Šaltinis: electronicdesign.com
Baterijų valdymo sistemos architektūra
Akumuliatoriaus valdymo sistemą (BMS) paprastai sudaro keli funkciniai blokai, įskaitant ribinius lauko siųstuvus (FET), degalų matuoklio monitorius, elementų įtampos monitorius, elementų įtampos balansą, realaus laiko laikrodį, temperatūros monitorius ir valstybės mašina(1 pav.). Yra keletas BMS IC tipų.
Funkcinių blokų grupavimas labai skiriasi nuo paprasto analoginio priekinio galo, pvz., „ISL94208“, kuris siūlo balansavimą ir stebėjimą bei reikalauja mikrovaldiklio, iki autonominio integruoto sprendimo, kuris veikia autonomiškai (pvz., „ISL94203“). Dabar panagrinėkime kiekvieno bloko paskirtį ir technologijas, taip pat kiekvienos technologijos privalumus ir trūkumus.
Ribiniai FET ir FET tvarkyklė
„FET“ vairuotojo funkcinis blokas yra atsakingas už akumuliatoriaus paketo prijungimą ir krovinio bei įkroviklio izoliaciją. FET vairuotojo elgesys priklauso nuo akumuliatoriaus elementų įtampos matavimų, srovės matavimų ir realaus laiko aptikimo schemų. 2 paveiksle pavaizduoti du skirtingi FET jungtys tarp krovinio ir įkroviklio bei akumuliatoriaus.
2A paveiksle reikalaujama mažiausiai jungčių prie akumuliatoriaus bloko ir akumuliatoriaus veikimo režimai apribojami įkrovimo, išsikrovimo ar miego režimu. Dabartinė srauto kryptis ir konkretaus realaus laiko bandymo elgesys lemia prietaiso būseną.
2. Parodytos atskirtos FET schemos, skirtos vienam ryšiui tarp krovinio ir įkroviklio (A), ir dviejų gnybtų jungčiai, leidžiančiai vienu metu įkrauti ir iškrauti (B).
Pvz., ISL94203 turi kanalų monitorių (CHMON), kuris stebi įtampą dešinėje išpjovų FET pusėje. Jei prijungtas įkroviklis ir akumuliatorių paketas yra izoliuotas, srovė, įpurškiama į akumuliatoriaus paketą, padidins įtampą iki didžiausios įkroviklio maitinimo įtampos. CHMON įtampos lygis yra suveikęs, o tai leidžia BMS įrenginiui žinoti, kad yra įkroviklis. Norint nustatyti apkrovos jungtį, į apkrovą įpurškiama srovė, siekiant nustatyti, ar yra apkrova. Jei įpurškiant srovę įtampa ties kaiščiu žymiai nepakyla, rezultatas lemia apkrovą. Tada įsijungia FET tvarkyklės DFET. 2B pav. Sujungimo schema leidžia akumuliatoriui veikti kraunant.
FET tvarkyklės gali būti suprojektuotos taip, kad būtų galima prisijungti prie akumuliatoriaus bloko aukšto ar žemo šono. Norint suaktyvinti NMOS FET, norint prijungti aukštą šoną, reikalingas įkrovos siurblio tvarkyklė. Naudojant aukšto lygio tvarkyklę, ji suteikia tvirtą įžeminimo atskaitos pagrindą likusiai grandinei. Žemų pusių FET tvarkyklių jungtys yra kai kuriuose integruotuose sprendimuose, siekiant sumažinti išlaidas, nes joms nereikia įkrovimo siurblio. Jiems taip pat nereikia aukštos įtampos įtaisų, kurie sunaudoja didesnį matricos plotą. Naudojant išjungimo FET apatinėje pusėje, akumuliatoriaus paketo įžeminimo jungtys plaukioja, todėl jis tampa jautresnis triukšmui, įterpiamam į matavimą. Tai turi įtakos kai kurių IC veikimui.
Kuro matuoklio / srovės matavimai
Degalų matuoklio funkcinis blokas stebi įkrovimą, patenkantį į akumuliatorių ir išeinant iš jo. Mokestis yra srovės ir laiko sandauga. Kuriant kuro matuoklį galima naudoti keletą skirtingų būdų.
