منبع: electronicdesign.com
باتری مدیریت سیستم معماری
یک سیستم مدیریت باتری (BMS) به طور معمول از چندین بلوک عملکردی تشکیل شده است، از جمله فرستنده های اثر میدان قطع (FETs)، مانیتور سوخت سنج، مانیتور ولتاژ سلول، تعادل ولتاژ سلولی، ساعت بی درنگ، مانیتورهای دما، و یک ماشین دولتی(انجیر ۱). چندین نوع از ICs BMS در دسترس هستند.
گروه بندی بلوک های عملکردی به طور گسترده ای از یک انتهای جلو آنالوگ ساده متفاوت است، مانند ISL94208 که تعادل و نظارت را ارائه می دهد و نیاز به یک میکروکنترلر دارد، تا یک راه حل یکپارچه مستقل که به صورت خودمختار اجرا می شود (به عنوان مانند ISL94203). حالا بیایید هدف و تکنولوژی پشت هر بلوک و همچنین جوانب مثبت و منفی هر تکنولوژی را بررسی کنیم.
قطع FETs و درایور FET
یک بلوک عملکردی FET-driver مسئول اتصال و جداسازی بسته باتری بین بار و شارژر است. رفتار راننده FET بر روی اندازه گیری از ولتاژهای باتری سلول، اندازه گیری های فعلی، و مدارات تشخیص بی درنگ پیش بینی شده است. شکل 2 دو نوع مختلف از اتصالات FET بین بار و شارژر، و بسته باتری را نشان می دهد.
شکل 2A نیاز به تعداد کمی از اتصالات به بسته باتری و محدود کردن حالت های عامل بسته باتری به هر دو شارژ، تخلیه، و یا خواب. جهت جریان جریان و رفتار یک آزمون زمان واقعی خاص، حالت دستگاه را تعیین می کند.
2. نشان داده شده است قطع شماتیک FET برای اتصال تک بین بار و شارژر (A) ، و اتصال دو ترمینال است که اجازه می دهد تا برای شارژ همزمان و تخلیه (B).
به عنوان مثال ISL94203 دارای یک مانیتور کانال (CHMON) است که ولتاژ سمت راست FETs قطع را زیر نظر دارد. اگر یک شارژر متصل باشد و بسته باتری از آن جدا شود، جریان تزریق شده به سمت بسته باتری باعث بالا رفتن ولتاژ به حداکثر ولتاژ تأمین شارژر خواهد شد. سطح ولتاژ در CHMON tripped است، که اجازه می دهد تا دستگاه BMS می دانم که یک شارژر وجود دارد. برای تعیین یک اتصال بار، جریانی به بار تزریق می شود تا مشخص شود که آیا یک بار وجود دارد یا نه. اگر ولتاژ در پین هنگام تزریق جریان به طور قابل توجهی بالا ن رود، نتیجه تعیین می کند که یک بار وجود دارد. پس از آن DFET راننده FET روشن می شود. طرح اتصال در شکل 2B اجازه می دهد تا بسته باتری به کار در حالی که شارژ.
درایورهای FET را می توان برای اتصال به سمت بالا یا پایین یک بسته باتری طراحی کرد. اتصال سمت بالا نیاز به یک راننده شارژ پمپ برای فعال کردن FETs NMOS. در هنگام استفاده از یک راننده سمت بالا، اجازه می دهد تا برای یک مرجع زمین جامد برای بقیه مدارات. اتصالات راننده FET سمت پایین در برخی از راه حل های یکپارچه برای کاهش هزینه یافت می شود، چرا که آنها یک پمپ شارژ نیاز ندارد. آنها همچنین نیاز به دستگاه های ولتاژ بالا، که مصرف یک منطقه مرگ بزرگتر است. با استفاده از FETs قطع در سمت پایین شناور اتصال زمین بسته باتری، و آن را بیشتر مستعد ابتلا به نویز تزریق شده به اندازه گیری. این کار بر عملکرد برخی از ICs تأثیر می گذارد.
اندازه گیری های سوخت سنج/فعلی
بلوک عملکردی سوخت سنج نگه می دارد پیگیری شارژ ورود و خروج از بسته باتری. شارژ محصول جریان و زمان است. در هنگام طراحی یک سوخت سنج می توان از چندین تکنیک مختلف استفاده کرد.
