Izvor: electronicdesign.com
Arhitektura sistema za upravljanje baterijama
Sistem upravljanja baterijama (BMS) obično se sastoji od nekoliko funkcionalnih blokova, uključujući predajnike efekta polja (FET), monitor brojača goriva, monitor ćelijskog napona, ravnotežu ćelijskog napona, sat u realnom vremenu, monitore temperature i državni stroj(Slika 1). Dostupno je nekoliko vrsta BMS IC-a.
Grupiranje funkcionalnih blokova uvelike se razlikuje od jednostavnog analognog prednjeg kraja, kao što je ISIS94208 koji nudi balansiranje i nadzor i potreban je mikrokontroler, do samostalnog integriranog rješenja koje radi autonomno (npr. ISL94203). Sada ispitajmo svrhu i tehnologiju koja stoji iza svakog bloka, kao i prednosti i nedostatke svake tehnologije.
Isjecljivi FET-ovi i FET pokretački program
Funkcionalni blok vozača FET odgovoran je za vezu baterija i izolaciju između tereta i punjača. Ponašanje FET vozača zasniva se na mjerenjima napona u ćelijskim baterijama, trenutnim mjerenjima i krugovima za otkrivanje u stvarnom vremenu. Slika 2 prikazuje dvije različite vrste FET veza između tereta i punjača i baterija.
Slika 2A zahtijeva najmanji broj veza s baterijom i ograničava načine rada baterija na punjenje, pražnjenje ili spavanje. Trenutni smjer protoka i ponašanje određenog testa u stvarnom vremenu određuju stanje uređaja.
2. Prikazane su presječene FET sheme za jednostruku vezu između tereta i punjača (A) i dvostepenu vezu koja omogućava istovremeno punjenje i pražnjenje (B).
Na primjer, ISL94203 ima nadzornik kanala (CHMON) koji nadgleda napon na desnoj strani graničnih FET-ova. Ako je punjač povezan i baterija je izolirana od njega, struja ubrizgana u bateriju uzrokovat će porast napona do maksimalnog napona napajanja punjača. Isključi se nivo napona na CHMON-u, što BMS uređaju daje do znanja da je prisutan punjač. Da bi se odredila veza opterećenja, u opterećenje se ubrizgava struja da bi se utvrdilo postoji li opterećenje. Ako se napon na zatiču ne poveća značajno prilikom ubrizgavanja struje, ishod određuje da je prisutno opterećenje. DFET vozača FET se zatim uključuje. Šema povezivanja na slici 2B omogućava bateriji raditi tijekom punjenja.
FET upravljački programi mogu biti dizajnirani za spajanje na gornju ili donju stranu baterijskog paketa. Priključak na visokoj strani zahtijeva pokretački program pumpe za punjenje da aktivira NMOS FET-ove. Kada se koristi pokretački uređaj sa visoke strane, on omogućava čvrstu referencu na zemlju za ostatak kola. Niskofrekventne FET veze vozača nalaze se u nekim integriranim rješenjima kako bi se smanjili troškovi, jer im nije potrebna pumpa za punjenje. Takođe im nisu potrebni visokonaponski uređaji koji troše veće područje matrice. Korišćenjem graničnih FET-ova na donjoj strani lebdi uzemljeni priključak baterija, čineći ga osjetljivijim na buku ubrizganu u mjerenje. To utječe na performanse nekih IC-a.
Mjerač goriva / trenutna mjerenja
Funkcionalni blok za mjerenje goriva prati punjenje koje ulazi i izlazi iz baterija. Naplata je proizvod trenutka i vremena. Nekoliko različitih tehnika može se koristiti pri dizajniranju pokazivača goriva.
Pojačalo trenutnog osjetila i MCU s ugrađenim analogno-digitalnim pretvaračem niske rezolucije (ADC) jedna su metoda mjerenja struje. Pojačalo trenutnog osjeta, koje radi u okruženjima visokog zajedničkog moda, pojačava signal, omogućavajući mjerenja veće rezolucije. Ipak, ova tehnika dizajna žrtvuje dinamički opseg.
Ostale tehnike koriste ADC visoke rezolucije ili skupu IC mjerača goriva. Razumijevanje trenutne potrošnje ponašanja tereta u odnosu na vrijeme određuje najbolju vrstu izvedbe mjerača goriva.
Najtačnije i najisplativije rješenje je mjerenje napona na osjetnom otporu pomoću 16-bitnog ili višeg ADC-a s malim pomakom i visokim zajedničkim režimom. ADC visoke rezolucije nudi veliki dinamički opseg na štetu brzine. Ako je baterija spojena na pogrešno opterećenje, poput električnog vozila, spor ADC može propustiti velike i visokofrekventne skokove struje isporučene na teret.
Za nepravilna opterećenja možda je poželjniji ADC sa sukcesivnim približnim registrom (SAR) sa možda prednjim krajem pojačala trenutnog osjetila. Svaka pogreška pomaka utječe na ukupnu pogrešku u iznosu napunjenosti baterije. Pogreške mjerenja s vremenom će uzrokovati značajne pogreške stanja napunjenosti baterija. Mjerenje pomaka od 50 µV ili manje sa 16-bitnom rezolucijom je prikladno pri mjerenju punjenja.
