Zdroj: electronicdesign.com
Architektura systému správy baterie
Systém správy baterií (BMS) se obvykle skládá z několika funkčních bloků, včetně vysílačů s efektem mezního pole (FET), monitoru palivoměru, monitoru napětí článků, rovnováhy napětí a článků, hodin reálného času, monitorů teploty a státní stroj(Obr. 1). K dispozici je několik typů integrovaných obvodů BMS.
Seskupení funkčních bloků se velmi liší od jednoduchého analogového rozhraní, jako je např .ISL94208, který nabízí vyvažování a monitorování a vyžaduje mikrokontrolér, až po samostatné integrované řešení, které běží samostatně (např. TheISL94203). Nyní pojďme prozkoumat účel a technologii za každým blokem, stejně jako výhody a nevýhody každé technologie.
Mezní FET a FET Driver
Funkční blok ovladače FET je zodpovědný za připojení a izolaci akumulátoru mezi zátěží a nabíječkou. Chování ovladače FET je založeno na měřeních z napětí článků baterie, měření proudu a obvodech detekce v reálném čase. Obrázek 2 zobrazuje dva různé typy připojení FET mezi zátěží a nabíječkou a sadou baterií.
Obrázek 2A vyžaduje nejmenší počet připojení k baterii a omezuje provozní režimy baterie na nabíjení, vybíjení nebo spánek. Aktuální směr toku a chování konkrétního testu v reálném čase určují stav zařízení.
2. Zobrazeny jsou mezní schémata FET pro jednoduché připojení mezi zátěží a nabíječkou (A) a dvoukoncové připojení, které umožňuje současné nabíjení a vybíjení (B).
Například ISL94203 má monitor kanálu (CHMON), který monitoruje napětí na pravé straně hraničních FET. Pokud je připojena nabíječka a baterie je od ní izolována, proud injektovaný směrem k baterii způsobí zvýšení napětí na maximální napájecí napětí nabíječky. Úroveň napětí na CHMON je aktivována, což zařízení BMS oznámí přítomnost nabíječky. K určení připojení zátěže je do zátěže vložen proud, aby se zjistilo, zda je zátěž přítomna. Pokud napětí na čepu významně nezvýší při vstřikování proudu, výsledek určí, že je přítomna zátěž. Poté se zapne DFET ovladače FET. Schéma připojení na obrázku 2B umožňuje baterii pracovat během nabíjení.
Ovladače FET mohou být navrženy pro připojení k vysoké nebo nízké straně baterie. Připojení vysoké strany vyžaduje k aktivaci NMOS FET ovladač nabíjecího čerpadla. Při použití ovladače na vysoké straně umožňuje spolehlivý odkaz na zem pro zbytek obvodů. Připojení nízkofrekvenčních ovladačů FET lze nalézt v některých integrovaných řešeních ke snížení nákladů, protože nepotřebují nabíjecí čerpadlo. Rovněž nevyžadují vysokonapěťová zařízení, která spotřebovávají větší plochu matrice. Pomocí mezních FET na spodní straně plovoucí uzemnění bateriového bloku zvyšuje citlivost na hluk vstřikovaný do měření. To ovlivňuje výkon některých integrovaných obvodů.
Měření palivoměru / proudu
Funkční blok palivoměru sleduje, jak náplň nastupuje a vystupuje z akumulátoru. Poplatek je součinem proudu a času. Při navrhování palivoměru lze použít několik různých technik.
Zesilovač snímání proudu a MCU se zabudovaným analogově-digitálním převodníkem s nízkým rozlišením (ADC) jsou jednou z metod měření proudu. Zesilovač snímající proud, který pracuje v prostředích s vysokým běžným režimem, zesiluje signál a umožňuje měření s vyšším rozlišením. Tato designová technika však obětuje dynamický rozsah.
Jiné techniky používají ADC s vysokým rozlišením nebo nákladný IC palivoměru. Pochopení aktuální spotřeby zátěžového chování v závislosti na čase určuje nejlepší typ konstrukce palivoměru.
Nejpřesnějším a nejhospodárnějším řešením je měření napětí na snímacím rezistoru pomocí 16bitového nebo vyššího ADC s nízkým offsetem a vysokým hodnocením v běžném režimu. ADC s vysokým rozlišením nabízí velký dynamický rozsah na úkor rychlosti. Pokud je baterie připojena k nepravidelnému zatížení, například k elektrickému vozidlu, může pomalému ADC chybět špičkové a vysokofrekvenční proudové špičky dodávané do zátěže.
U nepravidelných zátěží může být žádoucí ADC s postupným přibližným registrem (SAR) s předním koncem zesilovače s proudovým smyslem. Jakákoli chyba offsetu ovlivňuje celkovou chybu v množství nabití baterie. Chyby měření v průběhu času způsobí významné chyby stavu baterie. Při měření náboje je adekvátní offset měření 50 µV nebo méně s 16bitovým rozlišením.
