Izvor: electronicdesign.com
Arhitektura sustava za upravljanje baterijama
Sustav za upravljanje baterijama (BMS) obično se sastoji od nekoliko funkcionalnih blokova, uključujući granične odašiljače poljskog efekta (FET), monitor mjerača goriva, monitor ćelijskog napona, ravnotežu ćelijskog napona, sat u stvarnom vremenu, monitore temperature i državni stroj(Sl. 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 uravnoteženje i nadzor i potreban je mikrokontroler, do samostalnog integriranog rješenja koje radi samostalno (npr. ISL94203). Sada ćemo ispitati svrhu i tehnologiju koja stoji iza svakog bloka, kao i prednosti i nedostatke svake tehnologije.
Isječni FET-ovi i FET pokretački program
Funkcionalni blok FET upravljačkog programa odgovoran je za spajanje baterija i izolaciju između tereta i punjača. Ponašanje FET-ovog vozača temelji 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 presječne FET sheme za jednostruku vezu između tereta i punjača (A) i dvostepenu vezu koja omogućuje istodobno punjenje i pražnjenje (B).
Na primjer, ISL94203 ima nadzornik kanala (CHMON) koji nadgleda napon na desnoj strani presječnih FET-ova. Ako je priključen punjač i baterija je izolirana od njega, struja ubrizgana prema bateriji uzrokovat će porast napona do maksimalnog napona napajanja punjača. Isključi se napon na CHMON-u, što BMS uređaju daje do znanja da je prisutan punjač. Da bi se odredila veza opterećenja, u teret se ubrizgava struja da bi se utvrdilo postoji li opterećenje. Ako napon na zatiču ne naraste značajno prilikom ubrizgavanja struje, ishod određuje prisutnost opterećenja. Tada se uključuje DFET vozača FET-a. Shema povezivanja na slici 2B omogućuje 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 pogon pumpe za punjenje da aktivira NMOS FET-ove. Kada se koristi pokretački uređaj s bočne strane, omogućuje solidnu referentnu masu za ostatak sklopa. Niskofrekventne FET veze vozača nalaze se u nekim integriranim rješenjima kako bi se smanjili troškovi, jer im nije potrebna pumpa za punjenje. Također im nisu potrebni visokonaponski uređaji koji troše veće područje matrice. Korištenje graničnih FET-ova na donjoj strani pluta uzemljeni priključak baterija, čineći ga osjetljivijim na buku ubrizganu u mjerenje. To utječe na performanse nekih IC-a.
Mjerenja goriva / trenutna mjerenja
Funkcionalni blok mjerača goriva prati punjenje koje ulazi i izlazi iz baterije. Naboj je proizvod trenutka i vremena. Nekoliko različitih tehnika može se koristiti pri projektiranju mjerača goriva.
Pojačalo struje i MCU s ugrađenim analogno-digitalnim pretvaračem niske razlučivosti (ADC) jedna su metoda mjerenja struje. Pojačalo trenutnog osjeta, koje radi u okruženjima visokog zajedničkog načina rada, pojačava signal, omogućujući mjerenja veće rezolucije. Ova tehnika dizajna ipak žrtvuje dinamički raspon.
Ostale tehnike koriste ADC visoke rezolucije ili skupu IC mjerača goriva. Razumijevanje trenutne potrošnje ponašanja opterećenja u odnosu na vrijeme određuje najbolju vrstu izvedbe mjerača goriva.
Najtočnije i najisplativije rješenje je mjerenje napona na osjetnom otporu pomoću 16-bitnog ili višeg ADC-a s malim pomakom i visokom ocjenom zajedničkog načina rada. ADC visoke rezolucije nudi veliki dinamički raspon na štetu brzine. Ako je baterija spojena na nestabilno opterećenje, kao što je električno vozilo, polagani ADC može propustiti velike i visokofrekventne skokove struje isporučene na teret.
Za nepravilna opterećenja možda je poželjniji ADC s uzastopnim približnim registrom (SAR) s možda prednjim krajem pojačala trenutnog osjeta. Svaka pogreška pomaka utječe na ukupnu pogrešku u iznosu napunjenosti baterije. Pogreške mjerenja s vremenom će uzrokovati značajne pogreške stanja napunjenosti baterija. Pri mjerenju punjenja prikladan je pomak mjerenja od 50 µV ili manje sa 16-bitnom razlučivosti.
