Введение в системы управления батареями

Изучите общие основы того, какую роль системы управления батареями (BMS) играют в проектировании электропитания и какие компоненты необходимы для их основных функций.

В настоящее время литий-ионные батареи доминируют с плотностью энергии до 265 Втч / кг. Однако они имеют репутацию людей, которые время от времени сжигают всю эту энергию, если испытывают чрезмерный стресс. Вот почему им часто требуются системы управления батареями (BMS), чтобы держать их под контролем.

В этой статье мы обсудим основы концепции BMS и рассмотрим несколько основных частей, составляющих типичную BMS.

Основные конфигурации BMS

На рисунке 1 мы видим основные блоки того, как BMS может выглядеть, выполняя функцию предотвращения серьезных сбоев в работе батареи.

Рисунок 1. Типичная блок-схема BMS

В этом примере BMS может последовательно обрабатывать четыре литий-ионных аккумулятора. Монитор ячеек считывает все напряжения ячеек и выравнивает напряжение между ними:эта функция называется балансировкой (подробнее об этом позже). Это контролируется MCU, который обрабатывает данные телеметрии, а также стратегию управления переключателями и балансировки.

На практике рынок предлагает различные решения для более простых конструкций, в том числе для отдельных ячеек без балансировки или микроконтроллеров, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Простой диспетчер батареи. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

Обратной стороной этих более простых систем является то, что разработчик привязан к тому, что предлагает данная деталь (например, переключатель высокого или низкого уровня) без настройки.

При использовании большего количества ячеек необходима система балансировки. Существуют простые схемы, которые все еще работают без MCU, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Независимый от MCU балансировщик ячеек. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

При использовании больших батарейных блоков или чего-либо, что требует последовательных ячеек или расчета топливомера, необходим MCU. Наиболее интегрированное (и, следовательно, недорогое) решение показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Коммерческая BMS. Изображение любезно предоставлено Renesas

Это BMS, в которой используется микроконтроллер с проприетарной прошивкой, на которой выполняются все связанные с аккумулятором функции.

Основные элементы:компоненты системы управления батареями

Вернитесь к Рисунку 1, чтобы получить обзор основных частей, критически важных для BMS. Теперь давайте рассмотрим основные части рисунка 4 более подробно, чтобы понять различные элементы, задействованные в блок-схеме BMS.

Предохранитель

Когда происходит сильное короткое замыкание, аккумуляторные элементы необходимо быстро защитить. На рисунке 5 вы можете увидеть так называемый плавкий предохранитель самоконтроля (SCP), который в случае перенапряжения срабатывает от ИС контроля перенапряжения, переводя контакт 2 на землю.

Рисунок 5. Предохранитель SCP и управление коммерческой BMS

MCU может сообщать о состоянии перегоревшего предохранителя, поэтому источник питания MCU должен быть перед предохранителем.

Измерение тока / счет кулонов

Здесь реализовано измерение тока слабой стороны, позволяющее напрямую подключаться к MCU.

Рисунок 6. Типичное ощущение низкого тока коммерческой BMS

Сохраняя привязку ко времени и интегрируя ток во времени, мы получаем полную энергию, поступившую или вышедшую из батареи, используя кулоновский счетчик. Другими словами, мы можем оценить состояние заряда (SOC, не путать с системой на кристалле), используя следующую формулу:

где

• $$ SOC (t_0) $$ - начальный SOC (в Ач)
• $$ C_ {Rated} $$ - номинальная мощность (в Ач).
• $$ I_b $$ - ток батареи.
• $$ I_ {loss} $$ учитывает потери на реакцию клеток.
• τ - период усреднения отсчетов электрического тока.

Термисторы

Датчики температуры, обычно термисторы, используются как для контроля температуры, так и для обеспечения безопасности.

На рисунке 7 вы можете увидеть термистор, который управляет входом ИС контроля перенапряжения. Это искусственно взрывает SCP (предохранитель, показанный на рисунке 5) без вмешательства MCU.

Рисунок 7. Термистор может управлять SCP в случае серьезных тепловых проблем

На рисунке 8 показаны два дополнительных термистора для телеметрии.

Рисунок 8. Термисторы, используемые прошивкой

Главный выключатель

Чтобы работать как переключатели, полевые МОП-транзисторы должны иметь напряжение сток-исток, равное $$ V_ {ds} \ leq V_ {gs} - V_ {th} $$. Электрический ток в линейной области равен $$ I_d =k \ cdot (V_ {gs} - V_ {th}) \ cdot V_ {ds} $$, что делает сопротивление переключателя $$ R_ {MOS} =1 / [k \ cdot (V_ {gs} - V_ {th})] $$.

Важно управлять $$ V_ {gs} $$ соответственно, чтобы обеспечить низкое сопротивление и, следовательно, низкие потери.

Рисунок 9. Главный выключатель аккумуляторной батареи (NMOS, верхняя сторона)

Типы NMOS используются также на переключателях с высокой стороной через насос заряда, поскольку обычно они имеют более низкий уровень $$ R_ {MOS} $$.

Балансировщик

Батарейные элементы имеют допуски по емкости и сопротивлению. