Извор: елецтроницдесигн.цом
Архитектура система за управљање батеријама
Систем за управљање батеријама (БМС) обично се састоји од неколико функционалних блокова, укључујући предајнике ефекта поља (ФЕТ), монитор мерача горива, монитор ћелијског напона, равнотежу ћелијског напона, сат у реалном времену, мониторе температуре и основна машина(Фиг. 1). Доступно је неколико врста БМС ИЦ.
Груписање функционалних блокова се веома разликује од једноставног аналогног предњег краја, као што је ИСЛ94208 који нуди балансирање и надзор и потребан је микроконтролер, до самосталног интегрисаног решења које ради аутономно (нпр. ИСЛ94203). Сада испитајмо сврху и технологију која стоји иза сваког блока, као и предности и недостатке сваке технологије.
Цутофф ФЕТс и ФЕТ Дривер
Функционални блок ФЕТ управљачког програма одговоран је за везу батерија и изолацију између терета и пуњача. Понашање ФЕТ возача заснива се на мерењима напона у ћелијским батеријама, тренутним мерењима и круговима за детекцију у реалном времену. На слици 2 су приказана два различита типа ФЕТ веза између терета и пуњача и батерије.
Слика 2А захтева најмањи број веза са батеријом и ограничава начине рада батерија на пуњење, пражњење или спавање. Тренутни смер протока и понашање одређеног теста у реалном времену одређују стање уређаја.
2. Приказане су пресечне ФЕТ шеме за једноструку везу између терета и пуњача (А) и двостепену везу која омогућава истовремено пуњење и пражњење (Б).
На пример, ИСЛ94203 има надгледање канала (ЦХМОН) који надгледа напон на десној страни граничних ФЕТ-ова. Ако је пуњач повезан и батерија је изолована од њега, струја убризгана у батерију довешће до пораста напона до максималног напона напајања пуњача. Искључи се ниво напона на ЦХМОН-у, што БМС уређају даје до знања да је присутан пуњач. Да би се утврдила веза терета, у терет се убризгава струја да би се утврдило да ли постоји оптерећење. Ако напон на пин-у не расте значајно приликом убризгавања струје, исход одређује да је присутно оптерећење. ДФЕТ возач ФЕТ се затим укључује. Шема повезивања на слици 2Б омогућава батерији да ради током пуњења.
ФЕТ управљачки програми могу бити дизајнирани за повезивање на горњу или доњу страну батеријског пакета. Веза са високе стране захтева покретачки програм пумпе за пуњење да активира НМОС ФЕТ-ове. Када користите драјвер високе стране, он омогућава чврсту референцу на земљу за остатак кола. Нискофреквентне везе ФЕТ драјвера налазе се у неким интегрисаним решењима за смањење трошкова, јер им није потребна пумпа за пуњење. Такође им нису потребни високонапонски уређаји који троше већу површину матрице. Коришћењем цут-офф ФЕТ-а на доњој страни лебди уземљени прикључак батерије, чинећи га осетљивијим на буку убризгану у мерење. Ово утиче на перформансе неких ИЦ.
Мерач горива / тренутна мерења
Функционални блок за мерење горива прати пуњење које улази и излази из батерије. Наплата је производ тренутка и времена. Неколико различитих техника може се користити при дизајнирању мерача горива.
Појачало тренутног осећаја и МЦУ са уграђеним аналогно-дигиталним претварачем ниске резолуције (АДЦ) једна су метода мерења струје. Појачало тренутног осећаја, које ради у високим уобичајеним окружењима, појачава сигнал, омогућавајући мерења веће резолуције. Ова техника дизајна, међутим, жртвује динамички опсег.
Друге технике користе АДЦ високе резолуције или скупу ИЦ мерила горива. Разумевање тренутне потрошње понашања терета у односу на време одређује најбољу врсту дизајна мерача горива.
Најтачније и најисплативије решење је мерење напона на отпорнику отпорника помоћу 16-битног или вишег АДЦ-а са малим помаком и високим рејтингом заједничког режима. АДЦ високе резолуције нуди велики динамички опсег на штету брзине. Ако је батерија повезана са несталним оптерећењем, као што је електрично возило, спор АДЦ може пропустити велике и високофреквентне скокове струје испоручене на терет.
За неправилна оптерећења можда је пожељнији АДЦ са сукцесивним приближним регистром (САР) са можда предњим крајем појачала тренутног осећаја. Свака грешка померања утиче на укупну грешку у износу напуњености батерије. Грешке мерења временом ће проузроковати значајне грешке стања напуњености батерије. Мерење помака од 50 µВ или мање са 16-битном резолуцијом је довољно за мерење наелектрисања.
