Πηγή: electronicdesign.com
Αρχιτεκτονική διαχείρισης μπαταρίας-συστήματος
Ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS) αποτελείται συνήθως από διάφορα λειτουργικά μπλοκ, συμπεριλαμβανομένων των πομπών επίδρασης πεδίου αποκοπής (FETs), της οθόνης μετρητή καυσίμου, της οθόνης τάσης κυψελών, της ισορροπίας τάσης κυττάρων, του ρολογιού σε πραγματικό χρόνο, των οθονών θερμοκρασίας και μιας κρατικής μηχανής(Εικ. 1). Διάφοροι τύποι BMS ICs είναι διαθέσιμοι.
Η ομαδοποίηση λειτουργικών μπλοκ ποικίλλει σημαντικά από ένα απλό αναλογικό μπροστινό άκρο, όπως το ISL94208 που προσφέρει εξισορρόπηση και παρακολούθηση και απαιτεί μικροελεγκτή, έως μια αυτόνομη ολοκληρωμένη λύση που λειτουργεί αυτόνομα (π.χ. isl94203). Τώρα ας εξετάσουμε το σκοπό και την τεχνολογία πίσω από κάθε μπλοκ, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε τεχνολογίας.
Αποκοπή FETs και οδηγός FET
Ένα λειτουργικό μπλοκ προγράμματος οδήγησης FET είναι υπεύθυνο για τη σύνδεση και την απομόνωση της μπαταρίας μεταξύ του φορτίου και του φορτιστή. Η συμπεριφορά του οδηγού FET βασίζεται σε μετρήσεις από τάσεις κυψελών μπαταριών, μετρήσεις ρεύματος και κυκλώματα ανίχνευσης σε πραγματικό χρόνο. Η εικόνα 2 απεικονίζει δύο διαφορετικούς τύπους συνδέσεων FET μεταξύ του φορτίου και του φορτιστή και της μπαταρίας.
Η εικόνα 2A απαιτεί τον μικρότερο αριθμό συνδέσεων στην μπαταρία και περιορίζει τις λειτουργίες λειτουργίας της μπαταρίας είτε για φόρτιση, εκφόρτιση ή αναστολή λειτουργίας. Η τρέχουσα κατεύθυνση ροής και η συμπεριφορά μιας συγκεκριμένης δοκιμής σε πραγματικό χρόνο καθορίζουν την κατάσταση της συσκευής.
2. Εμφανίζονται σχήματα FET αποκοπής για μία σύνδεση μεταξύ του φορτίου και του φορτιστή (A) και μια σύνδεση δύο τερματικών που επιτρέπει την ταυτόχρονη φόρτιση και την εκφόρτιση (B).
Για παράδειγμα, το ISL94203 διαθέτει οθόνη καναλιού (CHMON) που παρακολουθεί την τάση στη δεξιά πλευρά των FETs αποκοπής. Εάν ένας φορτιστής είναι συνδεδεμένος και η μπαταρία απομονωθεί από αυτό, το ρεύμα που εγχέεται προς την μπαταρία θα προκαλέσει την αύξηση της τάσης στη μέγιστη τάση τροφοδοσίας του φορτιστή. Το επίπεδο τάσης στο CHMON είναι σκοντάφτει, γεγονός που επιτρέπει στη συσκευή BMS να γνωρίζει ότι υπάρχει φορτιστής. Για να προσδιορίσετε μια σύνδεση φορτίου, εγχέεται ένα ρεύμα στο φορτίο για να προσδιοριστεί εάν υπάρχει φορτίο. Εάν η τάση στον πείρο δεν αυξάνεται σημαντικά κατά την έγχυση ρεύματος, το αποτέλεσμα καθορίζει ότι υπάρχει φορτίο. Στη συνέχεια, ενεργοποιείται το DFET του προγράμματος οδήγησης FET. Ο συνδυασμός σύνδεσης στο Σχήμα 2Β επιτρέπει στη λειτουργία της μπαταρίας κατά τη φόρτιση.