Napon ćelije i produženje vijeka trajanja baterije
Praćenje napona ćelije svake ćelije u baterijskom paketu neophodno je za utvrđivanje njezinog općeg zdravstvenog stanja. Sve ćelije imaju prozor s radnim naponom u kojem bi se trebalo dogoditi punjenje / pražnjenje kako bi se osigurao ispravan rad i vijek trajanja baterije. Ako aplikacija koristi bateriju s litijevom kemijom, radni napon obično se kreće između 2,5 i 4,2 V. Raspon napona ovisi o kemiji. Rad s baterijom izvan raspona napona značajno smanjuje vijek trajanja ćelije i može je učiniti beskorisnom.
Stanice su povezane redno i paralelno kako bi tvorile bateriju. Paralelna veza povećava trenutni pogon baterije, dok serijska veza povećava ukupni napon. Performanse ćelije imaju raspodjelu: Kada je vrijeme jednako nuli, brzine punjenja i pražnjenja ćelije baterije su iste. Kako se svaka stanica kreće između punjenja i pražnjenja, mijenjaju se brzine punjenja i pražnjenja svake stanice. To rezultira raspodjelom po baterijama.
Jednostavan način utvrđivanja punjenja baterija jest nadgledanje napona svake ćelije do zadane razine napona. Prvi napon ćelije koji dosegne ograničenje napona prekida ograničenje napunjenosti baterija. Paket slabijih baterija slabiji od prosjeka rezultira da najslabija ćelija prvo dosegne granicu, zadržavajući ostatak stanica da se potpuno napune.
Shema punjenja, kako je opisana, ne maksimizira vrijeme uključivanja baterija po punjenju. Shema punjenja smanjuje životni vijek baterije jer joj je potrebno više ciklusa punjenja i pražnjenja. Slabija stanica se brže prazni. Također se javlja na ciklusu pražnjenja; slabija ćelija prvo pređe granicu pražnjenja, a ostatku stanica ostaje naboj.
Postoje dva načina kako poboljšati vrijeme uključivanja po punjenju baterija. Prva je usporavanje punjenja do najslabije ćelije tijekom ciklusa punjenja. To se postiže spajanjem zaobilaznog FET-a s otpornikom za ograničavanje struje preko ćelije(Slika 3A). Potrebna je struja iz stanice s najvećom strujom, što rezultira usporavanjem punjenja stanice. Kao rezultat toga, ostale ćelije baterija mogu to sustići. Krajnji je cilj maksimizirati kapacitet napunjenosti baterija tako što će sve stanice istodobno doseći potpuno napunjenu granicu.
3. FET-ovi za zaobilaženje uravnoteženja ćelija pomažu usporiti brzinu punjenja stanice tijekom ciklusa punjenja (A). Aktivno uravnoteženje koristi se tijekom ciklusa pražnjenja za krađu naboja iz jake stanice 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 pohranjivanjem iz alfa stanice i ubrizgavanjem uskladištenog naboja u najslabiju ćeliju. To 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. Kemikalije koje se koriste za izradu baterije vrlo su hlapljive - baterija nabijena pravim predmetom također može zapaliti bateriju. Mjerenja temperature ne koriste se samo zbog sigurnosti, već mogu utvrditi je li poželjno napuniti ili isprazniti bateriju.
Senzori temperature nadgledaju svaku ćeliju za sustave za pohranu energije (ESS) ili grupiranje ćelija za manje i prijenosnije primjene. Termistori napajani unutarnjim referentnim naponom ADC obično se koriste za nadzor temperature svakog kruga. Uz to, interna referenca napona pomaže u smanjenju netočnosti očitanja temperature u odnosu na promjene temperature u okolišu.
Državni strojevi ili algoritmi
Većina BMS sustava zahtijeva mikrokontroler (MCU) ili polje programabilnih vrata (FPGA) za upravljanje informacijama iz senzorskog kruga, a zatim donošenje odluka s primljenim informacijama. Na određenim uređajima, poput ISL94203, algoritam koji je digitalno kodiran omogućuje 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 tratinčica. 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 sprječava povezivanje BMS elektronike s baterijom treće strane. Referenca / regulator napona koristi se za napajanje perifernih krugova oko BMS sustava. Konačno, sklop lančića koristi se za pojednostavljivanje veze između naslaganih uređaja. Blok lanac-tratinčica zamjenjuje potrebu za optičkim spojnicama ili drugim sklopovima za promjenu razine.