Джерело: electronicdesign.com
Архітектура системи управління батареями
Система управління акумулятором (BMS), як правило, складається з декількох функціональних блоків, включаючи граничні перетворювачі польових ефектів (FET), монітор манометра, монітор напруги комірок, баланс напруги комірок, годинник реального часу, монітори температури та державна машина(Рис. 1). Доступні декілька типів ІМС BMS.
Групування функціональних блоків значно варіюється від простого аналогового інтерфейсу, такого як ISIS94208, який пропонує балансування та моніторинг і потребує мікроконтролера, до автономного інтегрованого рішення, яке працює автономно (наприклад, ISL94203). А тепер давайте розглянемо призначення та технологію кожного блоку, а також плюси та мінуси кожної технології.
Знижувальні польові транзистори та драйвер FET
Функціональний блок драйвера FET відповідає за підключення акумуляторної батареї та ізоляцію між навантаженням та зарядним пристроєм. Поведінка драйвера FET базується на вимірах напруги акумуляторної батареї, вимірювання струму та схеми виявлення в реальному часі. Рисунок 2 ілюструє два типи з’єднання FET між навантаженням і зарядним пристроєм та акумуляторною батареєю.
Малюнок 2А вимагає найменшої кількості підключень до акумуляторної батареї та обмежує режими роботи акумуляторної батареї як заряджанням, розрядкою, так і режимом сну. Поточний напрямок потоку та поведінка конкретного тесту в реальному часі визначають стан пристрою.
2. Показані схеми обмеженого транзистору для єдиного з'єднання між вантажем і зарядним пристроєм (A), а також двотермінальне з'єднання, що дозволяє одночасно заряджати і розряджати (B).
Наприклад, ISL94203 має монітор каналу (CHMON), який контролює напругу на правій стороні відсікаючих транзисторів. Якщо підключено зарядний пристрій, а акумуляторний блок від нього ізольований, струм, який подається до акумуляторної батареї, призведе до підвищення напруги до максимальної напруги живлення зарядного пристрою. Рівень напруги на CHMON спрацьовує, що дозволяє пристрою BMS знати, що пристрій зарядний. Для визначення підключення навантаження в навантаження вводиться струм, щоб визначити, чи є навантаження. Якщо напруга на штифті не зростає суттєво при нагнітанні струму, результат визначає наявність навантаження. Потім вмикається DFET драйвера FET. Схема підключення на малюнку 2B дозволяє акумуляторній батареї працювати під час заряджання.
Драйвери FET можуть бути розроблені для підключення до верхньої або нижньої сторони акумуляторної батареї. Для високошвидкісного підключення потрібен драйвер зарядного насоса для активації транзисторів транзисторів NMOS. При використанні драйвера високої сторони це забезпечує надійне опорне заземлення для решти схем. Низькобічні з’єднання драйверів FET можна знайти в деяких інтегрованих рішеннях для зниження вартості, оскільки їм не потрібен насос для зарядки. Вони також не потребують високовольтних пристроїв, які споживають більшу площу штампа. Використання відсічних FET на нижній стороні плаває заземлення акумуляторного блоку, роблячи його більш сприйнятливим до шуму, що вводиться в вимірювання. Це впливає на продуктивність деяких ІС.
Вимірювачі палива / поточні вимірювання
Функціональний блок манометра відстежує заряд, що надходить і виходить з акумуляторної батареї. Заряд - це добуток потоку та часу. При проектуванні манометра можна використовувати кілька різних методів.
Підсилювач струму і мікроконтроллер із вбудованим аналого-цифровим перетворювачем із низькою роздільною здатністю (АЦП) є одним із методів вимірювання струму. Підсилювач струму, який працює в середовищах із високим загальним режимом, підсилює сигнал, забезпечуючи вимірювання з більш високою роздільною здатністю. Однак ця техніка дизайну жертвує динамічним діапазоном.
Інші методи використовують АЦП з високою роздільною здатністю або дорогоцінну мікросхему манометра. Розуміння поточної витрати поведінки навантаження в залежності від часу визначає найкращий тип конструкції манометра.
Найбільш точним і економічно вигідним рішенням є вимірювання напруги на чутливому резисторі за допомогою 16-розрядного АЦП з низьким зміщенням і високим рейтингом загального режиму. АЦП з високою роздільною здатністю пропонує великий динамічний діапазон за рахунок швидкості. Якщо акумулятор підключений до непостійного навантаження, такого як електричний транспортний засіб, повільний АЦП може пропустити великі та високочастотні стрибки струму, подані до навантаження.
Для нестабільних навантажень може бути більш бажаним АЦП з послідовним приблизним регістром (SAR) з, можливо, переднім кінцем підсилювача струму. Будь-яка помилка зміщення впливає на загальну помилку в заряді акумулятора. Помилки вимірювання з часом спричинять значні помилки стану заряду акумулятора. Зміщення вимірювання 50 мкВ або менше з 16-бітовою роздільною здатністю є достатнім для вимірювання заряду.
