Källa: electronicdesign.com
Batterihantering-systemarkitektur
Ett batterihanteringssystem (BMS) består vanligtvis av flera funktionella block, inklusive avstängningsfälteffektsändare (FET), bränslemätare, cellspänningsövervakare, cellspänningsbalans, realtidsklocka, temperaturövervakare och en statsmaskin(Figur 1). Flera typer av BMS IC: er finns tillgängliga.
Grupperingen av funktionella block varierar mycket från en enkel analog frontend, till exempel ISL94208 som erbjuder balansering och övervakning och kräver en mikrokontroller, till en fristående integrerad lösning som körs självständigt (t.ex.ISL94203). Låt oss nu undersöka syftet och tekniken bakom varje block, liksom för- och nackdelarna med varje teknik.
Cutoff FETs och FET Driver
Ett FET-drivrutins funktionsblock ansvarar för batteripackets anslutning och isolering mellan last och laddare. FET-drivrutins beteende är baserat på mätningar från battericellspänningar, strömmätningar och detekteringskretsar i realtid. Figur 2 illustrerar två olika typer av FET-anslutningar mellan last och laddare och batteripaketet.
Figur 2A kräver minst antal anslutningar till batteripaketet och begränsar batteriladdningslägena till antingen laddning, urladdning eller viloläge. Den aktuella flödesriktningen och beteendet hos ett specifikt realtidstest bestämmer enhetens tillstånd.
2. Visade avgränsade FET-scheman för enkel anslutning mellan lasten och laddaren (A) och en tvåterminalanslutning som möjliggör samtidig laddning och urladdning (B).
Till exempel har ISL94203 en kanalmonitor (CHMON) som övervakar spänningen på höger sida av cut-off FET. Om en laddare är ansluten och batteripaketet är isolerat från den, kommer strömmen som injiceras mot batteripaketet att få spänningen att stiga till laddarens maximala matningsspänning. Spänningsnivån vid CHMON utlöses, vilket låter BMS-enheten veta att en laddare finns. För att bestämma en lastanslutning injiceras en ström i lasten för att avgöra om det finns en last. Om spänningen vid stiftet inte stiger signifikant vid injicering av ström, avgör resultatet att en belastning är närvarande. FET-förarens DFET slås sedan på. Anslutningsschemat i figur 2B gör att batteripaketet kan fungera under laddning.
FET-drivrutiner kan utformas för att anslutas till höga eller låga sidan av ett batteri. En anslutning på hög sida kräver en laddpumpdrivrutin för att aktivera NMOS FET. När du använder en högsidadrivrutin möjliggör den en solid markreferens för resten av kretsarna. FET-drivrutinsanslutningar på låg sida finns i vissa integrerade lösningar för att sänka kostnaden eftersom de inte behöver en laddningspump. De kräver inte heller högspänningsanordningar som förbrukar ett större matrisområde. Med hjälp av avgränsnings-FET: erna på den låga sidan flyter batteriets jordanslutning, vilket gör det mer mottagligt för buller som injiceras i mätningen. Detta påverkar prestanda för vissa IC: er.
Bränslemätare / strömmätningar
Bränslemätarens funktionsblock håller reda på hur laddningen går in i och ur batteripaketet. Laddning är produkten av ström och tid. Flera olika tekniker kan användas vid utformning av en bränslemätare.
En strömavkänningsförstärkare och en MCU med en inbäddad analog-till-digital-omvandlare (ADC) med låg upplösning är en strömmätmetod. Strömavkänningsförstärkaren, som arbetar i höga vanliga miljöer, förstärker signalen och möjliggör mätningar med högre upplösning. Denna designteknik offrar dock dynamiskt omfång.
Andra tekniker använder en högupplöst ADC eller en dyr bränslemätare-IC. Att förstå lastbeteendets nuvarande förbrukning kontra tid avgör den bästa typen av bränslemätare.
Den mest exakta och kostnadseffektiva lösningen är att mäta spänningen över ett avkänningsmotstånd med en 16-bitars eller högre ADC med låg förskjutning och hög gemensamt läge. En ADC med hög upplösning erbjuder ett stort dynamiskt omfång på bekostnad av hastighet. Om batteriet är anslutet till en oregelbunden belastning, till exempel ett elfordon, kan den långsamma ADC missa höga och högfrekventa strömtoppar som levereras till lasten.
För oregelbundna belastningar kan en successiv-approximate-register (SAR) ADC med kanske en strömavkänningsförstärkare vara mer önskvärd. Varje offsetfel påverkar det totala felet i batteriladdningen. Mätfel över tiden kommer att orsaka betydande laddningsstatusfel i batteripaketet. En mätförskjutning på 50 µV eller mindre med 16-bitars upplösning är tillräcklig vid mätning av laddning.
