Avots: electronicdesign.com
Akumulatora pārvaldības sistēmas arhitektūra
Akumulatora vadības sistēma (BMS) parasti sastāv no vairākiem funkcionāliem blokiem, tostarp nogriežņu lauka efekta raidītājiem (NJT), degvielas mērītāja monitora, šūnu sprieguma monitora, šūnu sprieguma bilances, reāllaika pulksteņa, temperatūras monitoriem un stāvokļa mašīnas.(1. attēls). Ir pieejami vairāki BMS SKT veidi.
Funkcionālo bloku grupēšana ievērojami atšķiras no vienkārša analogā priekšgala, piemēram, ISL94208, kas piedāvā balansēšanu un uzraudzību un kam nepieciešams mikrokontrolleris, līdz atsevišķam integrētam risinājumam, kas darbojas autonomi (piemēram, ISL94203). Tagad apskatīsim katra bloka mērķi un tehnoloģijas, kā arī katras tehnoloģijas plusus un mīnusus.
Cutoff FET un FET draiveris
FET draivera funkcionālais bloks ir atbildīgs par akumulatora savienojumu un izolāciju starp slodzi un lādētāju. NJT draivera darbība ir atkarīga no akumulatora šūnu sprieguma mērījumiem, strāvas mērījumiem un reāllaika noteikšanas shēmas. 2. attēlā parādīti divi dažādi NET savienojumu veidi starp slodzi un lādētāju un akumulatoru.
2.A attēlā ir prasīts vismazāk savienojumu ar akumulatoru un akumulatora darbības režīmi ir ierobežoti līdz uzlādei, izlādei vai miega režīmam. Ierīces stāvokli nosaka strāvas plūsmas virziens un konkrēta reāllaika testa darbība.
2. Parādīts, ka ir izgrieztas NET shēmas vienam savienojumam starp slodzi un lādētāju (A) un divu termināļu savienojums, kas ļauj vienlaicīgi uzlādēt un izlādēties (B).
Piemēram, ISL94203 ir kanāla monitors (CHMON), kas uzrauga spriegumu nogriežņu FET labajā pusē. Ja ir pievienots lādētājs un no tā ir izolēts akumulators, strāva, kas ievadīta akumulatora virzienā, izraisīs sprieguma paaugstināšanos līdz lādētāja maksimālajam barošanas spriegumam. CHMON sprieguma līmenis ir trīskāršots, kas ļauj BMS ierīcei zināt, ka ir lādētājs. Lai noteiktu slodzes savienojumu, slodzē tiek ievadīta strāva, lai noteiktu, vai ir slodze. Ja spriegums pie tapas ievērojami nepieceļas, injicējot strāvu, rezultāts nosaka, ka ir slodze. Pēc tam tiek ieslēgts FET draivera DFET. Savienojuma shēma 2B attēlā ļauj akumulatoram darboties uzlādes laikā.
NET draiverus var izstrādāt tā, lai tie būtu savienoti ar akumulatora augsto vai zemo pusi. Lai aktivizētu NMOS FET, augstas puses savienojumam ir nepieciešams uzlādes sūkņa draiveris. Izmantojot augstas puses draiveri, tas nodrošina stabilu zemes atsauci pārējai shēmai. Zemas puses NET draiveru savienojumi ir atrodami dažos integrētos risinājumos, lai samazinātu izmaksas, jo viņiem nav nepieciešams uzlādes sūknis. Viņiem nav nepieciešamas arī augstsprieguma ierīces, kas patērē lielāku miršanas zonu. Izmantojot nogriežņu FET uz zemākās malas, tiek pludināts akumulatora zemes savienojums, padarot to uzņēmīgāku pret mērījumā ievadīto troksni. Tas ietekmē dažu SKT veiktspēju.
Degvielas mērītāja/strāvas mērījumi
Degvielas mērītāja funkcionālais bloks seko akumulatora bloka uzlādei, kas ielādējas un iziet no tā. Uzlāde ir strāvas un laika produkts. Degvielas mērītāja projektēšanā var izmantot vairākus dažādus tehniskos paņēmienus.
