Vir: electronicdesign.com
Arhitektura sistema za upravljanje baterij
Sistem za upravljanje baterij (BMS) je običajno sestavljen iz več funkcionalnih blokov, vključno z odsevniki oddajnikov poljskega učinka (FET), monitorjem merilnika goriva, celičnim napetostnim monitorjem, ravnotežjem celične napetosti, uro v realnem času, merilniki temperature in državni stroj(Slika 1). Na voljo je več vrst BMS IC.
Skupine funkcionalnih blokov se zelo razlikujejo od preprostega analognega čelnega dela, na primer TheISL94208, ki ponuja uravnoteženje in spremljanje in zahteva mikrokrmilnik, do samostojne integrirane rešitve, ki deluje samostojno (npr. ISL94203). Zdaj pa preučimo namen in tehnologijo vsakega bloka ter prednosti in slabosti posamezne tehnologije.
Izključni FET in gonilnik FET
Funkcionalni blok gonilnika FET je odgovoren za povezavo akumulatorja in izolacijo med bremenom in polnilnikom. Vedenje gonilnika FET temelji na meritvah napetosti akumulatorskih celic, trenutnih meritvah in vezju za zaznavanje v realnem času. Slika 2 prikazuje dve različni vrsti povezav FET med obremenitvijo in polnilnikom ter baterijo.
Slika 2A zahteva najmanj število povezav z baterijo in omejuje načine delovanja akumulatorja na polnjenje, praznjenje ali spanje. Trenutna smer pretoka in obnašanje določenega preskusa v realnem času določata stanje naprave.
2. Prikazane so sheme FET-ločitve za enojno povezavo med bremenom in polnilnikom (A) ter dvotirna povezava, ki omogoča hkratno polnjenje in praznjenje (B).
Na primer, ISL94203 ima nadzornik kanalov (CHMON), ki nadzira napetost na desni strani prekinitvenega FET-ja. Če je priključen polnilnik in je baterija od njega izolirana, bo tok, vbrizgan v baterijo, povzročil napetost do največje napajalne napetosti polnilnika. Sproži se napetost na CHMON, kar napravi BMS sporoča, da je polnilnik prisoten. Za določitev tovorne povezave se v tovor vbrizga tok, da se ugotovi, ali je obremenitev prisotna. Če napetost na zatiču med vbrizgom toka ne naraste bistveno, rezultat ugotovi prisotnost obremenitve. Nato se vklopi DFET gonilnika FET. Shema povezav na sliki 2B omogoča, da baterija deluje med polnjenjem.
Gonilniki FET so lahko zasnovani za povezavo z visoko ali spodnjo stranjo akumulatorja. Povezava na visoki strani zahteva, da gonilnik polnilne črpalke aktivira FET-je NMOS. Če uporabljate gonilnik z visoko stranjo, omogoča trdno referenco tal za preostalo vezje. V nekaterih integriranih rešitvah najdemo nizkofrekvenčne gonilniške povezave FET za zmanjšanje stroškov, ker ne potrebujejo polnilne črpalke. Prav tako ne potrebujejo visokonapetostnih naprav, ki porabijo večje površine matrice. Z uporabo prekinitvenega FET-a na spodnji strani plava ozemljitvena povezava akumulatorja, zaradi česar je bolj dovzeten za šum, vbrizgan v meritev. To vpliva na delovanje nekaterih IC.
Merilniki goriva / trenutne meritve
Funkcionalni blok merilnika goriva spremlja polnjenje, ki vstopa in izstopa iz akumulatorja. Naboj je plod trenutka in časa. Pri načrtovanju merilnika goriva je mogoče uporabiti več različnih tehnik.
Tok-ojačevalnik in MCU z vgrajenim analogno-digitalnim pretvornikom z nizko ločljivostjo (ADC) sta ena od trenutnih merilnih metod. Ojačevalnik trenutnega občutka, ki deluje v okoljih z visokim skupnim načinom, ojačuje signal in omogoča meritve z višjo ločljivostjo. Ta tehnika oblikovanja pa žrtvuje dinamični razpon.
Druge tehnike uporabljajo ADC z visoko ločljivostjo ali drago IC IC. Razumevanje trenutne porabe obremenitve glede na čas določa najboljšo izvedbo merilnika goriva.
Najbolj natančna in stroškovno najučinkovitejša rešitev je merjenje napetosti na občutljivem uporu z uporabo 16-bitnega ali višjega ADC z nizkim odmikom in visoko oceno skupnega načina. ADC z visoko ločljivostjo ponuja velik dinamični razpon na račun hitrosti. Če je akumulator priključen na neredno obremenitev, na primer na električno vozilo, lahko počasni ADC zgreši velike in visokofrekvenčne konice toka, ki so priložene tovoru.
Za neredne obremenitve je morda bolj zaželen ADC s zaporednim približnim registrom (SAR) z morda trenutno ojačevalnim ojačevalnikom. Vsaka napaka pri odmiku vpliva na splošno napako v količini napolnjene baterije. Merilne napake sčasoma povzročijo večje napake stanja napolnjenosti akumulatorja. Pri merjenju naboja je primeren odmik 50 µV ali manj s 16-bitno ločljivostjo.