Napětí článku a maximalizace životnosti baterie
Monitorování napětí článků každého článku v bateriovém bloku je zásadní pro určení jeho celkového zdraví. Všechny články mají okno provozního napětí, kde by mělo docházet k nabíjení / vybíjení, aby byla zajištěna správná funkce a životnost baterie. Pokud aplikace používá baterii s lithiovou chemií, provozní napětí se obvykle pohybuje mezi 2,5 a 4,2 V. Rozsah napětí závisí na chemii. Provoz baterie mimo napěťový rozsah výrazně snižuje životnost článku a může se stát nepoužitelným.
Články jsou zapojeny do série a paralelně a tvoří baterii. Paralelní připojení zvyšuje aktuální jednotku baterie, zatímco sériové připojení zvyšuje celkové napětí. Výkon buňky má distribuci: V čase rovném nule jsou rychlosti nabíjení a vybíjení buňky baterie stejné. Jak každá buňka cykluje mezi nabíjením a vybíjením, mění se rychlost nabíjení a vybíjení každé buňky. To má za následek distribuci šíření napříč bateriemi.
Jednoduchým způsobem, jak zjistit, zda je baterie nabitá, je sledovat napětí každé buňky na nastavenou úroveň napětí. Napětí prvního článku k dosažení limitu napětí překročí limit nabití akumulátoru. Slabší než průměrná sada článků vede k tomu, že nejslabší článek dosáhne limitu jako první, čímž se ostatní články nebudou moci plně nabít.
Schéma nabíjení, jak je popsáno, nezvyšuje dobu zapnutí baterie na jedno nabití. Schéma nabíjení snižuje životnost baterie, protože vyžaduje více cyklů nabíjení a vybíjení. Slabší článek se vybíjí rychleji. Vyskytuje se také ve vypouštěcím cyklu; slabší článek nejprve vypne limit vybití a zbytek článků ponechá zbývající.
Existují dva způsoby, jak zlepšit dobu zapnutí na jedno nabití baterie. První je zpomalit nabíjení na nejslabší buňku během nabíjecího cyklu. Toho je dosaženo připojením bypassu FET s odporem omezujícím proud přes buňku(Obr. 3A). Bere proud z článku s nejvyšším proudem, což má za následek zpomalení nabití článku. Výsledkem je, že ostatní články bateriových zdrojů jsou schopné dohnat. Konečným cílem je maximalizovat kapacitu baterie tím, že všechny články současně dosáhnou plně nabitého limitu.
3. Obtokové vyrovnávací články FET pomáhají zpomalit rychlost nabíjení buňky během nabíjecího cyklu (A). Aktivní vyvažování se používá během cyklu vybíjení ke krádeži náboje ze silného článku a předání náboje slabému článku (B).
Druhou metodou je vyvážení bateriového bloku ve vybíjecím cyklu implementací schématu nabíjení-posunutí. Toho je dosaženo nabitím indukční vazbou nebo kapacitním uložením z alfa článku a vložením uloženého náboje do nejslabšího článku. To zpomaluje čas potřebný pro nejslabší buňku k dosažení limitu vybití, jinak známého jako aktivní vyvážení(Obr. 3B).
Monitorování teploty
Dnešní baterie dodávají spoustu proudu při zachování konstantního napětí. To může vést k útěku, který způsobí vznícení baterie. Chemikálie použité k výrobě baterie jsou vysoce těkavé - baterie nabodnutá správným předmětem může baterii také vznítit. Měření teploty se nepoužívají pouze pro bezpečnost, ale také mohou určit, zda je žádoucí nabít nebo vybít baterii.
Teplotní senzory monitorují každou buňku pro aplikace systému skladování energie (ESS) nebo seskupení článků pro menší a přenosnější aplikace. K monitorování teploty každého obvodu se běžně používají termistory napájené interní napěťovou referencí ADC. Kromě toho interní reference napětí pomáhá snižovat nepřesnosti odečtu teploty oproti změnám teploty prostředí.
Stavové automaty nebo algoritmy
Většina systémů BMS vyžaduje pro správu informací ze snímacích obvodů mikrokontrolér (MCU) nebo polní programovatelné hradlové pole (FPGA) a následné přijímání informací. V určitých zařízeních, jako je ISL94203, umožňuje digitálně kódovaný algoritmus samostatné řešení s jedním čipem. Samostatná řešení jsou také cenná, když jsou spojena s MCU, protože samostatný stavový stroj lze použít k uvolnění hodinových cyklů MCU a místa v paměti.
Ostatní stavební bloky BMS
Další funkční bloky BMS mohou zahrnovat ověřování baterie, hodiny reálného času (RTC), paměť a řetězové zapojení. RTC a paměť se používají pro aplikace černé skříňky - RTC se používá jako časové razítko a paměť se používá k ukládání dat. To umožňuje uživateli znát chování baterie před katastrofickou událostí. Blok autentizace baterie zabraňuje připojení elektroniky BMS k bateriové sadě jiného výrobce. Napěťová reference / regulátor se používá k napájení periferních obvodů kolem systému BMS. Nakonec se pro zjednodušení připojení mezi skládanými zařízeními používají obvody se sedmikráskovým řetězcem. Řetězový blok nahrazuje potřebu optických vazebních členů nebo jiných obvodů s posunem úrovně.