Strāvas jušanas pastiprinātājs un MCU ar iegultu zemas izšķirtspējas analogo-ciparu pārveidotāju (ADC) ir viena pašreizējās mērīšanas metode. Strāvas pastiprinātājs, kas darbojas augsta kopējā režīma vidē, pastiprina signālu, ļaujot veikt augstākas izšķirtspējas mērījumus. Tomēr šī projektēšanas tehnika upurē dinamisko diapazonu.
Citos tehniskos paņēmienos izmanto augstas izšķirtspējas ADC vai dārgu degvielas gabarītu IC. Izpratne par slodzes uzvedību pašreizējais patēriņš pret laiku nosaka labāko degvielas gabarīta konstrukcijas veidu.
Visprecīzākais un rentablākais risinājums ir izmērīt spriegumu visā jušanas rezistorā, izmantojot 16 bitu vai augstāku ADC ar zemu nobīdi un augstu kopējā režīma vērtējumu. Augstas izšķirtspējas ADC piedāvā lielu dinamisko diapazonu uz ātruma rēķina. Ja akumulators ir savienots ar nevienmērīgu slodzi, piemēram, elektromobili, lēnais ADC var izlaist slodzei piegādātos liela apjoma un augstfrekvences strāvas tapas.
Netipiskām slodzēm var būt vēlamāks secīgs aptuvens reģistrs (SAR) ADC ar, iespējams, pašreizējās sajūtas pastiprinātāja priekšgalu. Jebkura nobīdes kļūda ietekmē akumulatora uzlādes apjoma vispārējo kļūdu. Mērījumu kļūdas laika gaitā izraisīs ievērojamas uzlādes statusa akumulatora kļūdas. Mērīšanas laikā ir piemērota 50 μV vai mazāka mērījumu nobīde ar 16 bitu izšķirtspēju.
Šūnu spriegums un akumulatora darbmūža maksimizēšana
Lai noteiktu tā vispārējo veselību, ir būtiski uzraudzīt katra baterijas bloka elementu spriegumu. Visiem transportlīdzekļiem ir darba sprieguma logs, kurā jānotiek uzlādei/izlādēm, lai nodrošinātu pareizu darbību un akumulatora darbības laiku. Ja lietojumprogramma izmanto akumulatoru ar litija ķīmiju, darba spriegums parasti svārstās no 2,5 līdz 4,2 V. Sprieguma diapazons ir atkarīgs no ķīmijas. Akumulatora darbmūža darbmūža darbība ārpus sprieguma diapazona ievērojami samazina šūnas kalpošanas laiku un var padarīt to bezjēdzīgu.
Šūnas ir savienotas sērijās un paralēli, lai izveidotu akumulatoru. Paralēlais savienojums palielina akumulatora strāvas piedziņu, bet sērijas savienojums palielina kopējo spriegumu. Šūnas veiktspējai ir sadalījums: tajā laikā, kas ir vienāds ar nulli, akumulatora bloka akumulatora uzlādes un izlādes ātrums ir vienāds. Tā kā katra šūna cikliski mainās starp uzlādi un izlādi, mainās katras šūnas uzlādes un izlādes ātrums. Tas izraisa izkliedi pa akumulatoru.
Vienkāršs veids, kā noteikt, vai akumulators ir uzlādēts, ir uzraudzīt katras šūnas spriegumu līdz iestatītam sprieguma līmenim. Pirmais šūnas spriegums, lai sasniegtu sprieguma ierobežojumu, pārsniedz akumulatora uzlādes limitu. Vājāks par vidējo šūnu akumulatoru bloks rada vājāko šūnu, kas vispirms sasniedz robežu, pārējos akumulatorus pilnībā uzlādējot.
Kā aprakstīts, uzlādes shēma nepasummē akumulatora uzlādes laiku ar uzlādi. Uzlādes shēma samazina akumulatora kalpošanas laiku, jo tai ir nepieciešams vairāk uzlādes un izlādes ciklu. Vājāka šūna izlādējas ātrāk. Tas notiek arī izvadīšanas ciklā; vājākā šūna vispirms pārnes izplūdes robežu, pārējās šūnas atstājot ar atlikušo lādiņu.
