Fonte: electronicdesign.com
Architettura del sistema di gestione della batteria
Un sistema di gestione della batteria (BMS) è in genere costituito da diversi blocchi funzionali, tra cui trasmettitori di effetti di campo (TIC), monitor indicatore di carburante, monitor della tensione cellulare, bilanciamento della tensione cellulare, orologio in tempo reale, monitor della temperatura e una macchina a stati(Fig. 1). Sono disponibili diversi tipi di IC BMS.
Il raggruppamento di blocchi funzionali varia ampiamente da un semplice front-end analogico, come l'ISL94208 che offre bilanciamento e monitoraggio e richiede un microcontrollore, a una soluzione integrata autonoma che funziona in modo autonomo (ad esempio, l'ISL94203). Ora esaminiamo lo scopo e la tecnologia dietro ogni blocco, così come i pro e i contro di ogni tecnologia.
FET di taglio e driver FET
Un blocco funzionale del driver FET è responsabile della connessione e dell'isolamento del pacco batteria tra carico e caricabatterie. Il comportamento del driver FET si basa su misurazioni da tensioni a celle a batteria, misurazioni della corrente e circuiti di rilevamento in tempo reale. Nella figura 2 vengono illustrate due diversi tipi di connessioni FET tra il carico e il caricabatterie e il pacco batteria.
La figura 2A richiede il minor numero di connessioni al pacco batteria e limita le modalità operative del pacco batteria per caricare, scaricare o dormire. La direzione del flusso corrente e il comportamento di un test specifico in tempo reale determinano lo stato del dispositivo.
2. Sono mostrati gli schemi FET di cutoff per una singola connessione tra il carico e il caricabatterie (A) e una connessione a due terminali che consente la ricarica e lo scarico simultanei (B).
Ad esempio, l'ISL94203 ha un monitor di canale (CHMON) che monitora la tensione sul lato destro dei FET tagliati. Se un caricabatterie è collegato e il pacco batteria è isolato da esso, la corrente iniettata verso il pacco batteria farà salire la tensione alla tensione massima di alimentazione del caricabatterie. Il livello di tensione a CHMON è inciampato, il che fa sapere al dispositivo BMS che è presente un caricabatterie. Per determinare una connessione di carico, viene iniettata una corrente nel carico per determinare se è presente un carico. Se la tensione al perno non aumenta in modo significativo durante l'iniezione di corrente, il risultato determina che è presente un carico. Il DFET del driver FET si accende. Lo schema di connessione nella figura 2B consente al pacco batteria di funzionare durante la ricarica.
I driver FET possono essere progettati per connettersi al lato alto o basso di un pacco batteria. Una connessione ad alto lato richiede un driver della pompa di carica per attivare i FET NMOS. Quando si utilizza un driver di alto livello, consente un solido riferimento di terra per il resto dei circuiti. Le connessioni del driver FET low-side si trovano in alcune soluzioni integrate per ridurre i costi, perché non hanno bisogno di una pompa di ricarica. Inoltre, non richiedono dispositivi ad alta tensione, che consumano un'area di dadi più grande. L'utilizzo dei FET cutoff sul lato basso fa galleggiare la connessione di terra del pacco batteria, rendendolo più suscettibile al rumore iniettato nella misurazione. Ciò influisce sulle prestazioni di alcuni IC.
Misura del misuratore di carburante/corrente
Il blocco funzionale indicatore del carburante tiene traccia della carica che entra ed esce dal pacco batteria. La carica è il prodotto della corrente e del tempo. Diverse tecniche possono essere utilizzate quando si progetta un indicatore di carburante.
Un amplificatore a senso di corrente e un MCU con un convertitore analogico-digitale incorporato a bassa risoluzione (ADC) è un metodo di misurazione della corrente. L'amplificatore a senso corrente, che opera in ambienti ad alta modalità comune, amplifica il segnale, consentendo misurazioni ad alta risoluzione. Questa tecnica di progettazione sacrifica la gamma dinamica, però.
Altre tecniche utilizzano un ADC ad alta risoluzione o un costoso IC a scartamento del carburante. Comprendere il consumo corrente del comportamento di carico rispetto al tempo determina il miglior tipo di progettazione del misuratore di carburante.
La soluzione più accurata ed economica è misurare la tensione attraverso un resistore di senso utilizzando un ADC a 16 bit o superiore con basso offset e alta valutazione in modalità comune. Un ADC ad alta risoluzione offre una vasta gamma dinamica a scapito della velocità. Se la batteria è collegata a un carico irregolare, ad esempio un veicolo elettrico, l'ADC lento potrebbe perdere picchi di corrente ad alta e alta frequenza consegnati al carico.
Per i carichi irregolari, un ADC a registro approssimativo successivo (SAR) con forse un front-end dell'amplificatore a senso di corrente può essere più desiderabile. Qualsiasi errore di offset influisce sull'errore complessivo nella quantità di carica della batteria. Gli errori di misurazione nel tempo causeranno errori significativi del pacco batteria dello stato di carica. Un offset di misura di 50 μV o meno con risoluzione a 16 bit è adeguato quando si misura la carica.
Tensione cellulare e massimizzazione della durata della batteria
Il monitoraggio della tensione cellulare di ogni cella in un pacco batteria è essenziale per determinarne lo stato generale. Tutte le celle hanno una finestra di tensione operativa in cui dovrebbe verificarsi la ricarica / scarica per garantire il corretto funzionamento e la durata della batteria. Se un'applicazione utilizza una batteria con una chimica del litio, la tensione operativa varia tipicamente tra 2,5 e 4,2 V. L'intervallo di tensione dipende dalla chimica. Il funzionamento della batteria al di fuori dell'intervallo di tensione riduce significativamente la durata della cella e può renderla inutile.
