المصدر: electronicdesign.com
هندسة نظام إدارة البطارية
يتكون نظام إدارة البطارية (BMS) عادةً من العديد من الكتل الوظيفية ، بما في ذلك أجهزة الإرسال ذات التأثير الميداني المقطوع (FETs) ، ومراقبة قياس الوقود ، ومراقبة الجهد الخلوي ، وتوازن الجهد الخلوي ، وساعة الوقت الفعلي ، وأجهزة مراقبة درجة الحرارة ، و a آلة الدولة(رسم بياني 1). تتوفر عدة أنواع من BMS ICs.
يختلف تجميع الكتل الوظيفية بشكل كبير من واجهة أمامية تناظرية بسيطة ، مثل ISL94208 التي توفر التوازن والمراقبة وتتطلب متحكمًا دقيقًا ، إلى حل متكامل مستقل يعمل بشكل مستقل (على سبيل المثال ، ISL94203). الآن دعنا نفحص الغرض والتكنولوجيا وراء كل كتلة ، بالإضافة إلى إيجابيات وسلبيات كل تقنية.
قطع FETs وسائق FET
كتلة وظيفية FET-driver مسؤولة عن توصيل حزمة البطارية والعزل بين الحمولة والشاحن. يعتمد سلوك سائق FET على قياسات من الفولتية لخلية البطارية والقياسات الحالية ودوائر الكشف في الوقت الفعلي. يوضح الشكل 2 نوعين مختلفين من اتصالات FET بين الحمولة والشاحن وحزمة البطارية.
يتطلب الشكل 2 أ أقل عدد من التوصيلات بحزمة البطارية ويحد من أوضاع تشغيل حزمة البطارية إما للشحن أو التفريغ أو السكون. يحدد اتجاه التدفق الحالي وسلوك اختبار معين في الوقت الفعلي حالة الجهاز.
2. تظهر مخططات FET للقطع للتوصيل الفردي بين الحمولة والشاحن (A) ، ووصلة ذات طرفين تسمح بالشحن والتفريغ المتزامن (B).
على سبيل المثال ، يحتوي ISL94203 على شاشة قناة (CHMON) تراقب الجهد على الجانب الأيمن من قطع FETs. إذا تم توصيل الشاحن وتم عزل حزمة البطارية عنه ، فإن التيار المحقون في اتجاه حزمة البطارية سيؤدي إلى ارتفاع الجهد إلى أقصى جهد إمداد للشاحن. تم تعطل مستوى الجهد في CHMON ، مما يتيح لجهاز BMS معرفة وجود شاحن. لتحديد اتصال الحمل ، يتم حقن تيار في الحمل لتحديد ما إذا كان الحمل موجودًا. إذا لم يرتفع الجهد عند الدبوس بشكل ملحوظ عند حقن التيار ، فإن النتيجة تحدد وجود حمل. ثم يتم تشغيل DFET الخاص بسائق FET. يسمح مخطط التوصيل في الشكل 2 ب بتشغيل حزمة البطارية أثناء الشحن.
يمكن تصميم برامج تشغيل FET للاتصال بالجانب المرتفع أو المنخفض لحزمة البطارية. يتطلب الاتصال عالي الجانب سائق مضخة شحن لتنشيط NMOS FETs. عند استخدام محرك عالي الجانب ، فإنه يسمح بمرجع أرضي صلب لبقية الدوائر. تم العثور على وصلات سائق FET منخفضة الجانب في بعض الحلول المتكاملة لتقليل التكلفة ، لأنها لا تحتاج إلى مضخة شحن. كما أنها لا تتطلب أجهزة عالية الجهد ، والتي تستهلك مساحة أكبر للقوالب. يؤدي استخدام FETs المقطوعة على الجانب المنخفض إلى تعويم الاتصال الأرضي لحزمة البطارية ، مما يجعلها أكثر عرضة للضوضاء التي يتم ضخها في القياس. يؤثر هذا على أداء بعض المرحلية.
مقياس الوقود / القياسات الحالية
تعمل الكتلة الوظيفية لمقياس الوقود على تتبع الشحنة التي تدخل وتخرج من حزمة البطارية. الشحن هو نتاج التيار والوقت. يمكن استخدام عدة تقنيات مختلفة عند تصميم مقياس الوقود.
