Източник: electronicdesign.com
Архитектура на системата за управление на батериите
Системата за управление на батерии (BMS) обикновено се състои от няколко функционални блока, включително трансмитери за отблюдаем на полеви ефекти (FETs), монитор за измерване на горивото, монитор на клетъчните напрежение, баланс на клетъчните функции, часовник в реално време, температурни монитори и държавна машина(Фиг. 1). Налични са няколко вида BMS интегрални схеми.
Групирането на функционални блокове варира значително от проста аналогова предна част, като например ISL94208, която предлага балансиране и наблюдение и изисква микроконтролер, до самостоятелно интегрирано решение, което работи самостоятелно (например ISL94203). Сега нека да разгледаме целта и технологията зад всеки блок, както и плюсовете и минусите на всяка технология.
Преходно FET и драйвер за FET
Функционалният блок за БТН-водача е отговорен за връзката и изолирането на батерията между товара и зарядното устройство. Поведението на драйвера за FET се основава на измервания от напрежения на батериите, токове и схеми за откриване в реално време. На фигура 2 са показани два различни вида FET връзки между товара и зарядното устройство и батерията.
Фигура 2А изисква най-малкото свързване към батерията и ограничава режимите на работа на батерията до зареждане, разреждане или заспиване. Текущата посока на потока и поведението на конкретен тест в реално време определят състоянието на устройството.
2. Показани са схеми за изключване на БНТ за единична връзка между товара и зарядното устройство (A) и двукабелна връзка, която позволява едновременно зареждане и разтоварване (B).
Например, ISL94203 има монитор канал (CHMON), който следи напрежението от дясната страна на прехода FETs. Ако зарядното устройство е свързано и акумулаторът е изолиран от него, токът, инжектиран към акумулаторната батерия, ще доведе до повишаване на напрежението до максималното захранващо напрежение на зарядното устройство. Нивото на напрежението на CHMON се задейства, което позволява на BMS устройството да знае, че има зарядно устройство. За да определите връзка за зареждане, ток се вкарва в товара, за да определите дали има натоварване. Ако напрежението на щифта не се покачва значително при инжектиране на ток, резултатът определя, че е налице натоварване. След това DFET на шофьора за FET се включва. Схемата на свързване на фигура 2В позволява на батерията да работи по време на зареждане.
БНТ драйверите могат да бъдат проектирани да се свързват с висока или ниска страна на батерията. За да активирате NMOS FETs, е необходимо да се включи високостранна връзка. Когато се използва драйвер от висок клас, той позволява за останалата част от веригата да се използва твърда наземна препратка. Ниско страничната FET връзки на водачите се намират в някои интегрирани решения за намаляване на разходите, тъй като те не се нуждаят от зарядна помпа. Те също така не изискват високоволтови устройства, които консумират по-голяма площ. Използването на прекъсвания FETs от ниската страна потъва на земната връзка на акумулатора, което го прави по-податлив на шум, впръскван в измерването. Това се отразява на представянето на някои интегрални схеми.
Измерване на горивото/измерване на тока
Функционалният блок за измерване на горивото следи зареждането, което влиза и излиза от акумулаторната батерия. Зареждането е продукт на текущото и времето. При проектирането на измервателен уред могат да се използват няколко различни техники.
Токов усилвател и MCU с вграден аналогово-цифров преобразувател (ADC) с ниска разделителна способност е един токов метод на измерване. Усилвателят на тока-смисъл, който работи в среда с висок общ режим, усилва сигнала, позволявайки измервания с по-висока разделителна способност. Тази техника на дизайна жертва динамичен обхват, въпреки че.
Други техники използват ADC с висока разделителна способност или скъпоструйно дизелово гориво. Разбирането на товароподемното поведение на потреблението спрямо времето определя най-добрия вид на дизайна на горивния габарит.
Най-точното и рентабилно решение е да се измери напрежението през резистора за сетивата с помощта на 16-битов или по-висок ADC с ниско офсетово и високочесто-честон режим. A висока резолюция ADC предлага голям динамичен диапазон за сметка на скоростта. Ако батерията е свързана с необичаен товар, като например електрическо превозно средство, бавният ADC може да пропусне високите и високочестотни токови шипове, доставени на товара.
За неравни натоварвания, ADC с регистър с последователен (SAR) регистър (SAR) с вероятно предния край на тока-смисъл може да бъде по-желателно. Всяка отместване се отразява на общата грешка в количеството заряд на батерията. Грешките при измерването с течение на времето ще доведат до значителни грешки в състоянието на зареждане на батерията. При измерване на заряда е достатъчно офсет от измерването от 50 μV или по-малко с 16-битов резолюция.
