Źródło:electronicdesign.com
Architektura systemu zarządzania akumulatorami
System zarządzania baterią (BMS) zazwyczaj składa się z kilku bloków funkcjonalnych, w tym nadajników z efektem pola odcięcia (FET), monitora wskaźnika paliwa, monitora napięcia ogniwa, bilansu napięcia ogniwa, zegara czasu rzeczywistego, monitorów temperatury i maszyna stanowa(rys. 1). Dostępnych jest kilka typów układów scalonych BMS.
Grupowanie bloków funkcjonalnych znacznie się różni od prostego, analogowego interfejsu, takiego jak ISL94208, który oferuje równoważenie i monitorowanie oraz wymaga mikrokontrolera, do samodzielnego zintegrowanego rozwiązania, które działa autonomicznie (np. ISL94203). Przyjrzyjmy się teraz celowi i technologii stojącej za każdym blokiem, a także zaletom i wadom każdej technologii.
Odcięcie FET i sterownik FET
Blok funkcyjny sterownika FET jest odpowiedzialny za połączenie i izolację zestawu akumulatorów między obciążeniem a ładowarką. Zachowanie sterownika FET opiera się na pomiarach napięcia ogniw akumulatora, pomiarach prądu i obwodach wykrywania w czasie rzeczywistym. Rysunek 2 ilustruje dwa różne typy połączeń FET między obciążeniem i ładowarką oraz zestawem akumulatorów.
Rysunek 2A wymaga najmniejszej liczby połączeń z akumulatorem i ogranicza tryby pracy akumulatora do ładowania, rozładowania lub uśpienia. O stanie urządzenia decyduje kierunek przepływu prądu oraz zachowanie określonego testu w czasie rzeczywistym.
2. Pokazane są odcięte schematy FET dla pojedynczego połączenia między obciążeniem a ładowarką (A) oraz połączenie z dwoma zaciskami, które pozwala na jednoczesne ładowanie i rozładowywanie (B).
Na przykład ISL94203 ma monitor kanału (CHMON), który monitoruje napięcie po prawej stronie odcięcia FET. Jeśli ładowarka jest podłączona, a pakiet akumulatorów jest od niej odizolowany, prąd podawany w kierunku pakietu akumulatorów spowoduje wzrost napięcia do maksymalnego napięcia zasilania ładowarki. Poziom napięcia w CHMON zostaje wyzwolony, dzięki czemu urządzenie BMS wie, że obecna jest ładowarka. Aby określić połączenie obciążenia, prąd jest wstrzykiwany do obciążenia, aby określić, czy obciążenie jest obecne. Jeśli napięcie na bolcu nie wzrośnie znacząco podczas wstrzykiwania prądu, wynik określa, że obecne jest obciążenie. Następnie włącza się DFET sterownika FET. Schemat połączeń na Rysunku 2B umożliwia działanie zestawu akumulatorów podczas ładowania.
Sterowniki FET można zaprojektować tak, aby łączyły się z wysokim lub niskim poziomem akumulatora. Połączenie high-side wymaga sterownika pompy ładującej do aktywacji tranzystorów NMOS FET. W przypadku korzystania z głośnika high-side, pozwala to na solidne odniesienie masy dla reszty obwodów. Połączenia sterownika FET po stronie dolnej znajdują się w niektórych zintegrowanych rozwiązaniach w celu obniżenia kosztów, ponieważ nie wymagają one pompy ładującej. Nie wymagają również urządzeń wysokiego napięcia, które zajmują większą powierzchnię matrycy. Użycie odciętych tranzystorów FET po niskiej stronie unosi połączenie uziemienia zestawu akumulatorów, czyniąc go bardziej podatnym na szum wprowadzany do pomiaru. Wpływa to na wydajność niektórych układów scalonych.
Wskaźnik paliwa/pomiary prądu
Blok funkcyjny wskaźnika poziomu paliwa śledzi ładunek wchodzący i wychodzący z zestawu akumulatorów. Opłata jest iloczynem prądu i czasu. Podczas projektowania wskaźnika poziomu paliwa można zastosować kilka różnych technik.