یک تقویت کننده حس فعلی و یک MCU با مبدل آنالوگ به دیجیتال با وضوح پایین جاسازی شده (ADC) یکی از روش های اندازه گیری جریان است. تقویت کننده حس فعلی که در محیط های حالت مشترک بالا عمل می کند، سیگنال را تقویت می کند و اندازه گیری های با وضوح بالاتر را قادر می سازد. این تکنیک طراحی قربانی محدوده پویا، هر چند.
تکنیک های دیگر از ADC با وضوح بالا، یا یک IC سوخت سنج پرهزینه استفاده می کنند. درک مصرف فعلی رفتار بار در مقابل زمان بهترین نوع طراحی سوخت سنج را تعیین می کند.
دقیق ترین و مقرون به صرفه ترین راه حل این است که ولتاژ را در سراسر یک مقاومت حس با استفاده از ADC 16 بیتی یا بالاتر با افست پایین و رتبه حالت مشترک بالا اندازه گیری کنیم. ADC با وضوح بالا یک محدوده پویای بزرگ را با هزینه سرعت ارائه می دهد. اگر باتری به یک بار نامنظم مانند یک وسیله نقلیه الکتریکی متصل شود، ADC آهسته ممکن است خوشه های جریان با بزرگی بالا و با فرکانس بالا تحویل داده شده به بار را از دست دهد.
برای بارهای نامنظم، یک ثبت نام متوالی-تقریبی (SAR) ADC با شاید انتهای جلو تقویت کننده حس فعلی ممکن است مطلوب تر باشد. هر خطای افست بر خطای کلی در مقدار شارژ باتری تأثیر می گذارد. خطاهای اندازه گیری در طول زمان باعث خطاهای قابل توجهی در وضعیت شارژ باتری بسته خواهد شد. یک افست اندازه گیری ۵۰ میکرو ولت یا کمتر با وضوح ۱۶ بیتی در هنگام اندازه گیری بار کافی است.
ولتاژ سلول و به حداکثر رساندن طول عمر باتری
نظارت بر ولتاژ سلولی هر سلول در یک بسته باتری برای تعیین سلامت کلی آن ضروری است. همه سلول ها دارای یک پنجره ولتاژ عملیاتی هستند که در آن شارژ/تخلیه باید برای اطمینان از عملکرد مناسب و عمر باتری رخ دهد. اگر یک برنامه کاربردی در حال استفاده از یک باتری با شیمی لیتیوم باشد، ولتاژ عملیاتی به طور معمول بین ۲٫۵ تا ۴٫۲ ولت محدوده ولتاژ وابسته به شیمی است. عامل باتری خارج از محدوده ولتاژ به طور قابل توجهی طول عمر سلول را کاهش می دهد و می تواند آن را بی فایده رندر کند.
سلول ها به صورت سری و موازی به هم متصل می شوند تا یک بسته باتری تشکیل دهند. یک اتصال موازی درایو فعلی بسته باتری را افزایش می دهد، در حالی که یک اتصال سری ولتاژ کلی را افزایش می دهد. عملکرد یک سلول دارای توزیع است: در زمان برابر صفر، نرخ شارژ و تخلیه سلول بسته باتری یکسان است. همان طور که هر سلول بین بار و تخلیه چرخه می کند، نرخ بار و تخلیه هر سلول تغییر می کند. این منجر به توزیع گسترش در سراسر یک بسته باتری.
یک راه ساده برای تعیین اینکه آیا یک بسته باتری شارژ شده است این است که ولتاژ هر سلول را به یک سطح ولتاژ مجموعه نظارت کنیم. اولین ولتاژ سلول برای رسیدن به ولتاژ محدود سفرهای باتری بسته حد شارژ. ضعیف تر از متوسط بسته باتری سلول منجر به ضعیف ترین سلول رسیدن به حد اول, نگه داشتن بقیه سلول ها از شارژ کامل.
یک طرح شارژ، همان طور که شرح داده شد، به ازای هر بار شارژ، بسته باتری را به حداکثر نمی رسد. طرح شارژ طول عمر بسته باتری را کاهش می دهد زیرا به چرخه های شارژ و تخلیه بیشتری نیاز دارد. یک سلول ضعیف تر سریع تر تخلیه می شود. همچنین در چرخه تخلیه رخ می دهد; سلول ضعیف تر سفر حد تخلیه اول، ترک بقیه سلول ها با بار باقی مانده است.