Cellspänning och maximal batteritid
Övervakning av cellspänningen för varje cell i ett batteripaket är viktigt för att bestämma dess allmänna hälsa. Alla celler har ett driftsspänningsfönster där laddning / urladdning ska ske för att säkerställa korrekt drift och batteritid. Om en applikation använder ett batteri med litiumkemi, varierar driftspänningen vanligtvis mellan 2,5 och 4,2 V. Spänningsområdet är kemiberoende. Att använda batteriet utanför spänningsområdet minskar cellens livslängd avsevärt och kan göra det värdelöst.
Celler är seriekopplade och parallellt för att bilda ett batteripaket. En parallellanslutning ökar batteriets nuvarande enhet, medan en seriekoppling ökar den totala spänningen. En cells prestanda har en fördelning: Vid tiden lika med noll är batteripackcellens laddnings- och urladdningshastigheter desamma. När varje cell växlar mellan laddning och urladdning ändras varje cells laddnings- och urladdningshastighet. Detta resulterar i en spridningsfördelning över ett batteripaket.
Ett enkelt sätt att avgöra om ett batteripaket är laddat är att övervaka varje cellspänning till en inställd spänningsnivå. Den första cellspänningen som når spänningsgränsen utlöser laddningsgränsen för batteripaketet. Ett svagare batteribatteripaket än genomsnittet resulterar i att den svagaste cellen når gränsen först, vilket hindrar resten av cellerna från att laddas helt.
Ett laddningsschema, som beskrivs, maximerar inte batteripaketets PÅ-tid per laddning. Laddningsschemat minskar batteriets livslängd eftersom det behöver mer laddnings- och urladdningscykler. En svagare cell urladdas snabbare. Det sker också vid urladdningscykeln; den svagare cellen bryter ut urladdningsgränsen först och lämnar resten av cellerna kvar med laddning.
Det finns två sätt att förbättra PÅ-tiden per batteriladdning. Den första är att sakta ner laddningen till den svagaste cellen under laddningscykeln. Detta uppnås genom att ansluta en bypass-FET med ett strömbegränsande motstånd över cellen(Fig. 3A). Det tar ström från cellen med den högsta strömmen, vilket resulterar i en långsam cellladdning. Som ett resultat kan de andra batteripaketcellerna komma ikapp. Det slutgiltiga målet är att maximera batteriets laddningskapacitet genom att alla celler samtidigt når den fulladdade gränsen.
3. Förbikopplingscellbalansering av FET hjälper till att sänka laddningshastigheten för en cell under laddningscykeln (A). Aktiv balansering används under urladdningscykeln för att stjäla laddning från en stark cell och ge laddningen till en svag cell (B).
Den andra metoden är att balansera batteripaketet i urladdningscykeln genom att genomföra ett laddningsförskjutningsschema. Det uppnås genom att ta laddning via induktiv koppling eller kapacitiv lagring från alfacellen och injicera den lagrade laddningen i den svagaste cellen. Detta fördröjer den tid det tar den svagaste cellen att nå utsläppsgränsen, annars känd som aktiv balansering(Bild 3B).
Temperaturövervakning
Dagens batterier levererar mycket ström med bibehållen konstant spänning. Detta kan leda till ett skenande tillstånd som får batteriet att elda. De kemikalier som används för att konstruera ett batteri är mycket flyktiga - ett batteri spetsat med rätt föremål kan också få batteriet att elda. Temperaturmätningar används inte bara för säkerhet, de kan också avgöra om det är önskvärt att ladda eller ladda ur ett batteri.
Temperatursensorer övervakar varje cell för applikationer för energilagringssystem (ESS) eller en gruppering av celler för mindre och mer bärbara applikationer. Termistorer som drivs av en intern ADC-spänningsreferens används ofta för att övervaka varje krets temperatur. Dessutom hjälper en intern spänningsreferens att minska felaktigheterna i temperaturavläsningen jämfört med temperaturförändringar.
Statliga maskiner eller algoritmer
De flesta BMS-system kräver en mikrokontroller (MCU) eller en fältprogrammerbar grindmatris (FPGA) för att hantera information från avkänningskretsarna och sedan fatta beslut med den mottagna informationen. I vissa enheter, såsom ISL94203, möjliggör en digital kodad algoritm en fristående lösning med ett chip. Fristående lösningar är också värdefulla när de kopplas till en MCU, eftersom den fristående tillståndsmaskinen kan användas för att frigöra MCU-klockcykler och minnesutrymme.
Andra BMS-byggstenar
Andra funktionella BMS-block kan inkludera batteriautentisering, realtidsklocka (RTC), minne och kedjekedja. RTC och minne används för blackbox-applikationer - RTC används som en tidsstämpel och minne används för att lagra data. Detta låter användaren känna till batteripaketets beteende före en katastrofal händelse. Batteriautentiseringsblocket förhindrar att BMS-elektroniken ansluts till ett batteri från tredje part. Spänningsreferensen / regulatorn används för att driva perifera kretsar runt BMS-systemet. Slutligen används daisy-chain-kretsar för att förenkla anslutningen mellan staplade enheter. Daisy-chain-blocket ersätter behovet av optiska kopplingar eller andra nivåförskjutningskretsar.