Wzmacniacz wykrywający prąd i MCU z wbudowanym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) o niskiej rozdzielczości to jedna z metod pomiaru prądu. Wzmacniacz z czujnikiem prądowym, który działa w środowiskach o wysokim trybie wspólnym, wzmacnia sygnał, umożliwiając pomiary o wyższej rozdzielczości. Ta technika projektowania poświęca jednak zakres dynamiczny.
Inne techniki wykorzystują przetwornik ADC o wysokiej rozdzielczości lub kosztowny układ scalony wskaźnika paliwa. Zrozumienie aktualnego zużycia w zależności od zachowania obciążenia w czasie pozwala określić najlepszy rodzaj konstrukcji wskaźnika paliwa.
Najdokładniejszym i najbardziej opłacalnym rozwiązaniem jest pomiar napięcia na rezystorze pomiarowym za pomocą 16-bitowego lub wyższego ADC z niskim offsetem i wysokim współczynnikiem znamionowym w trybie wspólnym. Przetwornik ADC o wysokiej rozdzielczości oferuje duży zakres dynamiki kosztem szybkości. Jeśli akumulator jest podłączony do nieregularnego obciążenia, takiego jak pojazd elektryczny, powolny ADC może przeoczyć impulsy prądu o dużej wartości i wysokiej częstotliwości dostarczane do obciążenia.
W przypadku nieregularnych obciążeń, bardziej pożądany może być przetwornik ADC z rejestrem kolejnych przybliżeń (SAR) z być może przednim końcem wzmacniacza wyczuwającego prąd. Każdy błąd przesunięcia wpływa na ogólny błąd w ilości naładowania akumulatora. Błędy pomiaru w miarę upływu czasu spowodują znaczne błędy stanu naładowania akumulatora. Do pomiaru ładunku wystarcza przesunięcie pomiaru 50 µV lub mniej z 16-bitową rozdzielczością.
Napięcie ogniw i maksymalizacja żywotności baterii Battery
Monitorowanie napięcia każdej komórki w zestawie baterii jest niezbędne do określenia jego ogólnego stanu. Wszystkie ogniwa posiadają okienko napięcia roboczego, w którym powinno nastąpić ładowanie/rozładowanie, aby zapewnić prawidłowe działanie i żywotność baterii. Jeśli aplikacja korzysta z baterii z chemią litową, napięcie robocze zwykle waha się od 2,5 do 4,2 V. Zakres napięcia zależy od chemii. Praca akumulatora poza zakresem napięcia znacznie skraca żywotność ogniwa i może uczynić go bezużytecznym.
Ogniwa są połączone szeregowo i równolegle, tworząc pakiet akumulatorów. Połączenie równoległe zwiększa prąd napędu pakietu akumulatorów, podczas gdy połączenie szeregowe zwiększa ogólne napięcie. Wydajność ogniwa ma rozkład: w czasie równym zeru szybkość ładowania i rozładowania ogniwa akumulatora jest taka sama. Gdy każde ogniwo przechodzi cykl między ładowaniem a rozładowaniem, szybkość ładowania i rozładowania każdego ogniwa zmienia się. Powoduje to rozłożenie dystrybucji w całym pakiecie baterii.
Prostym sposobem określenia, czy pakiet akumulatorów jest naładowany, jest monitorowanie napięcia każdego ogniwa do ustawionego poziomu napięcia. Pierwsze napięcie ogniwa, które osiągnie limit napięcia, wyłącza limit naładowania akumulatora. Słabsza niż przeciętna bateria ogniw powoduje, że najsłabsze ogniwo jako pierwsze osiąga limit, uniemożliwiając pełne naładowanie pozostałych ogniw.
Schemat ładowania, jak opisano, nie maksymalizuje czasu włączenia zestawu akumulatorów na jedno ładowanie. Schemat ładowania skraca żywotność akumulatora, ponieważ wymaga większej liczby cykli ładowania i rozładowania. Słabsza komórka rozładowuje się szybciej. Występuje również w cyklu rozładowania; słabsze ogniwo najpierw wyłącza limit rozładowania, pozostawiając resztę ogniw z pozostałym ładunkiem.