Напон ћелије и продужавање животног века батерије
Надгледање ћелијског напона сваке ћелије у батеријском пакету је од суштинског значаја за одређивање њеног укупног здравственог стања. Све ћелије имају прозор радног напона у којем би требало да се догоди пуњење / пражњење како би се осигурао правилан рад и животни век батерије. Ако апликација користи батерију са литијумском хемијом, радни напон се обично креће између 2,5 и 4,2 В. Опсег напона зависи од хемије. Рад батерија изван опсега напона значајно смањује животни век ћелије и може је учинити бескорисном.
Ћелије су повезане серијски и паралелно да би формирале батеријски пакет. Паралелна веза повећава тренутни погон батерије, док серијска веза повећава укупни напон. Перформансе ћелије имају расподелу: Када је време једнако нули, брзина пуњења и пражњења ћелије батерије је иста. Како се свака ћелија креће између пуњења и пражњења, мењају се брзине пуњења и пражњења сваке ћелије. То резултира дистрибуцијом по батеријама.
Једноставан начин да се утврди да ли је батерија напуњена је надгледање напона сваке ћелије до задатог нивоа напона. Први напон ћелије који достигне ограничење напона прекида ограничење напуњености батерије. Пакет слабијих батерија од просечног доводи до тога да најслабија ћелија прво достигне границу, спречавајући да се остале ћелије потпуно напуне.
Шема пуњења, како је описана, не максимизира време УКЉУЧИВАЊА батерија по пуњењу. Шема пуњења смањује животни век батерије јер јој је потребно више циклуса пуњења и пражњења. Слабија ћелија се брже празни. Такође се јавља на циклусу пражњења; слабија ћелија прво пређе границу пражњења, а остатку ћелија остаје напуњеност.
Постоје два начина за побољшање времена укључивања по напуњености батерија. Прва је успоравање пуњења до најслабије ћелије током циклуса пуњења. То се постиже повезивањем премосног ФЕТ-а са отпорником за ограничавање струје преко ћелије(Слика 3А). Узима струју из ћелије са највећом струјом, што резултира успоравањем пуњења ћелије. Као резултат, остале ћелије батерија могу да је сустигну. Крајњи циљ је максимизирање капацитета пуњења батерија тако што ће све ћелије истовремено достићи потпуно напуњену границу.
3. ФЕТ-ови за заобилажење балансирања ћелија помажу у успоравању брзине пуњења ћелије током циклуса пуњења (А). Активно уравнотежење се користи током циклуса пражњења за крађу наелектрисања из јаке ћелије и давање набоја слабој ћелији (Б).
Друга метода је уравнотежавање батеријског склопа на циклусу пражњења применом шеме померања наелектрисања. То се постиже преузимањем наелектрисања индуктивним спајањем или капацитивним складиштењем из алфа ћелије и убризгавањем ускладиштеног наелектрисања у најслабију ћелију. Ово успорава време које је потребно најслабијој ћелији да достигне ограничење пражњења, иначе познато као активно балансирање(Слика 3Б).
Надгледање температуре
Данашње батерије испоручују пуно струје уз одржавање константног напона. То може довести до одбеглог стања због којег се батерија може запалити. Хемикалије које се користе за израду батерије су врло испарљиве - батерија набијена правим предметом такође може запалити батерију. Мерења температуре се не користе само ради безбедности, већ могу утврдити да ли је пожељно напунити или испразнити батерију.
Сензори температуре надгледају сваку ћелију за системе за складиштење енергије (ЕСС) или групу ћелија за мање и преносиве апликације. Термистори напајани унутрашњим референтним напоном АДЦ обично се користе за надгледање температуре сваког круга. Поред тога, интерна референца напона помаже у смањењу нетачности очитавања температуре у односу на промене температуре околине.
Државне машине или алгоритми
Већина БМС система захтева микроконтролер (МЦУ) или поље програмабилних врата (ФПГА) за управљање информацијама из сензорског кола, а затим доношење одлука са примљеним информацијама. У одређеним уређајима, као што је ИСЛ94203, алгоритам који је дигитално кодиран омогућава самостално решење са једним чипом. Самостална решења су такође драгоцена када се повежу са МЦУ-ом, јер се самостални државни уређај може користити за ослобађање циклуса МЦУ такта и меморијског простора.
Остали БМС грађевински блокови
Остали функционални БМС блокови могу да укључују потврду идентитета батерије, сат у реалном времену (РТЦ), меморију и ланац. РТЦ и меморија се користе за црне кутије - РТЦ се користи као временска ознака, а меморија за складиштење података. Ово омогућава кориснику да зна понашање батерија пре катастрофалног догађаја. Блок за потврду идентитета батерије спречава повезивање БМС електронике са батеријом треће стране. Референца / регулатор напона користи се за напајање периферних кола око БМС система. Коначно, склоп ланчића користи се за поједностављивање везе између наслаганих уређаја. Блок ланаца замењује потребу за оптичким спојницама или другим склоповима за померање нивоа.
