Forrás: electronicdesign.com
Akkumulátor-kezelő rendszer felépítése
Az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) általában több funkcionális blokkból áll, beleértve a terepi hatástávadók (FET), az üzemanyag-mérő monitor, a cellafeszültség-figyelő, a cellafeszültség-egyensúly, a valós idejű óra, a hőmérséklet-monitorok és a államgép(1. ábra). Többféle BMS IC áll rendelkezésre.
A funkcionális blokkok csoportosítása széles skálán mozog egy egyszerű analóg kezelőfelülettől, például az ISL94208-tól, amely kiegyensúlyozást és felügyeletet kínál és mikrovezérlőt igényel, egészen önállóan integrált, önállóan futó megoldásig (pl. Az ISL94203). Most vizsgáljuk meg az egyes blokkok célját és technológiáját, valamint az egyes technológiák előnyeit és hátrányait.
Cut FET-ek és FET-illesztőprogram
A FET-meghajtó funkcionális blokkja felelős az akkumulátor csatlakoztatásáért és a terhelés és a töltő közötti szigeteléséért. A FET illesztőprogram viselkedését az elemcellás feszültség mérései, az árammérések és a valós idejű érzékelő áramkörök határozzák meg. A 2. ábra két különböző típusú FET kapcsolatot mutat be a töltő és a töltő, valamint az akkumulátor között.
A 2A. Ábra a legkevesebb csatlakozást igényli az akkumulátorhoz, és korlátozza az akkumulátor működési módjait akár töltésre, kisütésre vagy alvásra. Az aktuális áramlási irány és egy adott valós idejű teszt viselkedése határozza meg az eszköz állapotát.
2. Ábrázolt FET-sémák láthatók a töltő és a töltő (A) egyetlen csatlakozásához, valamint egy két terminálos csatlakozás, amely lehetővé teszi az egyidejű töltést és kisütést (B).
Például az ISL94203 rendelkezik egy csatornamonitorral (CHMON), amely figyeli a feszültséget a cut-off FET-ek jobb oldalán. Ha töltőt csatlakoztatnak és az akkumulátoregységet leválasztják tőle, az akkumulátor felé befecskendezett áram hatására a feszültség a töltő maximális tápfeszültségére emelkedik. A CHMON feszültségszintje ki van kapcsolva, ami lehetővé teszi a BMS eszköz számára, hogy tudja, van-e töltő. A terhelés kapcsolatának meghatározásához áramot fecskendeznek a terhelésbe annak megállapítására, hogy van-e terhelés. Ha a feszültség a csapnál nem növekszik jelentősen az áram beinjektálásakor, az eredmény meghatározza, hogy van-e terhelés. Ezután bekapcsol a FET illesztőprogram DFET-je. A 2B ábrán látható csatlakozási séma lehetővé teszi az akkumulátor működését töltés közben.
A FET illesztőprogramokat úgy lehet kialakítani, hogy csatlakozzanak az akkumulátor magas vagy alacsony oldalához. A magas oldali csatlakozáshoz töltőszivattyú-meghajtó szükséges az NMOS FET aktiválásához. Magas oldali meghajtó használata esetén szilárd testreferenciát tesz lehetővé az áramkör többi részében. Alacsony oldalsó FET meghajtó csatlakozások találhatók egyes integrált megoldásokban a költségek csökkentése érdekében, mivel nincs szükségük töltőszivattyúra. Nem igényelnek nagyfeszültségű eszközöket sem, amelyek nagyobb szerszámterületet fogyasztanak. Az alsó oldalon levágott FET-ek használatával az akkumulátor földelő csatlakozása lebeg, így érzékenyebbé válik a mérésbe befecskendezett zajra. Ez befolyásolja egyes IC-k teljesítményét.
Üzemanyag-mérő / áram mérések
Az üzemanyagmérő funkcionális blokkja nyomon követi az akkumulátorba belépő és kilépő töltést. A töltés az áram és az idő szorzata. Az üzemanyagmérő tervezésénél többféle technika alkalmazható.
