Bron: electronicdesign.com
Architectuur van batterijbeheersysteem
Een batterijbeheersysteem (BMS) bestaat meestal uit verschillende functionele blokken, waaronder cutoff field-effect transmitters (FET's), brandstofmetermonitor, celspanningsmonitor, celspanningsbalans, realtime klok, temperatuurmonitors en een staatsmachine(Figuur 1). Er zijn verschillende typen GBS-IC's beschikbaar.
De groepering van functionele blokken varieert sterk van een eenvoudige analoge front-end, zoals de ISL94208 die balancering en bewaking biedt en een microcontroller vereist, tot een op zichzelf staande geïntegreerde oplossing die autonoom werkt (bijvoorbeeld de ISL94203). Laten we nu eens kijken naar het doel en de technologie achter elk blok, evenals de voor- en nadelen van elke technologie.
Cutoff FET's en FET-stuurprogramma
Een functioneel blok van de FET-driver is verantwoordelijk voor de verbinding en isolatie van het batterijpakket tussen de belasting en de lader. Het gedrag van de FET-driver is gebaseerd op metingen van batterijcelspanningen, stroommetingen en realtime detectiecircuits. Afbeelding 2 illustreert twee verschillende soorten FET-verbindingen tussen de belasting en de oplader en het batterijpakket.
Afbeelding 2A vereist het minste aantal verbindingen met het batterijpakket en beperkt de bedrijfsmodi van het batterijpakket tot opladen, ontladen of slapen. De huidige stroomrichting en het gedrag van een specifieke realtime test bepalen de toestand van het apparaat.
2. Getoond zijn cutoff FET-schema's voor een enkele verbinding tussen de belasting en de lader (A), en een tweepolige verbinding die gelijktijdig laden en ontladen mogelijk maakt (B).
De ISL94203 heeft bijvoorbeeld een kanaalmonitor (CHMON) die de spanning aan de rechterkant van de cutoff-FET's bewaakt. Als een lader is aangesloten en het batterijpakket is daarvan geïsoleerd, zal de stroom die naar het batterijpakket wordt geïnjecteerd ervoor zorgen dat de spanning stijgt tot de maximale voedingsspanning van de lader. Het spanningsniveau bij CHMON wordt geactiveerd, waardoor het BMS-apparaat weet dat er een oplader aanwezig is. Om een belastingsaansluiting te bepalen, wordt een stroom in de belasting geïnjecteerd om te bepalen of er een belasting aanwezig is. Als de spanning op de pin niet significant stijgt bij het injecteren van stroom, bepaalt de uitkomst dat er een belasting aanwezig is. De DFET van de FET-driver wordt dan ingeschakeld. Het aansluitschema in figuur 2B zorgt ervoor dat het batterijpakket kan werken tijdens het opladen.
FET-stuurprogramma's kunnen worden ontworpen om verbinding te maken met de hoge of lage kant van een batterijpakket. Een high-side verbinding vereist een laadpompdriver om de NMOS FET's te activeren. Bij gebruik van een high-side driver zorgt dit voor een solide grondreferentie voor de rest van het circuit. Low-side FET-driveraansluitingen zijn te vinden in sommige geïntegreerde oplossingen om de kosten te verlagen, omdat ze geen laadpomp nodig hebben. Ze hebben ook geen hoogspanningsapparatuur nodig, die een groter matrijsgebied in beslag nemen. Het gebruik van de cutoff FET's aan de lage kant laat de massaverbinding van het batterijpakket zweven, waardoor het gevoeliger wordt voor ruis die in de meting wordt geïnjecteerd. Dit heeft invloed op de prestaties van sommige IC's.
Brandstofmeter/stroommetingen
Het functionele blok van de brandstofmeter houdt de lading bij die het batterijpakket binnenkomt en verlaat. Lading is het product van stroom en tijd. Bij het ontwerpen van een brandstofmeter kunnen verschillende technieken worden gebruikt.
