Quelle: electronicdesign.com
Batterie-Management-System Architektur
Ein Batteriemanagementsystem (BMS) besteht in der Regel aus mehreren Funktionsblöcken, darunter Cutoff-Feldeffektsender (FETs), Füllstandsüberwachung, Zellspannungsüberwachung, Zellspannungsausgleich, Echtzeituhr, Temperaturüberwachung und a Zustandsmaschine(Abb. 1). Es sind verschiedene Arten von BMS-ICs verfügbar.
Die Gruppierung von Funktionsblöcken variiert stark von einem einfachen analogen Front-End wie dem ISL94208, das Ausgleich und Überwachung bietet und einen Mikrocontroller erfordert, bis hin zu einer eigenständigen integrierten Lösung, die autonom läuft (zB ISL94203). Lassen Sie uns nun den Zweck und die Technologie hinter jedem Block sowie die Vor- und Nachteile jeder Technologie untersuchen.
Cutoff-FETs und FET-Treiber
Ein FET-Treiber-Funktionsblock ist für die Verbindung des Akkupacks und die Isolierung zwischen Last und Ladegerät verantwortlich. Das Verhalten des FET-Treibers basiert auf Messungen von Batteriezellenspannungen, Strommessungen und Echtzeit-Erkennungsschaltungen. Abbildung 2 zeigt zwei verschiedene Arten von FET-Verbindungen zwischen Last und Ladegerät sowie dem Akkupack.
Abbildung 2A erfordert die geringste Anzahl von Verbindungen zum Akku und begrenzt die Betriebsmodi des Akkus entweder auf Laden, Entladen oder Ruhezustand. Die Stromflussrichtung und das Verhalten eines bestimmten Echtzeittests bestimmen den Gerätezustand.
2. Gezeigt sind FET-Schaltpläne für eine einzelne Verbindung zwischen Last und Ladegerät (A) und eine Verbindung mit zwei Anschlüssen, die gleichzeitiges Laden und Entladen ermöglicht (B).
Der ISL94203 verfügt beispielsweise über einen Kanalmonitor (CHMON), der die Spannung auf der rechten Seite der Cutoff-FETs überwacht. Wenn ein Ladegerät angeschlossen und der Akku davon getrennt ist, führt der in Richtung des Akkus eingespeiste Strom zu einem Anstieg der Spannung auf die maximale Versorgungsspannung des Ladegeräts. Der Spannungspegel an CHMON wird ausgelöst, wodurch das BMS-Gerät weiß, dass ein Ladegerät vorhanden ist. Um eine Lastverbindung zu ermitteln, wird ein Strom in die Last eingespeist, um festzustellen, ob eine Last vorhanden ist. Steigt die Spannung am Pin bei der Strominjektion nicht signifikant an, liegt eine Last vor. Der DFET des FET-Treibers schaltet dann ein. Das Verbindungsschema in Fig. 2B ermöglicht den Betrieb des Akkupacks während des Ladevorgangs.
FET-Treiber können so ausgelegt werden, dass sie an die High- oder Low-Side eines Batteriepacks angeschlossen werden. Eine High-Side-Verbindung erfordert einen Ladungspumpentreiber, um die NMOS-FETs zu aktivieren. Bei Verwendung eines High-Side-Treibers ermöglicht er eine solide Massereferenz für den Rest der Schaltung. Low-Side-FET-Treiberverbindungen finden sich in einigen integrierten Lösungen, um die Kosten zu senken, da sie keine Ladungspumpe benötigen. Sie benötigen auch keine Hochspannungsgeräte, die eine größere Chipfläche verbrauchen. Durch die Verwendung der Cutoff-FETs auf der Low-Side wird die Masseverbindung des Akkus potenzialfrei gemacht, wodurch er anfälliger für in die Messung eingekoppeltes Rauschen wird. Dies beeinträchtigt die Leistung einiger ICs.
Tankanzeige/Strommessungen
Der Funktionsblock der Tankanzeige verfolgt die Ladung, die in das Batteriepaket ein- und austritt. Die Ladung ist das Produkt aus Strom und Zeit. Beim Entwerfen einer Tankanzeige können mehrere verschiedene Techniken verwendet werden.