Le celle sono collegate in serie e parallele per formare un pacco batteria. Una connessione parallela aumenta l'azionamento di corrente del pacco batteria, mentre una connessione in serie aumenta la tensione complessiva. Le prestazioni di una cella hanno una distribuzione: al tempo stesso zero, la carica e le velocità di scarica della cella del pacco batteria sono le stesse. Man mano che ogni cella passa dalla carica alla scarica, i tassi di carica e di scarica di ogni cella cambiano. Ciò si traduce in una distribuzione distribuita su un pacco batteria.
Un modo semplice per determinare se un pacco batteria è caricato è monitorare la tensione di ogni cella a un livello di tensione impostato. La prima tensione cellulare a raggiungere il limite di tensione inciampa nel limite di carica del pacco batteria. Un pacco batteria a celle più debole della media porta la cellula più debole a raggiungere prima il limite, mantenendo il resto delle celle completamente in carica.
Uno schema di ricarica, come descritto, non massimizza il tempo di funzionamento del pacco batteria per carica. Lo schema di ricarica riduce la durata del pacco batteria perché ha bisogno di più cicli di carica e scarica. Una cellula più debole si scarica più velocemente. Si verifica anche sul ciclo di scarico; la cella più debole inciampa prima nel limite di scarico, lasciando il resto delle cellule con carica rimanente.
Esistono due modi per migliorare il tempo di on per carica del pacco batteria. Il primo è quello di rallentare la carica verso la cella più debole durante il ciclo di carica. Ciò si ottiene collegando un bypass FET con un resistore limitante di corrente attraverso la cella(Fig. 3A). Prende corrente dalla cella con la corrente più alta, con conseguente rallentamento della carica cellulare. Di conseguenza, le altre celle del pacco batteria sono in grado di recuperare il ritardo. L'obiettivo finale è massimizzare la capacità di carica del pacco batteria facendo in modo che tutte le celle raggiungano contemporaneamente il limite completamente carico.
3. Bypassare i FET di bilanciamento delle celle aiuta a rallentare la velocità di carica di una cella durante il ciclo di carica (A). Il bilanciamento attivo viene utilizzato durante il ciclo di scarico per rubare la carica da una cellula forte e dare la carica a una cella debole (B).
Il secondo metodo è quello di bilanciare il pacco batteria sul ciclo di scarica implementando uno schema di spostamento della carica. Si ottiene prendendo il comando tramite accoppiamento induttivo o stoccaggio capacitivo dalla cellula alfa e iniettando la carica immagazzinata nella cella più debole. Ciò rallenta il tempo necessario alla cellula più debole per raggiungere il limite di scarica, altrimenti noto come bilanciamento attivo(Fig. 3B).
Monitoraggio della temperatura
Le batterie di oggi forniscono molta corrente mantenendo una tensione costante. Ciò può portare a una condizione di fuga che fa sì che la batteria prenda fuoco. Le sostanze chimiche utilizzate per costruire una batteria sono altamente volatili: una batteria impaticata con l'oggetto giusto può anche far prendere fuoco alla batteria. Le misurazioni della temperatura non vengono utilizzate solo per la sicurezza, ma possono anche determinare se è auspicabile caricare o scaricare una batteria.
I sensori di temperatura monitorano ogni cella per applicazioni del sistema di accumulo di energia (ESS) o un raggruppamento di celle per applicazioni più piccole e portatili. I termistori alimentati da un riferimento di tensione ADC interno sono comunemente usati per monitorare la temperatura di ogni circuito. Inoltre, un riferimento di tensione interno aiuta a ridurre le imprecisioni della lettura della temperatura rispetto ai cambiamenti di temperatura ambientali.
Macchine a stati o algoritmi
La maggior parte dei sistemi BMS richiede un microcontrollore (MCU) o un gate array programmabile sul campo (FPGA) per gestire le informazioni dai circuiti di rilevamento, quindi prendere decisioni con le informazioni ricevute. In alcuni dispositivi, come l'ISL94203, un algoritmo codificato digitalmente consente una soluzione autonoma con un unico chip. Le soluzioni autonome sono utili anche se accoppiate a una MCU, perché la macchina a stati del autonomo può essere utilizzata per liberare cicli di clock MCU e spazio di memoria.
Altri blocchi predefiniti BMS
Altri blocchi BMS funzionali possono includere l'autenticazione della batteria, l'orologio in tempo reale (RTC), la memoria e la catena a margherita. L'RTC e la memoria vengono utilizzati per le applicazioni black-box: l'RTC viene utilizzato come timestamp e la memoria viene utilizzata per archiviare i dati. Ciò consente all'utente di conoscere il comportamento del pacco batteria prima di un evento catastrofico. Il blocco di autenticazione della batteria impedisce l'connessione dell'elettronica BMS a un pacco batteria di terze parti. Il riferimento/regolatore di tensione viene utilizzato per alimentare i circuiti periferici attorno al sistema BMS. Infine, i circuiti a margherita vengono utilizzati per semplificare la connessione tra dispositivi impilati. Il blocco a margherita sostituisce la necessità di accoppiatori ottici o altri circuiti di spostamento del livello.