Een stroomgevoelige versterker en een MCU met een ingebouwde analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) met lage resolutie is een stroommeetmethode. De stroomgevoelige versterker, die in hoge common-mode-omgevingen werkt, versterkt het signaal, waardoor metingen met een hogere resolutie mogelijk zijn. Deze ontwerptechniek offert echter dynamisch bereik op.
Andere technieken gebruiken een ADC met hoge resolutie of een dure brandstofmeter-IC. Inzicht in het huidige verbruik van het belastingsgedrag versus de tijd bepaalt het beste type brandstofmeterontwerp.
De meest nauwkeurige en kostenefficiënte oplossing is om de spanning over een meetweerstand te meten met behulp van een 16-bits of hogere ADC met een lage offset en een hoge common-mode rating. Een ADC met hoge resolutie biedt een groot dynamisch bereik ten koste van snelheid. Als de batterij is aangesloten op een onregelmatige belasting, zoals een elektrisch voertuig, kan de langzame ADC hoge-magnitude en hoogfrequente stroompieken missen die aan de belasting worden geleverd.
Voor onregelmatige belastingen kan een ADC met opeenvolgende benaderingen (SAR) met misschien een stroomgevoelige versterker-front-end wenselijker zijn. Elke offsetfout beïnvloedt de algehele fout in de hoeveelheid batterijlading. Meetfouten zullen na verloop van tijd aanzienlijke fouten in de laadstatus van de accu veroorzaken. Een meetoffset van 50 µV of minder met een resolutie van 16 bits is voldoende bij het meten van de lading.
Celspanning en maximale levensduur van de batterij
Het bewaken van de celspanning van elke cel in een batterijpakket is essentieel om de algehele gezondheid ervan te bepalen. Alle cellen hebben een bedrijfsspanningsvenster waar het laden/ontladen moet plaatsvinden om een goede werking en levensduur van de batterij te garanderen. Als een toepassing een batterij met lithiumchemie gebruikt, ligt de bedrijfsspanning doorgaans tussen 2,5 en 4,2 V. Het spanningsbereik is afhankelijk van de chemie. Als de batterij buiten het spanningsbereik wordt gebruikt, wordt de levensduur van de cel aanzienlijk verkort en kan deze onbruikbaar worden.
Cellen zijn in serie en parallel geschakeld om een batterijpakket te vormen. Een parallelle aansluiting verhoogt de stroomaandrijving van het batterijpakket, terwijl een serieschakeling de totale spanning verhoogt. De prestaties van een cel hebben een verdeling: op het moment dat gelijk is aan nul, zijn de laad- en ontlaadsnelheden van de batterijcel hetzelfde. Terwijl elke cel wisselt tussen opladen en ontladen, veranderen de oplaad- en ontlaadsnelheden van elke cel. Dit resulteert in een gespreide verdeling over een batterijpakket.
Een eenvoudige manier om te bepalen of een accu is opgeladen, is door de spanning van elke cel te bewaken tot een bepaald spanningsniveau. De eerste celspanning die de spanningslimiet bereikt, overschrijdt de laadlimiet van het batterijpakket. Een batterijpakket dat zwakker dan gemiddeld is, zorgt ervoor dat de zwakste cel als eerste de limiet bereikt, waardoor de rest van de cellen niet volledig worden opgeladen.
Een oplaadschema, zoals beschreven, maximaliseert de AAN-tijd van het batterijpakket per oplaadbeurt niet. Het oplaadschema verkort de levensduur van de accu omdat er meer laad- en ontlaadcycli nodig zijn. Een zwakkere cel ontlaadt sneller. Het komt ook voor op de ontlaadcyclus; de zwakkere cel overschrijdt eerst de ontlaadlimiet, waardoor de rest van de cellen met resterende lading overblijven.