دو راه برای بهبود زمان ON در هر شارژ بسته باتری وجود دارد. اولی کند کردن بار به ضعیف ترین سلول در طول چرخه بار است. این است که با اتصال FET بای پس با مقاومت محدود کننده فعلی در سراسر سلول به دست آورد(انجیر 3A). جریان را از سلول با بالاترین جریان طول می کشد، و در نتیجه یک بار سلول کند می شود. در نتیجه سلول های بسته باتری دیگر قادر به گرفتن هستند. هدف نهایی این است که ظرفیت شارژ بسته باتری را با داشتن تمام سلول ها به طور همزمان به حد کاملاً شارژ شده برسیم.
3. دور زدن سلول متعادل FETs کمک کند نرخ بار یک سلول در طول چرخه بار (A). موازنه فعال در طول چرخه تخلیه برای سرقت بار از یک سلول قوی و دادن بار به یک سلول ضعیف (B) استفاده می شود.
روش دوم تعادل بسته باتری بر روی چرخه تخلیه با اجرای یک طرح بار-جابه جایی است. این با در نظر گرفتن اتهام از طریق جفت شدن است القا و یا ذخیره سازی کاپیکتیو از سلول آلفا و تزریق بار ذخیره شده به ضعیف ترین سلول به دست آورد. این کار زمان طول می کشد ضعیف ترین سلول برای رسیدن به حد تخلیه کند, در غیر این صورت به عنوان تعادل فعال شناخته می شود(انجیر ۳ب).
نظارت بر دما
باتری های امروزی در حالی که ولتاژ ثابتی را حفظ می کنند، جریان زیادی را تحویل می دهند. این امر می تواند منجر به یک وضعیت فراری شود که باعث آتش گرفتن باتری می شود. مواد شیمیایی مورد استفاده برای ساخت باتری بسیار فرار هستند— باتری impaled با شی سمت راست نیز می تواند باتری گرفتن آتش. اندازه گیری دما فقط برای ایمنی استفاده نمی شود، آنها همچنین می توانند تعیین کنند که آیا شارژ یا تخلیه یک باتری مطلوب است یا نه.
حسگرهای دما هر سلول را برای کاربردهای انرژی-ذخیره سازی-سیستم (ESS) یا گروه بندی سلول ها برای کاربردهای کوچکتر و قابل حمل تر نظارت می کنند. ترمیست هایی که توسط یک مرجع ولتاژ داخلی ADC تغذیه می شوند، معمولاً برای نظارت بر دمای هر مدار استفاده می شوند. علاوه بر این، یک مرجع ولتاژ داخلی به کاهش نادرستی خواندن دما در مقابل تغییرات دمای محیط کمک می کند.
ماشین های دولتی یا الگوریتم ها
اکثر سیستم های BMS نیاز به یک میکروکنترلر (MCU) یا آرایه گیت قابل برنامه ریزی میدان (FPGA) دارند تا اطلاعات را از مدارهای سنجش مدیریت کنند، و سپس با اطلاعات دریافتی تصمیم گیری کنند. در دستگاه های خاصی مانند ISL94203 الگوریتمی که به صورت دیجیتالی کدگذاری می شود، یک راه حل مستقل با یک تراشه را قادر می سازد. راه حل های مستقل نیز با ارزش زمانی که به MCU جفت گیری, چرا که ماشین حالت مستقل می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای آزاد کردن چرخه ساعت MCU و فضای حافظه.
بلوک های ساختمان BMS دیگر
سایر بلوک های BMS کاربردی ممکن است شامل احراز هویت باتری، ساعت بی در زمان واقعی (RTC)، حافظه، و زنجیره دیزی باشد. RTC و حافظه برای برنامه های کاربردی جعبه سیاه استفاده می شود—RTC به عنوان یک تمبر زمانی استفاده می شود و حافظه برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود. این به کاربر اجازه می دهد تا رفتار بسته باتری را قبل از یک رویداد فاجعه بار بداند. بلوک احراز هویت باتری مانع از اتصال الکترونیک BMS به یک بسته باتری شخص ثالث می شود. مرجع/تنظیم کننده ولتاژ برای قدرت مدارهای محیطی در اطراف سیستم BMS استفاده می شود. در نهایت از مدارهای زنجیره ای دیزی برای ساده سازی اتصال بین دستگاه های پشته ای استفاده می شود. بلوک زنجیره دیزی جایگزین نیاز به زوج های نوری یا دیگر مدارات تغییر سطح می شود.
