waktu dan memori digunakan untuk menyimpan data. Ini membolehkan pengguna mengetahui tingkah laku pek bateri sebelum berlakunya bencana. Blok pengesahan bateri menghalang elektronik BMS daripada disambungkan ke pek bateri pihak ketiga. Rujukan voltan / pengatur digunakan untuk menghidupkan litar periferal di sekitar sistem BMS. Akhirnya, litar rantai daisy digunakan untuk mempermudah hubungan antara peranti yang disusun. Blok daisy-chain menggantikan keperluan pengganding optik atau litar peralihan tahap yang lain.