Τα προγράμματα οδήγησης FET μπορούν να σχεδιαστούν για να συνδέονται στην υψηλή ή χαμηλή πλευρά μιας μπαταρίας. Μια σύνδεση υψηλής πλευράς απαιτεί έναν οδηγό αντλίας φόρτισης για την ενεργοποίηση των NMOS FETs. Όταν χρησιμοποιείτε έναν οδηγό υψηλής πλευράς, επιτρέπει μια σταθερή αναφορά εδάφους για το υπόλοιπο κύκλωμα. Οι συνδέσεις οδηγού FET χαμηλής πλευράς βρίσκονται σε ορισμένες ολοκληρωμένες λύσεις για τη μείωση του κόστους, επειδή δεν χρειάζονται αντλία φόρτισης. Επίσης, δεν απαιτούν συσκευές υψηλής τάσης, οι οποίες καταναλώνουν μεγαλύτερη περιοχή κύβων. Χρησιμοποιώντας τα FETs αποκοπής στη χαμηλή πλευρά επιπλέει η σύνδεση εδάφους της μπαταρίας, καθιστώντας την πιο ευαίσθητη στο θόρυβο που εγχέεται στη μέτρηση. Αυτό επηρεάζει την απόδοση ορισμένων ICs.
Μετρήσεις καυσίμου/ρεύματος
Το λειτουργικό μπλοκ του μετρητή καυσίμου παρακολουθεί τη φόρτιση που εισέρχεται και εξέρχεται από την μπαταρία. Η χρέωση είναι προϊόν του ρεύματος και του χρόνου. Πολλές διαφορετικές τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά το σχεδιασμό ενός μετρητή καυσίμου.
Ένας ενισχυτής τρέχουσας αίσθησης και ένα MCU με ενσωματωμένο μετατροπέα αναλογικής προς ψηφιακή ανάλυση χαμηλής ανάλυσης (ADC) είναι μια μέθοδος μέτρησης ρεύματος. Ο ενισχυτής τρέχουσας αίσθησης, ο οποίος λειτουργεί σε περιβάλλοντα υψηλής κοινής λειτουργίας, ενισχύει το σήμα, επιτρέποντας μετρήσεις υψηλότερης ανάλυσης. Αυτή η τεχνική σχεδιασμού θυσιάζει το δυναμικό εύρος, όμως.
Άλλες τεχνικές χρησιμοποιούν ADC υψηλής ανάλυσης ή δαπανηρό IC μετρητή καυσίμου. Η κατανόηση της τρέχουσας κατανάλωσης της συμπεριφοράς φορτίου σε σχέση με το χρόνο καθορίζει τον καλύτερο τύπο σχεδιασμού μετρητή καυσίμου.
Η πιο ακριβής και οικονομικά αποδοτική λύση είναι η μέτρηση της τάσης σε έναν αντιστάτη αίσθησης χρησιμοποιώντας ένα ADC 16-bit ή υψηλότερο με χαμηλή αντιστάθμιση και υψηλή βαθμολογία κοινής λειτουργίας. Ένα ADC υψηλής ανάλυσης προσφέρει ένα μεγάλο δυναμικό εύρος εις βάρος της ταχύτητας. Εάν η μπαταρία είναι συνδεδεμένη με ακανόνιστο φορτίο, όπως ένα ηλεκτρικό όχημα, το αργό ADC μπορεί να χάσει υψηλής μεγέθους και υψηλής συχνότητας τρέχουσες αιχμές που παραδίδονται στο φορτίο.
Για ακανόνιστα φορτία, ένα ADC διαδοχικής κατά προσέγγιση καταχώρισης (SAR) με ίσως ένα μπροστινό άκρο ενισχυτή τρέχουσας αίσθησης μπορεί να είναι πιο επιθυμητό. Οποιοδήποτε σφάλμα μετατόπισης επηρεάζει το συνολικό σφάλμα στην ποσότητα φόρτισης της μπαταρίας. Τα σφάλματα μέτρησης με την πάροδο του χρόνου θα προκαλέσουν σημαντικά σφάλματα στην κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας. Μια αντιστάθμιση μέτρησης 50 μV ή μικρότερη με ανάλυση 16 bit είναι επαρκής κατά τη μέτρηση του φορτίου.
