Nguồn: Electronicdesign.com
Kiến trúc hệ thống-quản lý pin
Hệ thống quản lý pin (BMS) thường bao gồm một số khối chức năng, bao gồm máy phát hiệu ứng trường cắt (FET), màn hình đo nhiên liệu, màn hình điện áp cell, cân bằng điện áp cell, đồng hồ thời gian thực, màn hình nhiệt độ và máy nhà nước(Hình 1). Một số loại IC BMS có sẵn.
Việc nhóm các khối chức năng rất khác nhau từ giao diện người dùng tương tự đơn giản, chẳng hạn nhưISL94208 cung cấp khả năng cân bằng và giám sát và yêu cầu một bộ vi điều khiển, đến một giải pháp tích hợp độc lập chạy tự động (ví dụ: theISL94203). Bây giờ chúng ta hãy xem xét mục đích và công nghệ đằng sau mỗi khối, cũng như ưu và nhược điểm của từng công nghệ.
Ngắt FET và Trình điều khiển FET
Khối chức năng trình điều khiển FET chịu trách nhiệm kết nối và cách ly bộ pin giữa tải và bộ sạc. Hành vi của trình điều khiển FET được dự đoán dựa trên các phép đo từ điện áp tế bào pin, phép đo dòng điện và mạch phát hiện thời gian thực. Hình 2 minh họa hai kiểu kết nối FET khác nhau giữa tải và bộ sạc, và bộ pin.
Hình 2A yêu cầu số lượng kết nối ít nhất với bộ pin và giới hạn chế độ hoạt động của bộ pin ở mức sạc, xả hoặc ngủ. Hướng dòng chảy hiện tại và hành vi của một bài kiểm tra thời gian thực cụ thể xác định trạng thái của thiết bị.
2. Hiển thị là sơ đồ FET cắt cho kết nối đơn giữa tải và bộ sạc (A) và kết nối hai đầu cho phép sạc và xả đồng thời (B).
Ví dụ, ISL94203 có bộ giám sát kênh (CHMON) giám sát điện áp ở phía bên phải của FET cắt. Nếu một bộ sạc được kết nối và bộ pin được cách ly khỏi nó, dòng điện được đưa vào bộ pin sẽ làm cho điện áp tăng lên đến điện áp cung cấp tối đa của bộ sạc. Mức điện áp tại CHMON bị ngắt, cho phép thiết bị BMS biết đang có bộ sạc. Để xác định kết nối tải, một dòng điện được đưa vào tải để xác định xem có tải hay không. Nếu điện áp tại chân không tăng đáng kể khi đưa dòng vào, kết quả xác định rằng có tải. Sau đó DFET của trình điều khiển FET sẽ bật. Sơ đồ kết nối trong Hình 2B cho phép bộ pin hoạt động trong khi sạc.
Trình điều khiển FET có thể được thiết kế để kết nối với mặt cao hoặc thấp của bộ pin. Kết nối phía cao yêu cầu trình điều khiển bơm sạc để kích hoạt NMOS FET. Khi sử dụng trình điều khiển bên cao, nó cho phép tham chiếu mặt đất vững chắc cho phần còn lại của mạch. Các kết nối trình điều khiển FET bên thấp được tìm thấy trong một số giải pháp tích hợp để giảm chi phí, vì chúng không cần bơm sạc. Họ cũng không yêu cầu các thiết bị điện áp cao, tiêu thụ diện tích khuôn lớn hơn. Việc sử dụng các FET cắt ở phía thấp sẽ làm nổi kết nối đất của bộ pin, khiến nó dễ bị nhiễu vào phép đo hơn. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất của một số IC.
Đo nhiên liệu / Đo dòng điện
Khối chức năng đo nhiên liệu theo dõi lượng điện vào và ra khỏi bộ pin. Phí là sản phẩm của hiện tại và thời gian. Một số kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng khi thiết kế đồng hồ đo nhiên liệu.