Istnieją dwa sposoby na skrócenie czasu włączenia przy każdym naładowaniu akumulatora. Pierwszym z nich jest spowolnienie ładowania do najsłabszego ogniwa podczas cyklu ładowania. Osiąga się to poprzez podłączenie bypassu FET z rezystorem ograniczającym prąd w poprzek ogniwa(Rys. 3A). Pobiera prąd z ogniwa o najwyższym prądzie, co powoduje spowolnienie ładowania ogniwa. W rezultacie pozostałe ogniwa akumulatora są w stanie nadrobić zaległości. Ostatecznym celem jest maksymalizacja pojemności akumulatora poprzez jednoczesne osiągnięcie przez wszystkie ogniwa limitu pełnego naładowania.
3. Układy FET równoważące ogniwa z obejściem pomagają spowolnić tempo ładowania ogniwa podczas cyklu ładowania (A). Aktywne równoważenie jest używane podczas cyklu rozładowania, aby wykraść ładunek z silnego ogniwa i przekazać ładunek do słabego ogniwa (B).
Druga metoda polega na zrównoważeniu pakietu akumulatorów w cyklu rozładowania poprzez wdrożenie schematu przemieszczania ładunku. Osiąga się to poprzez przejęcie ładunku poprzez sprzężenie indukcyjne lub pojemnościowe magazynowanie z ogniwa alfa i wstrzyknięcie zmagazynowanego ładunku do najsłabszego ogniwa. Spowalnia to czas potrzebny najsłabszej komórce do osiągnięcia limitu rozładowania, znanego również jako aktywne równoważenie(rys. 3B).
Monitorowanie temperatury
Dzisiejsze akumulatory dostarczają dużo prądu przy stałym napięciu. Może to prowadzić do niekontrolowanego stanu, który powoduje zapalenie się akumulatora. Chemikalia użyte do budowy baterii są bardzo lotne — bateria przebita odpowiednim przedmiotem może również spowodować zapalenie się baterii. Pomiary temperatury służą nie tylko bezpieczeństwu, ale także pozwalają określić, czy pożądane jest ładowanie lub rozładowywanie akumulatora.
Czujniki temperatury monitorują każde ogniwo pod kątem zastosowań systemu magazynowania energii (ESS) lub grupy ogniw w przypadku mniejszych i bardziej przenośnych zastosowań. Termistory zasilane wewnętrznym napięciem odniesienia ADC są powszechnie używane do monitorowania temperatury każdego obwodu. Ponadto wewnętrzne napięcie odniesienia pomaga zmniejszyć niedokładności odczytu temperatury w stosunku do zmian temperatury otoczenia.
Maszyny stanowe lub algorytmy
Większość systemów BMS wymaga mikrokontrolera (MCU) lub programowalnej macierzy bramek (FPGA) do zarządzania informacjami z obwodów czujnikowych, a następnie podejmowania decyzji na podstawie otrzymanych informacji. W niektórych urządzeniach, takich jak ISL94203, algorytm zakodowany cyfrowo umożliwia samodzielne rozwiązanie z jednym chipem. Rozwiązania autonomiczne są również cenne w przypadku połączenia z MCU, ponieważ samodzielna maszyna stanu może być wykorzystana do zwolnienia cykli zegarowych MCU i przestrzeni pamięci.
Inne bloki konstrukcyjne BMS
Inne funkcjonalne bloki BMS mogą obejmować uwierzytelnianie baterii, zegar czasu rzeczywistego (RTC), pamięć i połączenie szeregowe. Zegar czasu rzeczywistego i pamięć są używane w aplikacjach czarnoskrzynkowych — zegar czasu rzeczywistego służy jako znacznik czasu, a pamięć służy do przechowywania danych. Dzięki temu użytkownik może poznać zachowanie akumulatora przed katastrofą. Blok uwierzytelniania baterii uniemożliwia podłączenie elektroniki BMS do zestawu baterii innej firmy. Napięcie odniesienia/regulator służy do zasilania obwodów peryferyjnych wokół systemu BMS. Wreszcie, do uproszczenia połączenia między urządzeniami ustawionymi w stos stosuje się układy łańcuchowe. Blok łańcuchowy zastępuje potrzebę stosowania sprzęgaczy optycznych lub innych obwodów zmieniających poziom.
