Zdroj: electronicdesign.com
Architektúra systému správy batérií
Systém správy batérií (BMS) sa obvykle skladá z niekoľkých funkčných blokov vrátane vysielačov s efektom medzného poľa (FET), monitora palivomeru, monitora napätia bunky, rovnováhy napätia bunky, hodín reálneho času, monitorov teploty a štátny automat(Obr. 1). K dispozícii je niekoľko typov integrovaných obvodov BMS.
Zoskupenie funkčných blokov sa veľmi líši od jednoduchého analógového rozhrania, ako je napríklad modelISL94208, ktorý ponúka vyvažovanie a monitorovanie a vyžaduje mikrokontrolér, až po samostatné integrované riešenie, ktoré beží autonómne (napr. Teraz sa pozrime na účel a technológiu stojace za každým blokom, ako aj na výhody a nevýhody jednotlivých technológií.
Medzné FET a ovládač FET
Funkčný blok vodiča FET je zodpovedný za pripojenie a izoláciu akumulátora medzi záťažou a nabíjačkou. Správanie vodiča FET je predurčené na meraniach z napätia batériových článkov, prúdových meraní a obvodov detekcie v reálnom čase. Obrázok 2 zobrazuje dva rôzne typy spojení FET medzi záťažou a nabíjačkou a batériou.
Obrázok 2A vyžaduje najmenší počet pripojení k batérii a obmedzuje prevádzkové režimy batérie na nabíjanie, vybíjanie alebo spánok. Aktuálny smer prúdenia a správanie sa konkrétneho testu v reálnom čase určujú stav zariadenia.
2. Zobrazené sú schémy prerušenia FET pre jednoduché pripojenie medzi záťažou a nabíjačkou (A) a dvojkoncové pripojenie, ktoré umožňuje súčasné nabíjanie a vybíjanie (B).
Napríklad ISL94203 má monitor kanála (CHMON), ktorý monitoruje napätie na pravej strane hraničných FET. Ak je pripojená nabíjačka a akumulátor je od nej izolovaný, prúd privedený smerom k akumulátoru spôsobí, že napätie stúpne na maximálne napájacie napätie nabíjačky. Úroveň napätia na CHMON je aktivovaná, čo dáva zariadeniu BMS vedieť, že je prítomná nabíjačka. Na určenie spojenia záťaže sa do záťaže vstrekuje prúd, aby sa zistilo, či je záťaž prítomná. Ak sa pri napájaní prúdom napätie na kolíku výrazne nezvýši, výsledok určí, že je prítomná záťaž. Potom sa zapne DFET ovládača FET. Schéma pripojenia na obrázku 2B umožňuje, aby batéria fungovala počas nabíjania.
Ovládače FET môžu byť navrhnuté na pripojenie k vysokej alebo nízkej strane batérie. Pripojenie na vysokej strane vyžaduje na aktiváciu NMOS FET ovládač nabíjacieho čerpadla. Ak sa používa ovládač na vysokej strane, umožňuje to solídny zemný odkaz pre zvyšok obvodov. Pripojenia ovládačov FET na nízkej strane sa nachádzajú v niektorých integrovaných riešeniach na zníženie nákladov, pretože nepotrebujú nabíjacie čerpadlo. Tiež nevyžadujú vysokonapäťové zariadenia, ktoré majú väčšiu plochu matrice. Použitím medzných tranzistorov FET na spodnej strane pláva uzemnenie akumulátora, čo zvyšuje jeho náchylnosť na šum vháňaný do merania. To ovplyvňuje výkon niektorých integrovaných obvodov.
Meranie palivomeru / prúdu
Funkčný blok ukazovateľa stavu paliva sleduje, či je batéria v batérii vložená alebo z ktorej vychádza. Poplatok je produktom prúdu a času. Pri navrhovaní palivomeru je možné použiť niekoľko rôznych techník.
Zosilňovač snímania prúdu a MCU so zabudovaným analógovo-digitálnym prevodníkom s nízkym rozlíšením (ADC) sú jednou z metód merania prúdu. Zosilňovač snímajúci prúd, ktorý pracuje v prostrediach s vysokým bežným režimom, zosilňuje signál a umožňuje tak meranie s vyšším rozlíšením. Táto konštrukčná technika však obetuje dynamický rozsah.
Iné techniky používajú ADC s vysokým rozlíšením alebo nákladný IC palivometra. Pochopenie aktuálnej spotreby zaťaženia v závislosti od času určuje najlepší typ konštrukcie palivomeru.
Najpresnejším a najhospodárnejším riešením je meranie napätia na snímacom rezistore pomocou 16-bitového alebo vyššieho ADC s nízkym ofsetom a vysokým hodnotami v spoločnom režime. ADC s vysokým rozlíšením ponúka veľký dynamický rozsah na úkor rýchlosti. Ak je batéria pripojená k nestabilnému zaťaženiu, napríklad k elektrickému vozidlu, pomalému ADC môžu chýbať špičkové a vysokofrekvenčné prúdové špičky dodávané do bremena.
Pre nepravidelné zaťaženie môže byť viac žiaduci ADC s postupným približným registrom (SAR) s predným koncom zosilňovača so zmyslom pre prúd. Akákoľvek chyba offsetu ovplyvňuje celkovú chybu v množstve nabitia batérie. Chyby merania v priebehu času spôsobia významné chyby stavu nabitia akumulátora. Pri meraní náboja je postačujúci offset merania 50 µV alebo menej so 16-bitovým rozlíšením.