Τάση κυττάρων και μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας
Η παρακολούθηση της τάσης των κυττάρων κάθε κυψέλης σε μια μπαταρία είναι απαραίτητη για τον προσδιορισμό της συνολικής υγείας της. Όλα τα κύτταρα έχουν ένα παράθυρο τάσης λειτουργίας όπου η φόρτιση/ η απαλλαγή θα πρέπει να πραγματοποιούνται για να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργία και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Εάν μια εφαρμογή χρησιμοποιεί μπαταρία με χημεία λιθίου, η τάση λειτουργίας κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 2,5 και 4,2 V. Η περιοχή τάσης εξαρτάται από τη χημεία. Η λειτουργία της μπαταρίας εκτός του εύρους τάσης μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του κυττάρου και μπορεί να την καταστήσει άχρηστη.
Τα κύτταρα συνδέονται σε σειρά και παράλληλα σχηματίζουν μια μπαταρία. Μια παράλληλη σύνδεση αυξάνει την τρέχουσα μονάδα δίσκου της μπαταρίας, ενώ μια σύνδεση σειράς αυξάνει τη συνολική τάση. Η απόδοση ενός κελιού έχει μια κατανομή: Κατά καιρούς ίσο με το μηδέν, τα ποσοστά φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας είναι τα ίδια. Καθώς κάθε κύτταρο περιστρέφεται μεταξύ φόρτισης και εκκένωσης, τα ποσοστά φόρτισης και εκκένωσης κάθε κυττάρου αλλάζουν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη διανομή ανάπτυγμα σε μια μπαταρία.
Ένας απλός τρόπος για να προσδιορίσετε αν μια μπαταρία είναι φορτισμένη είναι να παρακολουθείτε την τάση κάθε κελιού σε ένα καθορισμένο επίπεδο τάσης. Η πρώτη τάση κυττάρων για να φθάσει στο όριο τάσης ταξινίζεται το φορτισμένο όριο μπαταριών- πακέτων. Μια ασθενέστερη από το μέσο όρο μπαταρία κυψελών έχει ως αποτέλεσμα το ασθενέστερο κύτταρο να φτάσει πρώτα στο όριο, εμποδίζοντας τα υπόλοιπα κύτταρα να φορτίζουν πλήρως.
Ένα σύστημα φόρτισης, όπως περιγράφεται, δεν μεγιστοποιεί το χρόνο ON της μπαταρίας ανά φόρτιση. Το σύστημα φόρτισης μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, επειδή χρειάζεται περισσότερους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Ένα ασθενέστερο κύτταρο εκφορτίζει γρηγορότερα. Το εμφανίζεται επίσης στον κύκλο απαλλαγής. τα ασθενέστερα κυτταρικά ταξίδια το όριο απαλλαγής πρώτα, αφήνοντας τα υπόλοιπα κύτταρα με τη δαπάνη που απομένει.
Υπάρχουν δύο τρόποι για να βελτιώσετε το χρόνο ON ανά φόρτιση μπαταρίας. Το πρώτο είναι να επιβραδύνετε τη φόρτιση στο πιο αδύναμο κύτταρο κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης. Αυτό επιτυγχάνεται με τη σύνδεση μιας παράκαμψης FET με μια τρέχουσα περιοριστική αντίσταση σε όλο το κελί(Εικ. 3Α). Παίρνει ρεύμα από το κελί με το υψηλότερο ρεύμα, με αποτέλεσμα την επιβράδυνση της κυτταρικής φόρτισης. Ως αποτέλεσμα, οι άλλες κυψέλες μπαταρίας είναι σε θέση να καλύψουν τη διαφορά. Ο απώτερος στόχος είναι να μεγιστοποιηθεί η χωρητικότητα φόρτισης της μπαταρίας, έχοντας όλα τα κελιά ταυτόχρονα να φτάσουν στο πλήρως φορτισμένο όριο.
3. Παράκαμψη fets εξισορρόπησης κυττάρων βοηθούν στην επιβράδυνση του ρυθμού φόρτισης ενός κελιού κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης (A). Η ενεργός εξισορρόπηση χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια του κύκλου εκκένωσης για να κλέψει τη δαπάνη από ένα ισχυρό κύτταρο και να δώσει τη δαπάνη σε ένα αδύνατο κύτταρο (Β).