Er zijn twee manieren om de AAN-tijd per acculading te verbeteren. De eerste is om de lading naar de zwakste cel tijdens de laadcyclus te vertragen. Dit wordt bereikt door een bypass-FET aan te sluiten met een stroombegrenzende weerstand over de cel(Fig. 3A). Het neemt stroom van de cel met de hoogste stroom, wat resulteert in een langzamere cellading. Hierdoor kunnen de andere accupackcellen de achterstand inhalen. Het uiteindelijke doel is om de laadcapaciteit van het batterijpakket te maximaliseren door alle cellen tegelijkertijd de volledig opgeladen limiet te laten bereiken.
3. Bypass-celbalancerende FET's helpen de laadsnelheid van een cel te vertragen tijdens de laadcyclus (A). Tijdens de ontlaadcyclus wordt actief balanceren gebruikt om lading van een sterke cel te stelen en de lading aan een zwakke cel (B) te geven.
De tweede methode is om het batterijpakket op de ontlaadcyclus in evenwicht te brengen door een laad-verplaatsingsschema te implementeren. Het wordt bereikt door de leiding via inductieve koppeling of capacitieve opslag van de alfacel over te nemen en de opgeslagen lading in de zwakste cel te injecteren. Dit vertraagt de tijd die de zwakste cel nodig heeft om de ontlaadlimiet te bereiken, ook wel bekend als actief balanceren(Fig. 3B).
Temperatuurbewaking
De accu's van tegenwoordig leveren veel stroom met behoud van een constante spanning. Dit kan leiden tot een op hol geslagen toestand waardoor de batterij vlam vat. De chemicaliën die worden gebruikt om een batterij te maken, zijn zeer vluchtig - een batterij die met het juiste voorwerp is gespietst, kan er ook voor zorgen dat de batterij vlam vat. Temperatuurmetingen worden niet alleen gebruikt voor de veiligheid, ze kunnen ook bepalen of het wenselijk is om een batterij op te laden of te ontladen.
Temperatuursensoren bewaken elke cel voor toepassingen met energieopslagsystemen (ESS) of een groep cellen voor kleinere en meer draagbare toepassingen. Thermistors aangedreven door een interne ADC-spanningsreferentie worden vaak gebruikt om de temperatuur van elk circuit te bewaken. Bovendien helpt een interne spanningsreferentie onnauwkeurigheden van de temperatuurmeting ten opzichte van veranderingen in de omgevingstemperatuur te verminderen.
Staatsmachines of algoritmen
De meeste GBS-systemen hebben een microcontroller (MCU) of een veldprogrammeerbare poortarray (FPGA) nodig om informatie van de detectieschakelingen te beheren en vervolgens beslissingen te nemen met de ontvangen informatie. In bepaalde apparaten, zoals de ISL94203, maakt een digitaal gecodeerd algoritme een standalone oplossing met één chip mogelijk. Standalone-oplossingen zijn ook waardevol wanneer ze worden gekoppeld aan een MCU, omdat de standalone-statusmachine kan worden gebruikt om MCU-klokcycli en geheugenruimte vrij te maken.
Andere BMS-bouwstenen
Andere functionele BMS-blokken kunnen batterij-authenticatie, real-time klok (RTC), geheugen en daisy chain omvatten. De RTC en het geheugen worden gebruikt voor black-box-toepassingen - de RTC wordt gebruikt als een tijdstempel en het geheugen wordt gebruikt voor het opslaan van gegevens. Dit laat de gebruiker het gedrag van de batterij weten voorafgaand aan een catastrofale gebeurtenis. Het batterij-authenticatieblok voorkomt dat de BMS-elektronica wordt aangesloten op een batterijpakket van een derde partij. De spanningsreferentie/-regelaar wordt gebruikt om de randapparatuur rond het GBS-systeem van stroom te voorzien. Ten slotte worden doorlusschakelingen gebruikt om de verbinding tussen gestapelde apparaten te vereenvoudigen. Het daisy-chain-blok vervangt de behoefte aan optische koppelingen of andere niveauverschuivende circuits.