Napätie článku a maximalizácia životnosti batérie
Monitorovanie napätia článkov každého článku v akumulátore je nevyhnutné pre určenie jeho celkového zdravotného stavu. Všetky články majú okno prevádzkového napätia, kde by malo dochádzať k nabíjaniu / vybíjaniu, aby sa zaistila správna prevádzka a životnosť batérie. Ak aplikácia používa batériu s lítiovou chémiou, prevádzkové napätie sa zvyčajne pohybuje medzi 2,5 a 4,2 V. Rozsah napätia závisí od chémie. Prevádzka batérie mimo rozsahu napätia výrazne skracuje životnosť článku a môže sa stať zbytočným.
Články sú zapojené do série a paralelne, aby vytvorili batériu. Paralelné pripojenie zvyšuje prúdový prúd akumulátora, zatiaľ čo sériové pripojenie zvyšuje celkové napätie. Výkon bunky má distribúciu: V čase rovnom nule sú rýchlosti nabíjania a vybíjania bunky batérie rovnaké. Ako každý článok cykluje medzi nabitím a vybitím, rýchlosť nabíjania a vybíjania každého článku sa mení. To vedie k rozšíreniu distribúcie po celej batérii.
Jednoduchým spôsobom, ako zistiť, či je batéria nabitá, je monitorovať napätie každej bunky na nastavenú úroveň napätia. Napätie prvého článku na dosiahnutie limitu napätia zníži limit nabitia akumulátora. Výsledkom slabšieho ako priemerného článku je to, že najslabší článok dosiahne hranicu ako prvý, čo zabráni úplnému nabitiu zvyšných článkov.
Schéma nabíjania, ako je popísaná, nezvyšuje čas zapnutia batérie na jedno nabitie. Schéma nabíjania skracuje životnosť batérie, pretože vyžaduje viac cyklov nabíjania a vybíjania. Slabší článok sa vybíja rýchlejšie. Vyskytuje sa tiež v cykle vybíjania; slabší článok najskôr vypne limit vybitia a zvyšok článkov zostane nabitý.
Existujú dva spôsoby, ako zlepšiť čas zapnutia na jedno nabitie akumulátora. Prvým je spomalenie nabíjania na najslabší článok počas nabíjacieho cyklu. To sa dosiahne pripojením bypassu FET s odporom obmedzujúcim prúd cez bunku(Obr. 3A). Berie prúd z článku s najvyšším prúdom, čo vedie k spomaleniu nabíjania článku. Vďaka tomu sú schopné dobiť ďalšie články akumulátora. Konečným cieľom je maximalizovať kapacitu nabíjania batérie tak, že všetky články súčasne dosiahnu limit úplného nabitia.
3. Obtokové vyrovnávacie články FET pomáhajú spomaliť rýchlosť nabíjania bunky počas nabíjacieho cyklu (A). Aktívne vyváženie sa používa počas vybíjacieho cyklu na ukradnutie náboja zo silnej bunky a dodanie náboja slabej bunke (B).
Druhou metódou je vyváženie batérie vo vybíjacom cykle implementáciou schémy nabíjania a výmeny. Dosahuje sa to nabitím pomocou indukčnej väzby alebo kapacitným ukladaním z alfa článku a vložením uloženého náboja do najslabšieho článku. To spomaľuje čas, ktorý najslabšej bunke trvá, kým dosiahne limit vybitia, ktorý sa inak nazýva aktívne vyvažovanie(Obr. 3B).
Monitorovanie teploty
Dnešné batérie dodávajú veľa prúdu pri zachovaní konštantného napätia. Môže to viesť k úteku, ktorý spôsobí požiar batérie. Chemikálie použité na výrobu batérie sú veľmi prchavé - batéria nabodnutá správnym predmetom môže tiež spôsobiť jej vznietenie. Merania teploty sa nepoužívajú iba kvôli bezpečnosti, ale tiež môžu určiť, či je potrebné batériu nabiť alebo vybiť.
Teplotné snímače monitorujú každú bunku z hľadiska aplikácií systému na ukladanie energie (ESS) alebo zoskupenie článkov pre menšie a prenosnejšie aplikácie. Na sledovanie teploty každého obvodu sa bežne používajú termistory napájané z internej referenčnej hodnoty napätia ADC. Okrem toho interná referencia napätia pomáha znižovať nepresnosti snímania teploty oproti zmenám teploty prostredia.
Štátne automaty alebo algoritmy
Väčšina systémov BMS vyžaduje na správu informácií zo snímacích obvodov mikrokontrolér (MCU) alebo poľom programovateľné hradlové pole (FPGA) a následné rozhodovanie s prijatými informáciami. V určitých zariadeniach, napríklad ISL94203, umožňuje digitálne kódovaný algoritmus samostatné riešenie s jedným čipom. Samostatné riešenia sú tiež cenné, keď sú spojené s MCU, pretože samostatný stavový stroj je možné použiť na uvoľnenie taktovacích cyklov MCU a miesta v pamäti.
Ostatné stavebné bloky BMS
Medzi ďalšie funkčné bloky BMS môžu patriť autentifikácia batérie, hodiny reálneho času (RTC), pamäť a sériové zapojenie. RTC a pamäť sa používajú pre aplikácie čiernej skrinky - RTC sa používa ako časová značka a pamäť sa používa na ukladanie údajov. Toto umožňuje používateľovi poznať správanie batérie pred katastrofickou udalosťou. Blok autentifikácie batérie zabraňuje pripojeniu elektroniky BMS k batérii iného výrobcu. Napäťová referencia / regulátor sa používa na napájanie periférnych obvodov okolo systému BMS. Nakoniec sa na zjednodušenie spojenia medzi na sebe umiestnenými zariadeniami používajú zapojené obvody. Blok reťazí nahradzuje potrebu optických väzbových členov alebo iných obvodov s posunom úrovne.