يعد مكبر الصوت الحالي ووحدة MCU مع محول تناظري رقمي مضمن منخفض الدقة (ADC) إحدى طرق قياس التيار. يضخم مكبر الصوت الحالي ، الذي يعمل في بيئات ذات الوضع المشترك العالي ، الإشارة ، مما يتيح قياسات عالية الدقة. لكن تقنية التصميم هذه تضحي بالنطاق الديناميكي.
تستخدم التقنيات الأخرى ADC عالي الدقة ، أو محرك IC لقياس الوقود مكلفًا. إن فهم الاستهلاك الحالي لسلوك الحمل مقابل الوقت يحدد أفضل نوع لتصميم مقياس الوقود.
الحل الأكثر دقة وفعالية من حيث التكلفة هو قياس الجهد عبر المقاوم الحساس باستخدام ADC 16 بت أو أعلى مع الإزاحة المنخفضة وتصنيف الوضع المشترك العالي. يوفر ADC عالي الدقة نطاقًا ديناميكيًا كبيرًا على حساب السرعة. إذا كانت البطارية متصلة بحمل غير منتظم ، مثل سيارة كهربائية ، فقد يفقد ADC البطيء ارتفاعات التيار عالية التردد وعالية التردد التي يتم تسليمها للحمل.
بالنسبة للأحمال غير المنتظمة ، قد يكون من المرغوب فيه أكثر من ADC المتتالي السجل التقريبي (SAR) مع واجهة أمامية لمكبر الصوت بالمعنى الحالي. يؤثر أي خطأ في الإزاحة على الخطأ الإجمالي في مقدار شحن البطارية. ستؤدي أخطاء القياس بمرور الوقت إلى حدوث أخطاء كبيرة في حالة الشحن في حزمة البطارية. يكون تخالف القياس البالغ 50 µV أو أقل بدقة 16 بت مناسبًا عند قياس الشحنة.
جهد الخلية وإطالة عمر البطارية
تعد مراقبة جهد الخلية لكل خلية في حزمة بطارية أمرًا ضروريًا لتحديد صحتها العامة. تحتوي جميع الخلايا على نافذة جهد تشغيل حيث يجب أن يحدث الشحن / التفريغ لضمان التشغيل السليم وعمر البطارية. إذا كان أحد التطبيقات يستخدم بطارية مع كيمياء الليثيوم ، فإن جهد التشغيل يتراوح عادةً بين 2.5 و 4.2 فولت. يعتمد نطاق الجهد على الكيمياء. يؤدي تشغيل البطارية خارج نطاق الجهد الكهربائي إلى تقليل عمر الخلية بشكل كبير ويمكن أن يجعلها عديمة الفائدة.
الخلايا متصلة في سلسلة ومتوازية لتشكيل حزمة بطارية. يعمل الاتصال المتوازي على زيادة المحرك الحالي لحزمة البطارية ، بينما يزيد الاتصال المتسلسل من الجهد الكلي. أداء الخلية له توزيع: في الوقت الذي يساوي الصفر ، تكون معدلات شحن البطارية وتفريغها متماثلة. نظرًا لأن كل خلية تدور بين الشحن والتفريغ ، تتغير معدلات شحن وتفريغ كل خلية. ينتج عن هذا توزيع منتشر عبر حزمة بطارية.
هناك طريقة بسيطة لتحديد ما إذا كانت حزمة البطارية مشحونة أم لا وهي مراقبة جهد كل خلية إلى مستوى جهد محدد. إن جهد الخلية الأول الذي يصل إلى الحد الأقصى للجهد يقطع حد شحن حزمة البطارية. ينتج عن حزمة بطارية خلية أضعف من المتوسط وصول أضعف خلية إلى الحد الأقصى أولاً ، مما يحافظ على باقي الخلايا من الشحن بالكامل.
لا يعمل نظام الشحن ، كما هو موضح ، على زيادة وقت تشغيل حزمة البطارية لكل شحنة. يقلل نظام الشحن من عمر حزمة البطارية لأنها تحتاج إلى مزيد من دورات الشحن والتفريغ. يتم تفريغ الخلية الأضعف بشكل أسرع. يحدث أيضًا في دورة التفريغ ؛ تقوم الخلية الأضعف برحلات حد التفريغ أولاً ، تاركة بقية الخلايا مع الشحن المتبقي.
