Источник: electronicdesign.com
Архитектура системы управления батареями
Система управления батареями (BMS) обычно состоит из нескольких функциональных блоков, включая полевые передатчики отсечки (FET), монитор топливомера, монитор напряжения ячеек, баланс напряжения ячеек, часы реального времени, мониторы температуры и Государственный аппарат(Рисунок 1). Доступны несколько типов ИС BMS.
Группировка функциональных блоков широко варьируется от простого аналогового внешнего интерфейса, такого как ISL94208, который предлагает балансировку и мониторинг и требует микроконтроллера, до автономного интегрированного решения, которое работает автономно (например, ISL94203). Теперь давайте рассмотрим назначение и технологию каждого блока, а также плюсы и минусы каждой технологии.
Отсечные полевые транзисторы и драйвер полевых транзисторов
Функциональный блок драйвера полевого транзистора отвечает за соединение аккумуляторной батареи и изоляцию между нагрузкой и зарядным устройством. Поведение драйвера полевого транзистора основано на измерениях напряжений аккумуляторных элементов, измерениях тока и схемах обнаружения в реальном времени. На рисунке 2 показаны два разных типа соединений на полевых транзисторах между нагрузкой и зарядным устройством, а также аккумуляторной батареей.
Рис. 2A требует наименьшего количества подключений к аккумуляторной батарее и ограничивает режимы работы аккумуляторной батареи: зарядка, разрядка или спящий режим. Направление тока и поведение конкретного теста в реальном времени определяют состояние устройства.
2. Показаны схемы отключенного полевого транзистора для одиночного соединения между нагрузкой и зарядным устройством (A) и двухконтактного соединения, которое позволяет одновременно заряжать и разряжать (B).
Например, ISL94203 имеет монитор канала (CHMON), который контролирует напряжение на правой стороне полевых транзисторов с отсечкой. Если зарядное устройство подключено и аккумуляторная батарея изолирована от него, ток, подаваемый в аккумуляторную батарею, вызовет повышение напряжения до максимального напряжения питания зарядного устройства. Уровень напряжения на CHMON срабатывает, что позволяет устройству BMS знать, что зарядное устройство присутствует. Чтобы определить подключение нагрузки, в нагрузку вводят ток, чтобы определить, присутствует ли нагрузка. Если напряжение на выводе не увеличивается значительно при подаче тока, результат определяет наличие нагрузки. Затем включается DFET драйвера полевого транзистора. Схема подключения на Рисунке 2B позволяет аккумуляторной батарее работать во время зарядки.
Драйверы на полевых транзисторах могут быть предназначены для подключения к стороне высокого или низкого уровня аккумуляторной батареи. Подключение высокого уровня требует, чтобы драйвер накачки заряда активировал полевые транзисторы NMOS. При использовании драйвера верхнего плеча он обеспечивает надежное заземление для остальной схемы. Подключения драйвера полевого транзистора нижнего плеча используются в некоторых интегрированных решениях для снижения стоимости, поскольку они не нуждаются в подкачке заряда. Они также не требуют высоковольтных устройств, которые занимают большую площадь кристалла. Использование отсекающих полевых транзисторов на стороне низкого напряжения сглаживает заземление аккумуляторного блока, делая его более восприимчивым к шумам, вносимым в измерения. Это влияет на производительность некоторых микросхем.
Датчик уровня топлива / измерения тока
Функциональный блок указателя уровня топлива отслеживает вход и выход заряда аккумуляторной батареи. Заряд - это произведение тока и времени. При разработке указателя уровня топлива можно использовать несколько различных методов.
Усилитель считывания тока и микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) низкого разрешения - это один из методов измерения тока. Усилитель считывания тока, который работает в средах с высоким уровнем синфазности, усиливает сигнал, обеспечивая измерения с более высоким разрешением. Однако этот дизайнерский прием приносит в жертву динамический диапазон.
В других методах используется АЦП с высоким разрешением или дорогостоящая ИС измерителя уровня топлива. Понимание зависимости потребления тока при нагрузке от времени определяет лучший тип конструкции топливомера.
Наиболее точным и экономичным решением является измерение напряжения на измерительном резисторе с использованием 16-разрядного или более мощного АЦП с низким смещением и высоким синфазным номиналом. АЦП с высоким разрешением предлагает большой динамический диапазон за счет скорости. Если аккумулятор подключен к неустойчивой нагрузке, например к электромобилю, медленный АЦП может пропустить сильные и высокочастотные всплески тока, подаваемые на нагрузку.
Для неустойчивых нагрузок может быть более желательным АЦП последовательного приближения (SAR) с, возможно, входным каскадом усилителя с измерением тока. Любая ошибка смещения влияет на общую ошибку в количестве заряда батареи. Ошибки измерения с течением времени приведут к значительным ошибкам состояния заряда аккумуляторной батареи. При измерении заряда достаточно смещения измерения 50 мкВ или менее при разрешении 16 бит.