Ein Strommessverstärker und eine MCU mit einem eingebetteten Analog-Digital-Wandler (ADC) mit niedriger Auflösung sind eine Strommessmethode. Der Strommessverstärker, der in Umgebungen mit hohem Gleichtakt arbeitet, verstärkt das Signal und ermöglicht Messungen mit höherer Auflösung. Diese Designtechnik opfert jedoch den Dynamikbereich.
Andere Techniken verwenden einen hochauflösenden ADC oder einen kostspieligen Tankanzeige-IC. Das Verständnis des aktuellen Verbrauchs des Lastverhaltens gegenüber der Zeit bestimmt die beste Art der Kraftstoffanzeige.
Die genaueste und kosteneffizienteste Lösung besteht darin, die Spannung an einem Messwiderstand mit einem 16-Bit- oder höheren ADC mit niedrigem Offset und hohem Gleichtaktwert zu messen. Ein hochauflösender ADC bietet einen großen Dynamikbereich auf Kosten der Geschwindigkeit. Wenn die Batterie mit einer unregelmäßigen Last verbunden ist, wie etwa einem Elektrofahrzeug, kann der langsame ADC Stromspitzen hoher Stärke und hoher Frequenz übersehen, die an die Last geliefert werden.
Für unregelmäßige Lasten kann ein ADC mit sukzessivem Approximationsregister (SAR) mit vielleicht einem Stromerfassungsverstärker-Frontend wünschenswerter sein. Jeder Offset-Fehler wirkt sich auf den Gesamtfehler der Batterieladung aus. Messfehler im Laufe der Zeit führen zu erheblichen Fehlern beim Ladezustand des Akkus. Für die Ladungsmessung ist ein Messoffset von 50 µV oder weniger bei 16-Bit-Auflösung ausreichend.
Zellspannung und Maximierung der Batterielebensdauer
Die Überwachung der Zellspannung jeder Zelle in einem Batteriepack ist wichtig, um den Gesamtzustand zu bestimmen. Alle Zellen haben ein Betriebsspannungsfenster, in dem das Laden/Entladen erfolgen sollte, um einen ordnungsgemäßen Betrieb und die Batterielebensdauer zu gewährleisten. Wenn eine Anwendung eine Batterie mit Lithium-Chemie verwendet, liegt die Betriebsspannung typischerweise zwischen 2,5 und 4,2 V. Der Spannungsbereich ist chemieabhängig. Der Betrieb der Batterie außerhalb des Spannungsbereichs verkürzt die Lebensdauer der Zelle erheblich und kann diese unbrauchbar machen.
Zellen werden in Reihe und parallel geschaltet, um einen Batteriesatz zu bilden. Eine Parallelschaltung erhöht den Stromantrieb des Akkupacks, während eine Reihenschaltung die Gesamtspannung erhöht. Die Leistung einer Zelle hat eine Verteilung: Zum Zeitpunkt Null sind die Lade- und Entladeraten der Akkupack-Zelle gleich. Während jede Zelle zwischen Laden und Entladen wechselt, ändern sich die Lade- und Entladeraten jeder Zelle. Dies führt zu einer verteilten Verteilung über einen Batteriesatz.
Eine einfache Möglichkeit, festzustellen, ob ein Akkupack geladen ist, besteht darin, die Spannung jeder Zelle auf einen festgelegten Spannungspegel zu überwachen. Die erste Zellspannung, die die Spannungsgrenze erreicht, löst die Ladegrenze des Akkupacks aus. Ein Batteriepack mit einer überdurchschnittlich schwachen Zelle führt dazu, dass die schwächste Zelle zuerst die Grenze erreicht und die restlichen Zellen nicht vollständig geladen werden.