Napetost celice in podaljšanje življenjske dobe baterije
Spremljanje napetosti celic vsake celice v bateriji je bistvenega pomena za določanje njenega splošnega zdravstvenega stanja. Vse celice imajo okno z delovno napetostjo, kjer naj bi se polnilo / praznilo, da se zagotovi pravilno delovanje in življenjska doba baterije. Če aplikacija uporablja baterijo z litijevo kemijo, je delovna napetost običajno med 2,5 in 4,2 V. Napetostno območje je odvisno od kemije. Delovanje akumulatorja zunaj napetostnega območja znatno skrajša življenjsko dobo celice in jo lahko postane neuporabna.
Celice so povezane zaporedno in vzporedno, da tvorijo baterijo. Vzporedna povezava poveča trenutni pogon akumulatorja, serijska povezava pa poveča skupno napetost. Učinkovitost celice ima porazdelitev: časi polnjenja in praznjenja celic akumulatorja so enaki nič. Ko vsaka celica kroži med polnjenjem in praznjenjem, se hitrost polnjenja in praznjenja vsake celice spreminjata. To povzroči porazdelitev porazdelitve po bateriji.
Preprost način za ugotavljanje, ali je baterija napolnjena, je spremljanje napetosti vsake celice do nastavljene ravni napetosti. Prva napetost celice, ki doseže napetostno mejo, preklopi mejo napolnjenosti akumulatorja. Šibkejša od povprečne celične baterije povzroči, da najšibkejša celica najprej doseže mejo, ostale celice pa preprečijo popolno polnjenje.
Shema polnjenja, kot je opisana, ne podaljša časa vklopa akumulatorja na polnjenje. Shema polnjenja skrajša življenjsko dobo akumulatorja, ker potrebuje več ciklov polnjenja in praznjenja. Šibkejša celica se hitreje izprazni. Pojavi se tudi na praznjenju; šibkejša celica najprej prevozi mejo praznjenja, ostale celice pa ostanejo napolnjene.
Obstajata dva načina za izboljšanje časa vklopa na polnjenje baterije. Prva je upočasniti naboj do najšibkejše celice med polnilnim ciklom. To dosežemo tako, da preko celice povežemo obvodni FET z uporom, ki omejuje tok(Slika 3A). Iz celice vzame tok z najvišjim tokom, kar povzroči upočasnitev polnjenja celice. Posledično lahko druge celice akumulatorja dohitijo. Končni cilj je povečati zmogljivost polnjenja akumulatorja tako, da vse celice hkrati dosežejo popolnoma napolnjeno mejo.
3. FET-ji, ki obidejo izravnalne celice, pomagajo upočasniti hitrost polnjenja celice med polnilnim ciklom (A). Aktivno uravnoteženje se uporablja med praznjenjem, da ukrade naboj močni celici in odda naboj šibki celici (B).
Druga metoda je uravnoteženje baterijskega sklopa med ciklom praznjenja z izvajanjem sheme odmika naboja. To dosežemo tako, da prevzamemo naboj z induktivno sklopko ali kapacitivnim pomnilnikom iz alfa celice in vbrizgamo shranjeni naboj v najšibkejšo celico. To upočasni čas, ko najšibkejša celica doseže mejo izpusta, sicer znano kot aktivno uravnoteženje(Slika 3B).
Nadzor temperature
Današnje baterije zagotavljajo veliko toka, hkrati pa ohranjajo konstantno napetost. To lahko privede do pobega, zaradi katerega se akumulator vname. Kemikalije, ki se uporabljajo za izdelavo akumulatorja, so zelo hlapne - baterija, nataknjena s pravim predmetom, lahko tudi prižge baterijo. Meritve temperature se ne uporabljajo samo zaradi varnosti, temveč lahko tudi ugotovijo, ali je zaželeno polnjenje ali praznjenje baterije.
Temperaturni senzorji spremljajo vsako celico glede na sistem za shranjevanje energije (ESS) ali skupino celic za manjše in bolj prenosne aplikacije. Za nadzor temperature vsakega vezja se običajno uporabljajo termistorji, ki jih napaja interna referenčna napetost ADC. Poleg tega referenca notranje napetosti pomaga zmanjšati netočnost odčitavanja temperature glede na spremembe temperature okolja.
Državni stroji ali algoritmi
Večina sistemov BMS potrebuje mikrokrmilnik (MCU) ali polje, ki ga je mogoče programirati na terenu (FPGA), da upravlja informacije iz zaznavnega vezja in nato sprejema odločitve s prejetimi informacijami. V nekaterih napravah, kot je ISL94203, digitalno kodiran algoritem omogoča samostojno rešitev z enim čipom. Samostojne rešitve so dragocene tudi pri povezovanju z MCU-jem, saj se lahko samostojni državni stroj sprosti s cikli ure MCU in pomnilniškim prostorom.
Drugi gradniki BMS
Drugi funkcionalni bloki BMS lahko vključujejo preverjanje pristnosti baterije, uro v realnem času (RTC), pomnilnik in verižico marjetic. RTC in pomnilnik se uporabljata za aplikacije s črno skrinjico - RTC se uporablja kot časovni žig, pomnilnik pa za shranjevanje podatkov. Tako lahko uporabnik ve pred obnašanjem akumulatorja pred katastrofalnim dogodkom. Blok za preverjanje pristnosti akumulatorja preprečuje priključitev elektronike BMS na baterijo tretjih oseb. Referenca / regulator napetosti se uporablja za napajanje perifernih vezij okoli sistema BMS. Na koncu se za poenostavitev povezave med zloženimi napravami uporabljajo vezja z marjeticami. Blok verižice nadomešča potrebo po optičnih spenjačih ali drugih vezjih za spreminjanje nivoja.