Напряжение ячеек и продление срока службы батареи
Мониторинг напряжения каждой ячейки в аккумуляторной батарее важен для определения ее общего состояния. Все элементы имеют окно рабочего напряжения, в котором должна происходить зарядка / разрядка для обеспечения правильной работы и срока службы батареи. Если в приложении используется батарея с литиевым составом, рабочее напряжение обычно находится в диапазоне от 2,5 до 4,2 В. Диапазон напряжения зависит от химического состава. Эксплуатация аккумулятора вне диапазона напряжений значительно сокращает срок службы элемента и может сделать его бесполезным.
Элементы соединены последовательно и параллельно, образуя аккумуляторную батарею. Параллельное соединение увеличивает ток аккумуляторной батареи, а последовательное соединение увеличивает общее напряжение. Производительность элемента имеет следующее распределение: в момент времени, равный нулю, скорость заряда и разряда элемента аккумуляторной батареи одинакова. По мере того, как каждая ячейка проходит цикл между зарядкой и разрядкой, скорость заряда и разряда каждой ячейки меняется. Это приводит к распределению распределения по аккумуляторной батарее.
Простой способ определить, заряжен ли аккумуляторный блок, - это контролировать напряжение каждой ячейки до заданного уровня напряжения. Напряжение первого элемента, достигшее предела напряжения, приводит к срабатыванию предела заряда аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея с более слабой, чем в среднем, ячейкой приводит к тому, что самая слабая ячейка первой достигает предела, не позволяя остальным элементам полностью заряжаться.
Схема зарядки, как описано, не максимизирует время включения аккумуляторной батареи за одну зарядку. Схема зарядки сокращает срок службы аккумуляторной батареи, поскольку ей требуется больше циклов зарядки и разрядки. Более слабый элемент разряжается быстрее. Это также происходит в цикле разряда; более слабый элемент сначала выходит за пределы разряда, оставляя остальные элементы с оставшимся зарядом.
Есть два способа уменьшить время включения при зарядке аккумуляторной батареи. Первый - замедлить заряд самой слабой ячейки во время цикла зарядки. Это достигается подключением байпасного полевого транзистора с токоограничивающим резистором через ячейку.(Рис. 3A). Он принимает ток от ячейки с наибольшим током, что приводит к замедлению заряда ячейки. В результате другие элементы аккумуляторной батареи могут догнать. Конечная цель - максимально увеличить емкость аккумулятора за счет одновременного достижения всеми элементами полностью заряженного предела.
3. Обходные полевые транзисторы для балансировки ячеек помогают снизить скорость заряда ячейки во время цикла зарядки (A). Активная балансировка используется во время цикла разряда, чтобы отобрать заряд у сильного элемента и передать заряд слабому элементу (B).
Второй метод состоит в том, чтобы сбалансировать аккумуляторную батарею в цикле разряда путем реализации схемы заряда-смещения. Это достигается за счет получения заряда через индуктивную связь или емкостное накопление от альфа-ячейки и инжекции накопленного заряда в самую слабую ячейку. Это замедляет время, необходимое самому слабому элементу для достижения предела разряда, также известного как активная балансировка.(Рис. 3B).
Контроль температуры
Сегодняшние батареи выдают большой ток, сохраняя при этом постоянное напряжение. Это может привести к разгону, что приведет к возгоранию аккумулятора. Химические вещества, используемые для изготовления батареи, очень летучие - батарея, пронзенная правильным предметом, также может вызвать возгорание батареи. Измерения температуры используются не только в целях безопасности, они также могут определить, нужно ли заряжать или разряжать аккумулятор.
Датчики температуры контролируют каждую ячейку для приложений системы хранения энергии (ESS) или группу ячеек для небольших и более портативных приложений. Термисторы, питаемые от внутреннего источника опорного напряжения АЦП, обычно используются для контроля температуры каждой цепи. Кроме того, внутренний источник опорного напряжения помогает снизить неточность показаний температуры по сравнению с изменениями температуры окружающей среды.
Конечные автоматы или алгоритмы
Большинству систем BMS требуется микроконтроллер (MCU) или программируемая вентильная матрица (FPGA) для управления информацией от схемы считывания, а затем принятия решений на основе полученной информации. В некоторых устройствах, таких как ISL94203, алгоритм с цифровым кодированием позволяет использовать автономное решение с одним чипом. Автономные решения также ценны при подключении к MCU, потому что конечный автомат автономного может использоваться для освобождения тактовых циклов MCU и пространства памяти.
Другие строительные блоки BMS
Другие функциональные блоки BMS могут включать аутентификацию батареи, часы реального времени (RTC), память и шлейфовое соединение. RTC и память используются для приложений «черного ящика» - RTC используется как отметка времени, а память используется для хранения данных. Это позволяет пользователю узнать о поведении аккумуляторной батареи до катастрофического события. Блок аутентификации аккумулятора предотвращает подключение электроники BMS к аккумуляторной батарее стороннего производителя. Опорное напряжение / регулятор напряжения используется для питания периферийных схем системы BMS. Наконец, схема последовательного подключения используется для упрощения соединения между устройствами в стеке. Блок шлейфового подключения устраняет необходимость в оптических соединителях или других схемах смещения уровня.