Ir divi veidi, kā uzlabot iespīdēšanos akumulatora uzlādes laikā. Pirmais ir palēnināt uzlādi vājākajā šūnā uzlādes cikla laikā. Tas tiek panākts, savienojot apvada NJT ar strāvas ierobežojošo rezistoru visā šūnā(Zīm. 3A). Tas paņem strāvu no šūnas ar augstāko strāvu, kā rezultātā palēninās šūnas uzlāde. Tā rezultātā pārējie akumulatora akumulatori spēj panākt. Galīgais mērķis ir palielināt akumulatora uzlādes spēju, vienlaicīgi sasniedzot pilnībā uzlādētus akumulatorus.
3. Apiet šūnu līdzsvarošanas NNT palīdz palēnināt šūnas uzlādes ātrumu uzlādes cikla (A) laikā. Izlādes cikla laikā tiek izmantota aktīva balansēšana, lai nozagtu lādiņu no stipras šūnas un piešķirtu lādiņu vājai šūnai (B).
Otrā metode ir līdzsvarot akumulatoru izlādes ciklā, ieviešot uzlādes-pārvietošanas shēmu. Tas tiek panākts, uzņemoties uzlādi ar induktīvo savienojumu vai kapacitīvu uzglabāšanu no alfa šūnas un injicējot uzglabāto lādiņu vājākajā šūnā. Tas palēnina laiku, kas nepieciešams vājākajai šūnai, lai sasniegtu izlādes robežu, kas citādi pazīstama kā aktīvā balansēšana(Zīm. 3B).
Temperatūras monitorings
Šodienas akumulatori nodrošina daudz strāvas, vienlaikus saglabājot nemainīgu spriegumu. Tas var izraisīt bēgšanas stāvokli, kas izraisa akumulatora aizdegšanos. Akumulatora konstrukcijā izmantotās ķīmiskās vielas ir ļoti gaistošas — akumulators, kas ir piesiets ar pareizo objektu, var arī izraisīt akumulatora aizdegšanos. Temperatūras mērījumi netiek izmantoti tikai drošībai, bet arī var noteikt, vai ir vēlams uzlādēt vai izlādēt akumulatoru.
Temperatūras sensori uzrauga katru šūnu enerģijas uzkrāšanas sistēmas (ESS) lietojumiem vai šūnu grupēšanai mazākiem un pārnēsājamākiem lietojumiem. Katras ķēdes temperatūras uzraudzībai parasti izmanto termistorus, ko darbina iekšējais ADC sprieguma atsauce. Turklāt iekšējā sprieguma atsauce palīdz samazināt temperatūras rādījuma neprecizitātes salīdzinājumā ar vides temperatūras izmaiņām.
Valsts iekārtas vai algoritmi
Lielākajai daļai BMS sistēmu ir nepieciešams mikrokontrolleris (MCU) vai lauka programmējams vārtu bloks (FPGA), lai pārvaldītu informāciju no sensora shēmas un pēc tam pieņemtu lēmumus ar saņemto informāciju. Dažās ierīcēs, piemēram, ISL94203, digitāli kodēts algoritms ļauj savrupu risinājumu ar vienu mikroshēmu. Savrupi risinājumi ir vērtīgi arī tad, ja tie ir savienoti ar MCU, jo savrupo stāvokļa mašīnu var izmantot, lai atbrīvotu MCU pulksteņu ciklus un atmiņas vietu.
Citi BMS veidošanas bloki
Citi funkcionālie BMS bloki var ietvert akumulatora autentifikāciju, reāllaika pulksteni (RTC), atmiņu un margrietiņu ķēdi. RTC un atmiņa tiek izmantoti melnās kastes lietojumprogrammām — RTC tiek izmantots kā laikspiedols un atmiņa tiek izmantota datu glabāšanai. Tas ļauj lietotājam uzzināt akumulatora darbību pirms katastrofāla notikuma. Akumulatora autentifikācijas bloks neļauj BMS elektronikai pievienot trešās puses akumulatoru. Sprieguma atsauci/regulatoru izmanto, lai darbinātu perifēro shēmu ap BMS sistēmu. Visbeidzot, margrietiņu ķēdes shēma tiek izmantota, lai vienkāršotu savienojumu starp ierīču grēdām. Margrietiņu ķēdes bloks aizstāj nepieciešamību pēc optiskajiem savienotājiem vai citas līmeņa pārslēgšanas shēmas.