Напруга стільникового зв’язку та максимальний термін служби акумулятора
Моніторинг напруги в кожному елементі акумуляторної батареї є важливим для визначення загального стану її здоров’я. Усі елементи мають вікно робочої напруги, де має відбуватися зарядка / розрядка, щоб забезпечити належну роботу та час автономної роботи. Якщо в додатку використовується акумулятор з хімічним складом літію, робоча напруга, як правило, становить від 2,5 до 4,2 В. Діапазон напруги залежить від хімії. Експлуатація акумулятора поза діапазоном напруги значно скорочує термін служби елемента і може зробити його марним.
Елементи з’єднані послідовно і паралельно, утворюючи акумулятор. Паралельне підключення збільшує поточний привід акумуляторної батареї, тоді як послідовне підключення збільшує загальну напругу. Продуктивність комірки має розподіл: Коли час дорівнює нулю, швидкість заряду та розряду комірки акумуляторної батареї однакова. Коли кожна клітина перемикається між зарядом і розрядом, швидкість заряду і розряду кожної клітини змінюється. Це призводить до розподіленого розподілу по акумуляторній батареї.
Простий спосіб визначити, чи заряджений акумулятор, - це контролювати напругу кожної комірки до встановленого рівня напруги. Перша напруга комірки, що досягла межі напруги, відключає межу заряду акумулятора. Акумуляторна батарея, що слабша за середню, призводить до того, що найслабший елемент спочатку досягає межі, не даючи іншим елементам повністю заряджатися.
Схема зарядки, як описано, не забезпечує максимальний час увімкнення акумуляторної батареї за один заряд. Схема зарядки скорочує термін служби акумуляторної батареї, оскільки їй потрібно більше циклів зарядки та розрядки. Більш слабка клітина розряджається швидше. Це також відбувається на циклі розряду; слабша клітина спочатку переходить границю розряду, залишаючи решту клітин з зарядом.
Існує два способи зменшити час увімкнення заряду акумулятора. Перший - це сповільнення заряду до найслабшої комірки протягом циклу заряду. Це досягається шляхом підключення байпасного транзистора транзистора до обмежувача струму резистором через комірку(Рис. 3A). Він приймає струм від комірки з найбільшим струмом, що призводить до уповільнення заряду комірки. Як результат, інші елементи акумуляторної батареї здатні наздогнати. Кінцевою метою є максимізація заряду акумуляторної батареї завдяки тому, що всі елементи одночасно досягають межі повністю зарядженого.
3. Обхідні транзистори балансування клітин допомагають уповільнити швидкість заряду елемента під час циклу заряду (А). Активне балансування використовується під час розрядного циклу, щоб викрасти заряд з міцної комірки і подати заряд у слабку комірку (В).
Другий метод полягає у врівноваженні акумуляторної батареї на циклі розряду шляхом реалізації схеми заряду-витіснення. Це досягається шляхом прийому заряду за допомогою індуктивного зв’язку або ємнісного накопичувача з альфа-комірки та введення накопиченого заряду в найслабшу комірку. Це уповільнює час, який потрібно найслабшій комірці для досягнення межі розряду, інакше званої активним балансуванням(Рис. 3B).
Моніторинг температури
Сучасні батареї подають багато струму, підтримуючи постійну напругу. Це може призвести до стану втечі, через який акумулятор загориться. Хімічні речовини, що використовуються для побудови батареї, є дуже леткими - акумулятор, набитий на потрібний предмет, також може призвести до загоряння батареї. Вимірювання температури використовуються не просто для безпеки, вони також можуть визначити, чи бажано заряджати або розряджати акумулятор.
Датчики температури контролюють кожну комірку для застосування в системах накопичення енергії (ESS) або групу комірок для менших та портативних програм. Термістори, що живляться від внутрішнього опорного значення АЦП, зазвичай використовуються для контролю температури кожного контуру. Крім того, внутрішнє значення напруги допомагає зменшити неточності показників температури в порівнянні зі зміною температури навколишнього середовища.
Державні машини або алгоритми
Більшості систем BMS потрібен мікроконтролер (MCU) або програмований польовий масив воріт (FPGA) для управління інформацією з сенсорної схеми, а потім для прийняття рішень з отриманою інформацією. У деяких пристроях, таких як ISL94203, алгоритм, кодований цифровим способом, забезпечує автономне рішення з одним чіпом. Автономні рішення також цінні при поєднанні з MCU, оскільки автономний автомат може використовуватися для звільнення тактових частот MCU та місця в пам'яті.
Інші будівельні блоки BMS
Інші функціональні блоки BMS можуть включати аутентифікацію акумулятора, годинник реального часу (RTC), пам’ять і ланцюжок маргариток. RTC і пам'ять використовуються для програм чорної скриньки - RTC використовується як позначка часу, а пам'ять використовується для зберігання даних. Це дозволяє користувачеві знати поведінку акумуляторної батареї до катастрофічної події. Блок автентифікації акумулятора запобігає підключенню електроніки BMS до стороннього акумулятора. Посилання / регулятор напруги використовується для живлення периферійних схем навколо системи BMS. Нарешті, схема ланцюжкової ланцюга використовується для спрощення зв'язку між пристроями, що укладаються один в одного. Блок ланцюжкової ланцюга замінює потребу в оптичних відгалужувачах або інших схемах, що зміщують рівень.