Srovės jutiklio stiprintuvas ir MCU su įterptu mažos skiriamosios gebos analoginiu-skaitmeniniu keitikliu (ADC) yra vienas srovės matavimo metodas. Srovės jutimo stiprintuvas, veikiantis aukštoje bendro režimo aplinkoje, sustiprina signalą, įgalindamas didesnės raiškos matavimus. Ši projektavimo technika vis dėlto paaukoja dinaminį diapazoną.
Kituose metoduose naudojamas didelės skiriamosios gebos ADC arba brangus degalų matuoklio IC. Suprasti apkrovos elgsenos dabartinį suvartojimą, palyginti su laiku, nustatomas geriausias kuro matuoklio konstrukcijos tipas.
Tiksliausias ir ekonomiškiausias sprendimas yra išmatuoti „sense“ rezistoriaus įtampą naudojant 16 bitų ar didesnę ADC su mažu poslinkiu ir aukštu bendro režimo reitingu. Didelės skiriamosios gebos ADC siūlo didelį dinaminį diapazoną greičio sąskaita. Jei akumuliatorius prijungtas prie nepastovios apkrovos, pvz., Su elektrine transporto priemone, lėtas ADC gali praleisti į apkrovą tiekiamus didelio ir aukšto dažnio srovės šuolius.
Dėl nepastovių apkrovų gali būti pageidautina nuosekliai apytiksliai registruoti (SAR) ADC su galbūt srovės stiprintuvo priekine galu. Bet kuri kompensuota klaida turi įtakos bendrai akumuliatoriaus įkrovos paklaidai. Laikui bėgant matavimo klaidos sukels didelių akumuliatoriaus įkrovimo būsenos klaidų. Matuojant krūvį pakanka 50 µV ar mažesnio matavimo poslinkio su 16 bitų skiriamąja geba.
Elementų įtampa ir maksimalus baterijos tarnavimo laikas
Norint nustatyti bendrą jo būklę, būtina stebėti kiekvienos baterijos elemento elemento įtampą. Visi elementai turi darbinės įtampos langą, kuriame turėtų būti kraunama / iškraunama, kad būtų užtikrintas tinkamas veikimas ir baterijos veikimo laikas. Jei programoje naudojama ličio chemijos baterija, darbinė įtampa paprastai svyruoja tarp 2,5 ir 4,2 V. Įtampos diapazonas priklauso nuo chemijos. Akumuliatoriaus veikimas už įtampos ribų žymiai sutrumpina elemento tarnavimo laiką ir gali padaryti jį nenaudingą.
Ląstelės sujungtos nuosekliai ir lygiagrečiai, kad sudarytų akumuliatorių. Lygiagretus sujungimas padidina akumuliatoriaus bloko dabartinę pavarą, o nuoseklusis jungimas padidina bendrą įtampą. Elementų našumas pasiskirsto: tuo metu, kai lygi nuliui, akumuliatoriaus elemento įkrovimo ir iškrovimo rodikliai yra vienodi. Kiekvienai ląstelei cikluojantis tarp įkrovimo ir iškrovimo, kiekvienos ląstelės įkrovos ir iškrovos greitis keičiasi. Tai lemia paskirstymą po akumuliatorių.
Paprastas būdas nustatyti, ar akumuliatorius įkrautas, yra stebėti kiekvieno elemento įtampą iki nustatyto įtampos lygio. Pirmoji elemento įtampa, pasiekusi įtampos ribą, pašalina akumuliatoriaus įkrovos ribą. Dėl silpnesnio nei vidutinio elemento akumuliatoriaus bloko silpniausia ląstelė pirmiausia pasiekia ribą, o likusios ląstelės negali visiškai įkrauti.
Kaip aprašyta, įkrovimo schema nesumažina akumuliatoriaus įkrovimo laiko. Įkrovimo schema sutrumpina akumuliatoriaus tarnavimo laiką, nes jam reikia daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Silpnesnė ląstelė išsiskiria greičiau. Taip pat įvyksta išleidimo ciklo metu; silpnesnė ląstelė pirmiausia atitolina iškrovos ribą, likusioms ląstelėms lieka krūvis.
