Font: electronicdesign.com
Arquitectura del sistema de gestió de bateries
Un sistema de gestió de bateries (BMS) normalment consisteix en diversos blocs funcionals, incloent transmissors d'efecte de camp de tall (FETs), monitor d'ample de combustible, monitor de tensió cel·lular, balanç de tensió cel·lular, rellotge en temps real, monitors de temperatura i una màquina estatal(fig. 1). Hi ha diversos tipus d'IC BMS disponibles.
L'agrupació de blocs funcionals varia àmpliament des d'un simple frontal analògic, com l'ISL94208 que ofereix equilibri i monitorització i requereix un microcontrolador, fins a una solució integrada independent que funciona de manera autònoma (per exemple, l'ISL94203). Ara examinem el propòsit i la tecnologia que hi ha darrere de cada bloc, així com els pros i els contres de cada tecnologia.
Fets de Cutoff i controlador FET
Un bloc funcional fet-driver és responsable de la connexió i aïllament del paquet de bateries entre la càrrega i el carregador. El comportament del controlador FET es predica en mesures de tensions de cèl·lules de bateria, mesures de corrent i circuits de detecció en temps real. La figura 2 il·lustra dos tipus diferents de connexions FET entre la càrrega i el carregador, i el paquet de bateries.
La figura 2A requereix el menor nombre de connexions al paquet de bateria i limita els modes de funcionament del paquet de bateria a càrrega, descàrrega o repòs. La direcció actual del flux i el comportament d'una prova en temps real específica determinen l'estat del dispositiu.
2. Es mostren esquemes FET de tall per a una única connexió entre la càrrega i el carregador (A), i una connexió de dos terminals que permet la càrrega i descàrrega simultània (B).
Per exemple, l'ISL94203 té un monitor de canal (CHMON) que supervisa la tensió al costat dret dels FETs cutoff. Si un carregador està connectat i el paquet de bateria està aïllat d'ell, el corrent injectat cap al paquet de bateria farà que el voltatge augmenti a la tensió màxima de subministrament del carregador. El nivell de tensió a CHMON es triplica, el que permet al dispositiu BMS saber que hi ha un carregador present. Per determinar una connexió de càrrega, s'injecta un corrent a la càrrega per determinar si hi ha una càrrega. Si la tensió al pin no augmenta significativament en injectar corrent, el resultat determina que hi ha una càrrega. El DFET del controlador FET s'encén. L'esquema de connexió de la figura 2B permet que el paquet de bateries funcioni mentre es carrega.
Els controladors FET es poden dissenyar per connectar-se a la part alta o baixa d'un paquet de bateries. Una connexió de banda alta requereix un controlador de bomba de càrrega per activar els NMOS FETs. Quan s'utilitza un controlador de banda alta, permet una referència sòlida de terra per a la resta de circuits. Les connexions de controlador FET de baix costat es troben en algunes solucions integrades per reduir costos, ja que no necessiten una bomba de càrrega. Tampoc requereixen dispositius d'alta tensió, que consumeixen una àrea d'encuny més gran. L'ús dels FETs de tall a la part baixa flota la connexió a terra del paquet de bateries, fent-lo més susceptible al soroll injectat a la mesura. Això afecta el rendiment d'algunes IC.
Mesuraments de combustible i corrent
El bloc funcional d'ample de combustible fa un seguiment de la càrrega d'entrada i sortida del paquet de bateries. La càrrega és producte del present i del temps. Es poden utilitzar diverses tècniques diferents a l'hora de dissenyar un manòmetre de combustible.
Un amplificador de sentit actual i una MCU amb un convertidor analògic a digital de baixa resolució incrustat (ADC) és un mètode de mesura actual. L'amplificador de sentit actual, que funciona en entorns d'alt mode comú, amplifica el senyal, permetent mesures d'alta resolució. Tanmateix, aquesta tècnica de disseny sacrifica el rang dinàmic.
Altres tècniques utilitzen un ADC d'alta resolució, o una IC costosa d'ample de combustible. Entendre el consum actual del comportament de càrrega enfront del temps determina el millor tipus de disseny d'ample de combustible.
La solució més precisa i rendible és mesurar el voltatge a través d'una resistència al sentit utilitzant un ADC de 16 bits o superior amb baixa òfset i alta qualificació en mode comú. Un ADC d'alta resolució ofereix un gran rang dinàmic a costa de la velocitat. Si la bateria està connectada a una càrrega erràtica, com ara un vehicle elèctric, l'ADC lent pot perdre pics de corrent d'alta magnitud i alta freqüència lliurats a la càrrega.
Per a càrregues erràtiques, un ADC de registre aproximat successiu (SAR) amb potser un frontal amplificador de sentit corrent pot ser més desitjable. Qualsevol error de desplaçament afecta l'error general en la quantitat de càrrega de la bateria. Els errors de mesurament al llarg del temps causaran errors significatius en el paquet de bateries de l'estat de càrrega. Un desplaçament de mesura de 50 μV o menys amb resolució de 16 bits és adequat a l'hora de mesurar la càrrega.
Tensió cel·lular i maximització de la durada de la bateria
Monitoritzar el voltatge cel·lular de cada cèl·lula en un paquet de bateries és essencial per determinar la seva salut general. Totes les cèl·lules tenen una finestra de tensió de funcionament on s'ha de produir la càrrega /descàrrega per garantir un correcte funcionament i la durada de la bateria. Si una aplicació utilitza una bateria amb una química de liti, el voltatge de funcionament sol oscil·lar entre 2,5 i 4,2 V. El rang de tensió depèn de la química. Operar la bateria fora de l'interval de tensió redueix significativament la vida útil de la cèl·lula i pot fer-la inútil.