Η δεύτερη μέθοδος είναι η εξισορρόπηση της μπαταρίας στον κύκλο εκφόρτισης με την εφαρμογή ενός συστήματος μετατόπισης φόρτισης. Επιτυγχάνεται με την ανάληψη της θέσης μέσω επαγωγικής σύζευξης ή χωρητικής αποθήκευσης από το άλφα κύτταρο και την έγχυση του αποθηκευμένου φορτίου στο πιο αδύναμο κύτταρο. Αυτό επιβραδύνει το χρόνο που χρειάζεται το ασθενέστερο κύτταρο για να φτάσει το όριο απαλλαγής, αλλιώς γνωστό ως ενεργός εξισορρόπηση(Εικ. 3Β).
Παρακολούθηση θερμοκρασίας
Οι σημερινές μπαταρίες παρέχουν πολύ ρεύμα διατηρώντας παράλληλα μια σταθερή τάση. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μια κατάσταση διαφυγής που προκαλεί τη φωτιά της μπαταρίας. Οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μιας μπαταρίας είναι εξαιρετικά πτητικές — μια μπαταρία καρφωμένη με το σωστό αντικείμενο μπορεί επίσης να κάνει την μπαταρία να πιάσει φωτιά. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας δεν χρησιμοποιούνται μόνο για την ασφάλεια, μπορούν επίσης να καθορίσουν εάν είναι επιθυμητό να φορτίσετε ή να εκφορτίσετε μια μπαταρία.
Οι αισθητήρες θερμοκρασίας παρακολουθούν κάθε κύτταρο για εφαρμογές συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (ESS) ή ομαδοποίηση κυττάρων για μικρότερες και πιο φορητές εφαρμογές. Οι θερμίστορ που τροφοδοτούνται από εσωτερική αναφορά τάσης ADC χρησιμοποιούνται συνήθως για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας κάθε κυκλώματος. Επιπλέον, μια εσωτερική αναφορά τάσης βοηθά στη μείωση των ανακρίβειων της ένδειξης θερμοκρασίας σε σχέση με τις περιβαλλοντικές αλλαγές θερμοκρασίας.
Κρατικά μηχανήματα ή αλγόριθμοι
Τα περισσότερα συστήματα BMS απαιτούν έναν μικροελεγκτή (MCU) ή μια προγραμματιζόμενο πίνακα πυλών (FPGA) για τη διαχείριση πληροφοριών από τα κυκλώματα ανίχνευσης και, στη συνέχεια, να λαμβάνουν αποφάσεις με τις λαμβανόμενες πληροφορίες. Σε ορισμένες συσκευές, όπως το ISL94203, ένας αλγόριθμος που κωδικοποιείται ψηφιακά επιτρέπει μια αυτόνομη λύση με ένα τσιπ. Αυτόνομες λύσεις είναι επίσης πολύτιμες όταν ζευκτίζονται σε ένα MCU, επειδή η κρατική μηχανή του αυτόνομου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να απελευθερώσει κύκλους ρολογιού MCU και χώρο μνήμης.
Άλλα δομικά στοιχεία BMS
Άλλα λειτουργικά μπλοκ BMS μπορεί να περιλαμβάνουν έλεγχο ταυτότητας μπαταρίας, ρολόι σε πραγματικό χρόνο (RTC), μνήμη και αλυσίδα μαργαρίτας. Το RTC και η μνήμη χρησιμοποιούνται για εφαρμογές μαύρου κουτιού — το RTC χρησιμοποιείται ως χρονοσήμανση και η μνήμη χρησιμοποιείται για την αποθήκευση δεδομένων. Αυτό επιτρέπει στο χρήστη να γνωρίζει τη συμπεριφορά της μπαταρίας πριν από ένα καταστροφικό συμβάν. Ο αποκλεισμός ελέγχου ταυτότητας μπαταρίας εμποδίζει τη σύνδεση των ηλεκτρονικών BMS σε μια μπαταρία άλλου μέρους. Η αναφορά τάσης/ρυθμιστής χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία περιφερειακών κυκλωμάτων γύρω από το σύστημα BMS. Τέλος, τα κυκλώματα αλυσίδας μαργαρίτας χρησιμοποιούνται για την απλοποίηση της σύνδεσης μεταξύ σωρευμένων συσκευών. Το μπλοκ αλυσίδας μαργαρίτας αντικαθιστά την ανάγκη για οπτικούς συζευκτήρες ή άλλα κυκλώματα που αλλάζουν επίπεδο.