Yra du būdai, kaip pagerinti akumuliatoriaus įkrovos įjungimo laiką. Pirmasis - sulėtinti įkrovimą iki silpniausios ląstelės įkrovimo ciklo metu. Tai pasiekiama apjungiant FET su srovę ribojančiu rezistoriumi per elementą(3A pav.). Jis ima srovę iš didžiausios srovės elemento, todėl lėtėja ląstelės įkrova. Todėl kiti akumuliatoriaus elementai sugeba pasivyti. Galutinis tikslas yra maksimaliai padidinti akumuliatoriaus įkrovos pajėgumą, kai visos ląstelės vienu metu pasiekia visiškai įkrautą ribą.
3. Apeiti ląstelių balansavimo FET padeda sulėtinti ląstelės įkrovos greitį per įkrovimo ciklą (A). Aktyvus balansavimas naudojamas iškrovos ciklo metu, norint pavogti krūvį iš stiprios ląstelės ir atiduoti krūvį silpnai ląstelei (B).
Antrasis metodas yra subalansuoti akumuliatoriaus paketą iškrovimo ciklo metu, įgyvendinant įkrovimo ir perkėlimo schemą. Tai pasiekiama imant indukcinį sujungimą arba talpinę atmintį iš alfa ląstelės ir įpurškiant sukrautą į silpniausią ląstelę. Tai lėtina laiką, per kurį silpniausia ląstelė pasiekia iškrovos ribą, kitaip vadinamą aktyviu balansavimu(3B pav.).
Temperatūros stebėjimas
Šiandienos baterijos tiekia daug srovės išlaikydamos pastovią įtampą. Tai gali sukelti pabėgusią būklę, dėl kurios akumuliatorius gali užsidegti. Akumuliatoriui pagaminti naudojamos cheminės medžiagos yra labai nestabilios - akumuliatorius, užmautas tinkamu daiktu, taip pat gali užsidegti. Temperatūros matavimai naudojami ne tik dėl saugumo, bet ir nustatant, ar pageidautina įkrauti ar iškrauti akumuliatorių.
Temperatūros jutikliai stebi kiekvieną elementą energijos kaupimo sistemos (ESS) pritaikymui arba elementų grupę mažesnėms ir nešiojamosioms programoms. Termistoriai, maitinami iš vidinės ADC įtampos atskaitos, paprastai naudojami kiekvienos grandinės temperatūrai stebėti. Be to, vidinė įtampos atskaita padeda sumažinti temperatūros rodmenų netikslumus, palyginti su aplinkos temperatūros pokyčiais.
Valstybinės mašinos arba algoritmai
Daugumai BMS sistemų reikalingas mikrovaldiklis (MCU) arba lauke programuojamas vartų masyvas (FPGA), kad būtų galima valdyti informaciją iš jutimo schemos ir tada priimti sprendimus su gauta informacija. Tam tikruose įrenginiuose, pavyzdžiui, ISL94203, skaitmeniniu būdu užkoduotas algoritmas įgalina atskirą sprendimą su vienu lustu. Autonominiai sprendimai taip pat yra vertingi susiejant su MCU, nes atskiros būsenos mašina gali būti naudojama atlaisvinant MCU laikrodžio ciklus ir atminties vietą.
Kiti BMS statybiniai blokai
Kiti funkciniai BMS blokai gali būti akumuliatoriaus autentifikavimas, realaus laiko laikrodis (RTC), atmintis ir ramunėlių grandinė. RTC ir atmintis naudojamos juodosios dėžės programoms - RTC naudojama kaip laiko žyma, o atmintis naudojama duomenims saugoti. Tai leidžia vartotojui žinoti apie akumuliatoriaus veikimą prieš katastrofišką įvykį. Baterijos atpažinimo blokas neleidžia BMS elektronikos prijungti prie trečiosios šalies akumuliatoriaus. Įtampos atskaitos taškas / reguliatorius naudojamas periferinėms grandinėms aplink BMS sistemą maitinti. Galiausiai, ryšių tarp sukrautų įrenginių supaprastinimui naudojamos ramunės grandinės. „Daisy-chain“ blokas pakeičia optinių jungčių ar kitų lygio perjungimo grandinių poreikį.