Az áramérzékelő erősítő és az MCU beépített kis felbontású analóg-digitális átalakítóval (ADC) egy árammérési módszer. Az áramérzékelő erősítő, amely magas közös üzemmódú környezetekben működik, felerősíti a jelet, lehetővé téve a nagyobb felbontású méréseket. Ez a tervezési technika mégis feláldozza a dinamikatartományt.
Más technikák nagy felbontású ADC-t vagy költséges üzemanyag-mérő IC-t használnak. A terhelési viselkedés aktuális fogyasztásának az idő függvényében történő megértése határozza meg a tüzelőanyag-szelvény legjobb típusát.
A legpontosabb és költséghatékonyabb megoldás az érzékelő ellenállás feszültségének mérése 16 bites vagy magasabb ADC-vel, alacsony eltolással és magas közös módú besorolással. A nagy felbontású ADC nagy dinamikatartományt kínál a sebesség rovására. Ha az akkumulátor hibás terheléshez van csatlakoztatva, például elektromos járműhöz, akkor a lassú ADC-nek hiányozhatnak a terhelésre szállított nagy és nagyfrekvenciás áramcsúcsok.
Rendkívüli terhelések esetén kívánatosabb lehet az egymást követő-hozzávetőleges regiszteres (SAR) ADC, amely valószínűleg áramérzékelő erősítővel rendelkezik. Bármilyen eltolódási hiba befolyásolja az akkumulátor töltöttségének általános hibáját. A mérési hibák az idő múlásával jelentős hibákat okoznak az akkumulátor töltöttségi állapotában. Az 50 µV vagy annál kisebb mérési eltolás 16 bites felbontással megfelelő a töltés mérésekor.
Cellafeszültség és az akkumulátor élettartamának maximalizálása
Az akkumulátor minden cellájának feszültségének figyelemmel kísérése elengedhetetlen annak általános egészségi állapotának meghatározásához. Minden cellának van egy üzemi feszültség-ablaka, ahol a megfelelő működés és az akkumulátor élettartamának biztosítása érdekében fel kell tölteni / kisütni. Ha egy alkalmazás lítiumkémiai elemeket használ, akkor az üzemi feszültség általában 2,5 és 4,2 V között van. A feszültségtartomány kémiailag függ. Az akkumulátor feszültségtartományon kívüli működtetése jelentősen lerövidíti a cella élettartamát, és használhatatlanná teheti azt.
A cellákat sorba és párhuzamosan kötik össze, hogy akkumulátort alkossanak. A párhuzamos csatlakozás növeli az akkumulátor aktuális meghajtóját, míg a soros kapcsolat növeli az általános feszültséget. Egy cella teljesítményének megoszlása van: nullával egyenlő időben az akkumulátor cellájának töltési és kisütési sebessége megegyezik. Amint az egyes cellák a töltés és kisülés között ciklusok zajlanak, az egyes cellák töltési és kisütési sebessége megváltozik. Ez eloszlást eredményez az akkumulátoron.
Az akkumulátor töltésének megállapításának egyszerű módja az egyes cellák feszültségének figyelése egy meghatározott feszültségszintre. Az első cellafeszültség, amely eléri a feszültséghatárt, megszakítja az akkumulátor töltöttségi határát. Az átlagosnál gyengébb cellaakkumulátor azt eredményezi, hogy a leggyengébb cella először éri el a határt, megakadályozva a cellák többi részének teljes feltöltését.
A leírt töltési séma nem maximalizálja az akkumulátor BE / töltési idejét. A töltési rendszer csökkenti az akkumulátor élettartamát, mert több töltési és kisütési ciklusra van szüksége. Egy gyengébb sejt gyorsabban ürül. Ez a kisülési cikluson is előfordul; a gyengébb sejt elsőként kioldja a kisülési határértéket, így a többi sejt marad töltéssel.