Bộ khuếch đại cảm nhận dòng điện và MCU với bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số (ADC) có độ phân giải thấp được nhúng là một phương pháp đo dòng điện. Bộ khuếch đại cảm nhận hiện tại, hoạt động trong môi trường chế độ chung cao, khuếch đại tín hiệu, cho phép các phép đo có độ phân giải cao hơn. Tuy nhiên, kỹ thuật thiết kế này hy sinh phạm vi động.
Các kỹ thuật khác sử dụng bộ ADC có độ phân giải cao hoặc IC đo nhiên liệu đắt tiền. Hiểu được mức tiêu thụ hiện tại của hành vi tải so với thời gian sẽ xác định loại thiết kế đồng hồ đo nhiên liệu tốt nhất.
Giải pháp chính xác và tiết kiệm chi phí nhất là đo điện áp trên một điện trở cảm nhận bằng cách sử dụng bộ ADC 16 bit trở lên với độ lệch thấp và xếp hạng chế độ chung cao. ADC có độ phân giải cao cung cấp một phạm vi động lớn với chi phí là tốc độ. Nếu pin được kết nối với tải không bình thường, chẳng hạn như xe điện, ADC chậm có thể bỏ lỡ các đột biến dòng điện tần số cao và cường độ cao được cung cấp cho tải.
Đối với tải thất thường, ADC thanh ghi gần đúng (SAR) liên tiếp có đầu trước bộ khuếch đại cảm nhận dòng điện có thể được mong muốn hơn. Bất kỳ lỗi bù nào cũng ảnh hưởng đến lỗi tổng thể về lượng pin sạc. Các lỗi đo lường theo thời gian sẽ gây ra lỗi pin sạc đáng kể. Độ lệch phép đo từ 50 µV trở xuống với độ phân giải 16-bit là đủ khi đo điện tích.
Điện áp di động và tối đa hóa thời gian sử dụng pin
Theo dõi điện áp di động của mỗi tế bào trong bộ pin là điều cần thiết để xác định sức khỏe tổng thể của nó. Tất cả các tế bào đều có cửa sổ điện áp hoạt động, nơi xảy ra quá trình sạc / xả để đảm bảo hoạt động tốt và tuổi thọ của pin. Nếu một ứng dụng đang sử dụng pin có hóa chất lithium, điện áp hoạt động thường nằm trong khoảng từ 2,5 đến 4,2 V. Dải điện áp phụ thuộc vào hóa học. Việc vận hành pin bên ngoài dải điện áp làm giảm đáng kể tuổi thọ của tế bào và có thể khiến nó trở nên vô dụng.
Các tế bào được mắc nối tiếp và song song để tạo thành một bộ pin. Kết nối song song làm tăng ổ đĩa hiện tại của bộ pin, trong khi kết nối nối tiếp làm tăng điện áp tổng thể. Hiệu suất của một tế bào có phân bố: Tại thời điểm bằng 0, tốc độ sạc và xả của pin là như nhau. Khi mỗi tế bào chu kỳ giữa sạc và xả, tốc độ sạc và xả của mỗi tế bào thay đổi. Điều này dẫn đến sự phân bổ tràn lan trên một bộ pin.
Một cách đơn giản để xác định xem một bộ pin đã được sạc hay chưa là theo dõi điện áp của mỗi tế bào đến mức điện áp đã đặt. Điện áp ô đầu tiên đạt đến giới hạn điện áp sẽ vượt qua giới hạn đã sạc của bộ pin. Pin yếu hơn mức trung bình dẫn đến việc pin yếu nhất đạt đến giới hạn trước tiên, khiến các pin còn lại không được sạc đầy.
Sơ đồ sạc, như được mô tả, không tối đa hóa thời gian BẬT của pin cho mỗi lần sạc. Sơ đồ sạc làm giảm tuổi thọ của bộ pin vì nó cần nhiều chu kỳ sạc và xả hơn. Tế bào yếu hơn thải ra nhanh hơn. Điều này cũng xảy ra trên chu kỳ phóng điện; tế bào yếu hơn vượt qua giới hạn phóng điện trước, để lại phần còn lại của tế bào với điện tích còn lại.