Les cel·les estan connectades en sèrie i paral·leles per formar un paquet de bateries. Una connexió paral·lela augmenta la unitat actual del paquet de bateria, mentre que una connexió de sèrie augmenta la tensió general. El rendiment d'una cèl·lula té una distribució: En un moment igual a zero, les taxes de càrrega i descàrrega de la cèl·lula del paquet de bateria són les mateixes. A mesura que cada cèl·lula circula entre la càrrega i la descàrrega, les taxes de càrrega i descàrrega de cada cèl·lula canvien. Això es tradueix en una distribució disseminada a través d'un paquet de bateries.
Una manera senzilla de determinar si es carrega un paquet de bateries és controlar el voltatge de cada cèl·lula fins a un nivell de tensió establert. La primera tensió cel·lular per arribar al límit de tensió salta el límit carregat amb bateria. Un paquet de bateries cel·lulars més feble que la mitjana dóna com a resultat que la cèl·lula més feble arribi primer al límit, mantenint la resta de cèl·lules totalment carregades.
Un esquema de càrrega, com es descriu, no maximitza el paquet de bateries a temps per càrrega. L'esquema de càrrega redueix la vida útil del paquet de bateries perquè necessita més cicles de càrrega i descàrrega. Una cèl·lula més feble es descarreguen més ràpidament. El també ocorre en el cicle de descàrrega; la cèl·lula més feble salta primer el límit de descàrrega, deixant la resta de cèl·lules amb càrrega restant.
Hi ha dues maneres de millorar el temps ON per càrrega del paquet de bateries. El primer és alentir la càrrega a la cèl·lula més feble durant el cicle de càrrega. Això s'aconsegueix connectant un FET de derivació amb una resistència limitant actual a través de la cel·la(Fig. 3A). Pren corrent de la cel·la amb el corrent més alt, resultant en una càrrega cel·lular alentida. Com a resultat, les altres cèl·lules del paquet de bateries són capaces de posar-se al dia. L'objectiu final és maximitzar la capacitat de càrrega del paquet de bateries fent que totes les cèl·lules arribin simultàniament al límit completament carregat.
3. Eludir les FETs d'equilibri cel·lular ajuda a alentir la velocitat de càrrega d'una cèl·lula durant el cicle de càrrega (A). L'equilibri actiu s'utilitza durant el cicle de descàrrega per robar la càrrega d'una cèl·lula forta i donar la càrrega a una cèl·lula feble (B).
El segon mètode és equilibrar el paquet de bateries en el cicle de descàrrega implementant un esquema de desplaçament de càrrega. S'aconsegueix fent-se càrrec mitjançant l'acoblament inductiu o emmagatzematge capacitiu de la cèl·lula alfa i injectant la càrrega emmagatzemada a la cèl·lula més feble. Això alenteix el temps que triga la cèl·lula més feble a arribar al límit de descàrrega, altrament conegut com a equilibri actiu(Fig. 3B).
Monitorització de temperatura
Les bateries d'avui dia lliuren molt corrent mantenint una tensió constant. Això pot conduir a una condició de fuga que fa que la bateria agafi foc. Els productes químics utilitzats per construir una bateria són altament volàtils: una bateria empalada amb l'objecte adequat també pot fer que la bateria agafi foc. Les mesures de temperatura no només s'utilitzen per a la seguretat, sinó que també poden determinar si és desitjable carregar o descarregar una bateria.
Els sensors de temperatura monitoritzen cada cèl·lula per a aplicacions del sistema d'emmagatzematge d'energia (ESS) o una agrupació de cèl·lules per a aplicacions més petites i portàtils. Els termòstors alimentats per una referència interna de tensió ADC s'utilitzen comunament per controlar la temperatura de cada circuit. A més, una referència interna de tensió ajuda a reduir les imprecisió de la lectura de temperatura enfront dels canvis de temperatura ambiental.
Màquines estatals o algoritmes
La majoria dels sistemes BMS requereixen un microcontrolador (MCU) o una matriu de portes programable de camp (FPGA) per gestionar la informació dels circuits de detecció i, a continuació, prendre decisions amb la informació rebuda. En determinats dispositius, com l'ISL94203, un algoritme codificat digitalment permet una solució independent amb un xip. Les solucions independents també són valuoses quan s'aparellen a una MCU, ja que la màquina estatal independent es pot utilitzar per alliberar cicles de rellotge MCU i espai de memòria.
Altres conjunts de creació BMS
Altres blocs funcionals de BMS poden incloure l'autenticació de la bateria, el rellotge en temps real (RTC), la memòria i la cadena de margarida. El RTC i la memòria s'utilitzen per a aplicacions de caixa negra: el RTC s'utilitza com a segell de temps i la memòria s'utilitza per emmagatzemar dades. Això permet a l'usuari conèixer el comportament del paquet de bateries abans d'un esdeveniment catastròfic. El bloc d'autenticació de bateries impedeix que l'electrònica BMS estigui connectada a un paquet de bateries de tercers. La referència/regulador de tensió s'utilitza per alimentar els circuits perifèrics al voltant del sistema BMS. Finalment, els circuits de cadena margarida s'utilitzen per simplificar la connexió entre dispositius apilats. El bloc de la cadena de margarida substitueix la necessitat d'acobladors òptics o altres circuits de canvi de nivell.