Напрежение на клетката и максимизиране на живота на батерията
Мониторингът на напрежението на всяка клетка в батерията е от съществено значение за определяне на цялостното й здраве. Всички клетки имат прозорец с работното напрежение, където трябва да се случи зареждане/разтоварване, за да се осигури правилна работа и живот на батерията. Ако дадено приложение използва батерия с литиев химичен, работното напрежение обикновено варира между 2.5 и 4.2 V. Диапазонът на напрежението е химически зависим. Работата на батерията извън диапазона на напрежение значително намалява живота на клетката и може да я направи безполезна.
Клетките са свързани последователно и успоредно да образуват батерия. Паралелната връзка увеличава тока на батерията, докато серийната връзка увеличава общото напрежение. Ефективността на клетката има разпределение: Във времето е равна на нула, скоростта на зареждане и разреждане на батерията са едни и същи. При всяко циклично зареждане и разреждане се променят скоростите на зареждане и разреждането на всяка клетка. Това води до разпространение на разпространението в батерията.
Един прост начин да се определи дали батерията е заредена е да се следи напрежението на всяка клетка до зададено ниво на напрежение. Първото напрежение на клетката, за да достигне ограничението на напрежението се изтощи лимита на батерията заредена. По-слаба от средната клетка батерията води до най-слабата клетка да достигне първо границата, като останалите клетки се зареждат напълно.
Схемата за зареждане, както е описано, не увеличава максимално времето на батерията ON за зареждане. Схемата за зареждане намалява експлоатационния срок на батерията, защото се нуждае от повече цикли на зареждане и разреждане. По-слабите клетки се разреждат по-бързо. Също така се случва на цикъла на разреждане; по-слабите клетки първо се изчитат, оставяйки останалите клетки с оставащия заряд.
Има два начина за подобряване на времето за включване на заряд на батерията. Първият е да се забави заряда към най-слабите клетки по време на цикъла на зареждане. Това се постига чрез свързване на байпас FET с токов ограничителен резистор в клетката(Фиг. 3А). Тя отнема ток от клетката с най-високата ток, което води до забавяне на зареждането на клетките. В резултат на това другите батерии клетки са в състояние да наваксат. Крайната цел е да се увеличи максималният капацитет на батерията, като всички клетки едновременно достигнат напълно заредената граница.
3. Заобикаляне на клетките балансиране на FETs помогне забави скоростта на зареждане на клетката по време на цикъла на зареждане (А). Активно балансиране се използва по време на цикъла на разреждане, за да се открадне такса от силна клетка и да се даде заряда на слаба клетка (B).
Вторият метод е да се балансира акумулаторната батерия в разрядния цикъл чрез прилагане на схема за изместване на заряда. Това се постига чрез поемане на заряд чрез индуктивно съединение или капацитивен съхранение от алфа клетката и инжектиране на зареден заряд в най-слабата клетка. Това забавя времето, необходимо на най-слабите клетки, за да достигне границата на разряд, в противен случай известен като активен балансиране(Фиг. 3B).
Мониторинг на температурата
Днешните батерии доставят много ток, като същевременно поддържат постоянно напрежение. Това може да доведе до състояние на беглец, което кара батерията да се запали. Химикалите, използвани за изграждане на батерията, са силно летливи – батерията, набита с правилния предмет, може също така да накара батерията да се запали. Измерванията на температурата не се използват само за безопасност, те също могат да определят дали е желателно да се зарежда или разрежда батерия.
Сензорите за температура следят всяка клетка за приложения за енергия-система за съхранение (ESS) или група от клетки за по-малки и по-преносими приложения. Термоисторите, захранвани от вътрешен ADC обръщение на напрежението, обикновено се използват за наблюдение на температурата на всяка верига. В допълнение, вътрешното напрежение на референтен елемент помага за намаляване на неточностите в температурното отчитане спрямо промените в околната среда температура.
Състояние машини или алгоритми
Повечето системи за BMS изискват микроконтролер (MCU) или полеви програмируеми портални масиви (FPGA) за управление на информацията от сензорната схема и след това да вземат решения с получената информация. В някои устройства, като ISL94203, алгоритъм, който е цифрово кодиран, позволява самостоятелно решение с един чип. Самостоятелните решения също са ценни, когато са свързани с MCU, защото на автономна държавна машина може да се използва за освобождаване на MCU часовникови цикли и памет пространство.
Други градивни блокове на БМС
Други функционални BMS блокове могат да включват удостоверяване на батерията, часовник в реално време (RTC), памет и дейзи верига. RTC и паметта се използват за черно-кутия приложения – RTC се използва като печат за време и памет се използва за съхранение на данни. Това позволява на потребителя да знае поведението на батерията преди катастрофално събитие. Блокът за удостоверяване на батерията не позволява BMS електроника да се свърже към батерията на други производители. Референция/регулатор на напрежението се използва за захранване на периферните схеми около BMS системата. Накрая, верига с daisy-верига се използва за опростяване на връзката между подредени устройства. Блокът с вериги за daisy-верига заменя необходимостта от оптични съединители или други схеми за смяна на нивото.