Có hai cách để cải thiện thời gian BẬT cho mỗi lần sạc pin. Đầu tiên là làm chậm quá trình sạc đến ô yếu nhất trong chu kỳ sạc. Điều này đạt được bằng cách kết nối FET rẽ nhánh với một điện trở hạn chế dòng điện qua cell(Hình 3A). Nó lấy dòng điện từ tế bào có dòng điện cao nhất, dẫn đến điện tích tế bào chậm lại. Kết quả là, các tế bào pin khác có thể bắt kịp. Mục tiêu cuối cùng là tối đa hóa khả năng sạc của bộ pin bằng cách để tất cả các tế bào đồng thời đạt đến giới hạn được sạc đầy.
3. Bỏ qua FET cân bằng tế bào giúp làm chậm tốc độ sạc của tế bào trong chu kỳ sạc (A). Cân bằng tích cực được sử dụng trong chu kỳ phóng điện để lấy cắp điện tích từ ô mạnh và đưa điện tích cho ô yếu (B).
Phương pháp thứ hai là cân bằng bộ pin trong chu kỳ xả bằng cách thực hiện sơ đồ dịch chuyển điện tích. Nó đạt được bằng cách lấy điện tích thông qua khớp nối cảm ứng hoặc lưu trữ điện dung từ tế bào alpha và đưa điện tích đã lưu trữ vào tế bào yếu nhất. Điều này làm chậm thời gian tế bào yếu nhất đạt đến giới hạn phóng điện, còn được gọi là cân bằng tích cực(Hình 3B).
Kiểm soát nhiệt độ
Pin ngày nay cung cấp nhiều dòng điện trong khi vẫn duy trì điện áp không đổi. Điều này có thể dẫn đến tình trạng tháo chạy gây cháy pin. Các hóa chất được sử dụng để chế tạo pin rất dễ bay hơi — pin được cắm vào đúng đối tượng cũng có thể khiến pin bốc cháy. Các phép đo nhiệt độ không chỉ được sử dụng để đảm bảo an toàn mà còn có thể xác định xem bạn nên sạc hay xả pin hay không.
Cảm biến nhiệt độ giám sát từng ô cho các ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) hoặc một nhóm các ô cho các ứng dụng nhỏ hơn và di động hơn. Các nhiệt điện trở được cung cấp bởi tham chiếu điện áp ADC bên trong thường được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của mỗi mạch. Ngoài ra, tham chiếu điện áp bên trong giúp giảm sự thiếu chính xác của việc đọc nhiệt độ so với sự thay đổi nhiệt độ môi trường.
Máy hoặc thuật toán trạng thái
Hầu hết các hệ thống BMS yêu cầu một bộ vi điều khiển (MCU) hoặc một mảng cổng lập trình trường (FPGA) để quản lý thông tin từ mạch cảm biến, sau đó đưa ra quyết định với thông tin nhận được. Trong một số thiết bị nhất định, chẳng hạn như ISL94203, một thuật toán được mã hóa kỹ thuật số cho phép một giải pháp độc lập với một chip. Các giải pháp độc lập cũng có giá trị khi kết hợp với MCU, vì máy trạng thái của độc lập có thể được sử dụng để giải phóng chu kỳ xung nhịp MCU và không gian bộ nhớ.
Các khối xây dựng BMS khác
Các khối BMS chức năng khác có thể bao gồm xác thực pin, đồng hồ thời gian thực (RTC), bộ nhớ và chuỗi daisy. RTC và bộ nhớ được sử dụng cho các ứng dụng hộp đen — RTC được sử dụng như một nhãn thời gian và bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu. Điều này cho phép người dùng biết hoạt động của bộ pin trước khi xảy ra sự kiện thảm khốc. Khối xác thực pin ngăn không cho kết nối thiết bị điện tử BMS với bộ pin của bên thứ ba. Bộ điều chỉnh / tham chiếu điện áp được sử dụng để cấp nguồn cho mạch ngoại vi xung quanh hệ thống BMS. Cuối cùng, mạch daisy-chain được sử dụng để đơn giản hóa kết nối giữa các thiết bị xếp chồng lên nhau. Khối daisy-chain thay thế nhu cầu về bộ ghép quang hoặc mạch chuyển mức khác.