Napon ćelije i produžavanje životnog vijeka baterije
Nadgledanje ćelijskog napona svake ćelije u baterijskom paketu neophodno je da bi se utvrdilo njeno ukupno zdravlje. Sve ćelije imaju prozor s radnim naponom u kojem bi trebalo doći do punjenja / pražnjenja kako bi se osigurao pravilan rad i vijek trajanja baterije. Ako aplikacija koristi bateriju s litijumskom kemijom, radni napon obično se kreće između 2,5 i 4,2 V. Opseg napona ovisi o hemiji. Rad baterija izvan raspona napona značajno smanjuje vijek trajanja ćelije i može je učiniti beskorisnom.
Ćelije su povezane serijski i paralelno kako bi stvorile baterijski paket. Paralelna veza povećava trenutni pogon baterije, dok serijska veza povećava ukupni napon. Performanse ćelije imaju raspodjelu: Kada je vrijeme jednako nuli, brzina punjenja i pražnjenja ćelije baterija je ista. Kako se svaka ćelija kreće između punjenja i pražnjenja, mijenja se brzina punjenja i pražnjenja svake ćelije. To rezultira distribucijom po baterijama.
Jednostavan način da se utvrdi je li baterija napunjena je nadgledanje napona svake ćelije do zadanog nivoa napona. Prvi napon ćelije koji dostigne ograničenje napona prekida ograničenje napunjenosti baterija. Paket slabijih baterija od prosjeka rezultira da najslabija ćelija prvo dosegne granicu, a ostale ćelije sprečavaju da se potpuno napune.
Shema punjenja, kako je opisana, ne maksimizira vrijeme uključivanja baterije po punjenju. Šema punjenja smanjuje životni vijek baterije jer joj je potrebno više ciklusa punjenja i pražnjenja. Slabija ćelija se brže prazni. Takođe se javlja na ciklusu pražnjenja; slabija ćelija prvo pređe granicu pražnjenja, a ostatku ćelija ostane napunjenost.
Postoje dva načina za poboljšanje vremena uključivanja po napunjenosti baterija. Prva je usporavanje punjenja do najslabije ćelije tokom ciklusa punjenja. To se postiže povezivanjem zaobilaznog FET-a s otpornikom za ograničavanje struje preko ćelije(Slika 3A). Potrebna je struja iz ćelije s najvećom strujom, što rezultira usporavanjem punjenja ćelije. Kao rezultat, ostale ćelije baterija mogu to sustići. Krajnji cilj je maksimizirati kapacitet punjenja baterija tako što će sve ćelije istovremeno doseći potpuno napunjenu granicu.
3. FET-ovi za zaobilaženje uravnoteženja ćelija pomažu usporiti brzinu punjenja ćelije tokom ciklusa punjenja (A). Aktivno balansiranje koristi se tokom ciklusa pražnjenja za krađu naboja iz jake ćelije i davanje naboja slaboj ćeliji (B).
Druga metoda je uravnotežiti bateriju na ciklusu pražnjenja primjenom sheme istiskivanja naboja. To se postiže preuzimanjem naboja induktivnim spajanjem ili kapacitivnim skladištenjem iz alfa ćelije i ubrizgavanjem uskladištenog naboja u najslabiju ćeliju. Ovo usporava vrijeme koje treba najslabijoj ćeliji da dosegne granicu pražnjenja, inače poznato kao aktivno uravnoteženje(Slika 3B).
Nadzor temperature
Današnje baterije isporučuju puno struje uz održavanje konstantnog napona. To može dovesti do odbjeglog stanja zbog kojeg se baterija može zapaliti. Hemikalije koje se koriste za izradu baterije su vrlo isparljive - baterija nabijena pravim predmetom takođe može zapaliti bateriju. Mjerenja temperature ne koriste se samo iz sigurnosnih razloga, već mogu utvrditi je li poželjno napuniti ili isprazniti bateriju.
Senzori temperature nadgledaju svaku ćeliju za sisteme za skladištenje energije (ESS) ili grupu ćelija za manje i prenosive aplikacije. Termistori napajani internom referentnom naponom ADC obično se koriste za nadgledanje temperature svakog kruga. Pored toga, interna referenca napona pomaže u smanjenju netačnosti očitanja temperature u odnosu na promjene temperature okoline.
Državne mašine ili algoritmi
Većina BMS sistema zahtijeva mikrokontroler (MCU) ili polje programabilnih vrata (FPGA) za upravljanje informacijama iz senzorskog kruga, a zatim donošenje odluka s primljenim informacijama. Na određenim uređajima, kao što je ISL94203, algoritam koji je digitalno kodiran omogućava samostalno rješenje s jednim čipom. Samostalna rješenja također su dragocjena kada se povežu s MCU-om, jer se samostalni državni stroj može koristiti za oslobađanje ciklusa takta MCU i memorijskog prostora.
Ostali BMS građevinski blokovi
Ostali funkcionalni BMS blokovi mogu uključivati provjeru autentičnosti baterije, sat u stvarnom vremenu (RTC), memoriju i lanac. RTC i memorija koriste se za crne kutije - RTC se koristi kao vremenska oznaka, a memorija za pohranu podataka. To korisniku daje do znanja o ponašanju baterija prije katastrofalnog događaja. Blok za provjeru autentičnosti baterije sprečava povezivanje BMS elektronike s baterijom treće strane. Referenca / regulator napona koristi se za napajanje perifernih krugova oko BMS sistema. Konačno, lanac sklopova koristi se za pojednostavljivanje veze između naslaganih uređaja. Blok lanac-tratinčica zamjenjuje potrebu za optičkim spojnicama ili drugim sklopovima za promjenu nivoa.