Ein Ladeschema, wie beschrieben, maximiert die Einschaltzeit des Akkus pro Ladung nicht. Das Ladeschema verkürzt die Lebensdauer des Akkus, da mehr Lade- und Entladezyklen erforderlich sind. Eine schwächere Zelle entlädt sich schneller. Das tritt auch beim Entladezyklus auf; die schwächere Zelle löst zuerst die Entladegrenze aus und lässt die restlichen Zellen mit Restladung zurück.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die EIN-Zeit pro Akkuladung zu verbessern. Die erste besteht darin, die Ladung der schwächsten Zelle während des Ladezyklus zu verlangsamen. Dies wird erreicht, indem ein Bypass-FET mit einem Strombegrenzungswiderstand über die Zelle geschaltet wird(Abb. 3A). Es entnimmt der Zelle mit dem höchsten Strom Strom, was zu einer langsameren Zellladung führt. Dadurch können die anderen Akkupackzellen aufholen. Das ultimative Ziel besteht darin, die Ladekapazität des Akkupacks zu maximieren, indem alle Zellen gleichzeitig die Vollladegrenze erreichen.
3. Bypass-Zellenausgleichs-FETs helfen, die Laderate einer Zelle während des Ladezyklus zu verlangsamen (A). Aktives Balancing wird während des Entladezyklus verwendet, um Ladung von einer starken Zelle zu stehlen und die Ladung an eine schwache Zelle abzugeben (B).
Das zweite Verfahren besteht darin, den Batteriepack beim Entladezyklus auszugleichen, indem ein Ladungsverschiebungsschema implementiert wird. Dies wird erreicht, indem Ladung über induktive Kopplung oder kapazitive Speicherung von der Alpha-Zelle genommen und die gespeicherte Ladung in die schwächste Zelle injiziert wird. Dies verlangsamt die Zeit, die die schwächste Zelle braucht, um die Entladegrenze zu erreichen, auch bekannt als aktives Balancing(Abb. 3B).
Temperaturüberwachung
Heutige Batterien liefern viel Strom bei konstanter Spannung. Dies kann zu einem unkontrollierten Zustand führen, der dazu führt, dass die Batterie Feuer fängt. Die zum Bau einer Batterie verwendeten Chemikalien sind leicht flüchtig – eine Batterie, die mit dem richtigen Gegenstand aufgespießt wird, kann auch dazu führen, dass die Batterie Feuer fängt. Temperaturmessungen dienen nicht nur der Sicherheit, sondern können auch feststellen, ob ein Akku geladen oder entladen werden soll.
Temperatursensoren überwachen jede Zelle für Energiespeichersystem (ESS)-Anwendungen oder eine Gruppe von Zellen für kleinere und tragbarere Anwendungen. Thermistoren, die von einer internen ADC-Spannungsreferenz gespeist werden, werden üblicherweise verwendet, um die Temperatur jedes Stromkreises zu überwachen. Darüber hinaus trägt eine interne Spannungsreferenz dazu bei, Ungenauigkeiten des Temperaturmesswerts gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur zu reduzieren.
Zustandsautomaten oder Algorithmen
Die meisten BMS-Systeme erfordern einen Mikrocontroller (MCU) oder ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), um Informationen von der Sensorschaltung zu verwalten und dann Entscheidungen mit den empfangenen Informationen zu treffen. Bei bestimmten Geräten wie dem ISL94203 ermöglicht ein digital codierter Algorithmus eine Standalone-Lösung mit einem Chip. Standalone-Lösungen sind auch in Verbindung mit einer MCU wertvoll, da die Zustandsmaschine des Standalone verwendet werden kann, um MCU-Taktzyklen und Speicherplatz freizugeben.
Andere BMS-Bausteine
Andere funktionale BMS-Blöcke können Batterieauthentifizierung, Echtzeituhr (RTC), Speicher und Daisy Chain umfassen. Die RTC und der Speicher werden für Blackbox-Anwendungen verwendet – die RTC wird als Zeitstempel verwendet und der Speicher wird zum Speichern von Daten verwendet. Dies informiert den Benutzer über das Verhalten des Akkupacks vor einem katastrophalen Ereignis. Die Batterie-Authentifizierungssperre verhindert, dass die BMS-Elektronik mit einem Fremdakkupack verbunden wird. Die Spannungsreferenz/der Spannungsregler wird verwendet, um periphere Schaltkreise um das BMS-System herum mit Strom zu versorgen. Schließlich wird eine Daisy-Chain-Schaltung verwendet, um die Verbindung zwischen gestapelten Geräten zu vereinfachen. Der Daisy-Chain-Block ersetzt Optokoppler oder andere Pegelverschiebungsschaltungen.