Kétféleképpen lehet javítani az akkumulátor töltésenkénti BE idejét. Az első az, hogy lassítsuk a töltést a leggyengébb celláig a töltési ciklus alatt. Ez úgy érhető el, hogy egy bypass FET-et áramkorlátozó ellenállással kötnek össze a cellán(3A. Ábra). A legnagyobb áramú cellából vesz áramot, ami lassítja a cellatöltést. Ennek eredményeként a többi akkumulátor-elem képes felzárkózni. A végső cél az akkumulátor töltési kapacitásának maximalizálása azáltal, hogy az összes cella egyszerre éri el a teljesen feltöltött határt.
3. A bypass cellák kiegyensúlyozása A FET-ek segítenek lassítani a cellák töltési sebességét a töltési ciklus alatt (A). Aktív kiegyensúlyozást alkalmaznak a kisütési ciklus során, hogy ellopják a töltést egy erős cellából, és a töltést egy gyenge cellába juttassák (B).
A második módszer az akkumulátor kiegyenlítése a kisütési ciklusban egy töltés-elmozdítási séma alkalmazásával. Ezt úgy érik el, hogy induktív kapcsolással vagy kapacitív tárolóval töltik fel az alfa-sejtet, és a tárolt töltetet a leggyengébb cellába injektálják. Ez lassítja azt az időt, amely alatt a leggyengébb cella elérheti a kisülési határértéket, más néven aktív kiegyensúlyozást(3B. Ábra).
Hőmérséklet-figyelés
A mai elemek sok áramot szolgáltatnak, miközben állandó feszültséget tartanak. Ez kifutó állapothoz vezethet, amely az akkumulátor kigyulladását okozhatja. Az akkumulátor gyártásához használt vegyszerek nagyon ingatagak - a megfelelő tárgyzal behúzott akkumulátor szintén meggyulladhat. A hőmérséklet-méréseket nem csak a biztonság kedvéért használják, hanem azt is meghatározhatják, hogy kívánatos-e az akkumulátor töltése vagy lemerítése.
Hőmérséklet-érzékelők figyelik az egyes cellákat az energiatároló rendszerek (ESS) számára, vagy a cellák csoportosítását kisebb és hordozhatóbb alkalmazásokhoz. A belső ADC feszültségreferenciával működő termisztorokat általában az egyes áramkörök hőmérsékletének figyelemmel kísérésére használják. Ezenkívül egy belső feszültség-referencia segít csökkenteni a hőmérséklet-leolvasás pontatlanságait a környezeti hőmérséklet-változásokkal szemben.
Állami gépek vagy algoritmusok
A legtöbb BMS rendszerhez mikrovezérlőre (MCU) vagy terepi programozható kaputömbre (FPGA) van szükség az érzékelő áramkörből származó információk kezeléséhez, majd a beérkezett információkkal történő döntések meghozatalához. Bizonyos eszközökben, például az ISL94203-ban, egy digitálisan kódolt algoritmus önálló megoldást tesz lehetővé egy chipkel. Az önálló megoldások akkor is értékesek, ha MCU-val párosulnak, mert az önálló állapotgéppel fel lehet szabadítani az MCU óraciklusait és a memóriaterületet.
Egyéb BMS építőelemek
További funkcionális BMS-blokkok lehetnek akkumulátor-hitelesítés, valós idejű óra (RTC), memória és százszorszép lánc. Az RTC-t és a memóriát a black-box alkalmazásokhoz használják - az RTC-t időbélyegként, a memóriát pedig az adatok tárolására használják. Ez tájékoztatja a felhasználót az akkumulátor viselkedéséről katasztrofális esemény előtt. Az akkumulátor-hitelesítési blokk megakadályozza, hogy a BMS elektronika harmadik féltől származó akkumulátorhoz csatlakozzon. A feszültség referencia / szabályozó a BMS rendszer körüli perifériás áramkörök táplálására szolgál. Végül százszorszép-lánc áramkörökkel egyszerűsítik a halmozott eszközök közötti kapcsolatot. A százszorszéplánc-blokk helyettesíti az optikai csatolók vagy más szinteltolódási áramkörök szükségességét.