هناك طريقتان لتحسين وقت التشغيل لكل شحنة بطارية. الأول هو إبطاء الشحن إلى أضعف خلية أثناء دورة الشحن. يتم تحقيق ذلك عن طريق توصيل FET الالتفافي بمقاوم محدد حالي عبر الخلية(الشكل 3 أ). يأخذ التيار من الخلية ذات أعلى تيار ، مما يؤدي إلى إبطاء شحنة الخلية. ونتيجة لذلك ، فإن خلايا البطارية الأخرى قادرة على اللحاق بالركب. الهدف النهائي هو زيادة سعة شحن حزمة البطارية إلى أقصى حد عن طريق جعل جميع الخلايا تصل في نفس الوقت إلى الحد المشحون بالكامل.
3. تساعد موازنة الخلية FETs على إبطاء معدل شحن الخلية أثناء دورة الشحن (A). يستخدم التوازن النشط أثناء دورة التفريغ لسرقة الشحنة من خلية قوية وإعطاء الشحنة لخلية ضعيفة (ب).
الطريقة الثانية هي موازنة حزمة البطارية في دورة التفريغ من خلال تنفيذ مخطط إزاحة الشحن. يتم تحقيقه عن طريق أخذ المسؤولية عن طريق الاقتران الاستقرائي أو التخزين السعوي من خلية ألفا وحقن الشحنة المخزنة في أضعف خلية. يؤدي هذا إلى إبطاء الوقت الذي تستغرقه الخلية الأضعف للوصول إلى حد التفريغ ، والمعروف باسم التوازن النشط(الشكل 3 ب).
مراقبة درجة الحرارة
توفر بطاريات اليوم الكثير من التيار مع الحفاظ على جهد ثابت. يمكن أن يؤدي ذلك إلى حالة هروب تؤدي إلى اشتعال البطارية. المواد الكيميائية المستخدمة في بناء بطارية شديدة التقلب - يمكن أن تؤدي البطارية الممزقة بالجسم الصحيح إلى اشتعال البطارية. لا تُستخدم قياسات درجة الحرارة لأغراض السلامة فحسب ، بل يمكنها أيضًا تحديد ما إذا كان من المرغوب فيه شحن البطارية أو تفريغها.
تراقب مستشعرات درجة الحرارة كل خلية لتطبيقات نظام تخزين الطاقة (ESS) أو مجموعة من الخلايا لتطبيقات أصغر وأكثر قابلية للحمل. تُستخدم الترمستورات التي يتم تشغيلها بواسطة مرجع داخلي لجهد ADC بشكل شائع لمراقبة درجة حرارة كل دائرة. بالإضافة إلى ذلك ، يساعد مرجع الجهد الداخلي في تقليل عدم الدقة في قراءة درجة الحرارة مقابل التغيرات في درجة الحرارة البيئية.
آلات الدولة أو الخوارزميات
تتطلب معظم أنظمة BMS متحكمًا دقيقًا (MCU) أو مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة (FPGA) لإدارة المعلومات من دوائر الاستشعار ، ثم اتخاذ قرارات بشأن المعلومات المستلمة. في أجهزة معينة ، مثل ISL94203 ، تتيح الخوارزمية المشفرة رقمياً حلاً مستقلاً بشريحة واحدة. تعد الحلول المستقلة ذات قيمة أيضًا عند الاقتران بوحدة MCU ، لأنه يمكن استخدام آلة الحالة المستقلة لتحرير دورات ساعة MCU ومساحة الذاكرة.
كتل بناء BMS أخرى
قد تتضمن كتل BMS الوظيفية الأخرى مصادقة البطارية وساعة الوقت الفعلي (RTC) والذاكرة وسلسلة ديزي. يتم استخدام RTC والذاكرة لتطبيقات الصندوق الأسود - يتم استخدام RTC كطابع زمني وتستخدم الذاكرة لتخزين البيانات. يتيح ذلك للمستخدم معرفة سلوك حزمة البطارية قبل وقوع حدث كارثي. تمنع كتلة مصادقة البطارية توصيل إلكترونيات BMS بحزمة بطارية تابعة لجهة خارجية. يستخدم مرجع / منظم الجهد لتشغيل الدوائر المحيطية حول نظام BMS. أخيرًا ، تُستخدم دارة سلسلة الأقحوان لتبسيط الاتصال بين الأجهزة المكدسة. تحل كتلة السلسلة التعاقبية محل الحاجة إلى المقرنات الضوئية أو غيرها من دوائر تبديل المستوى.
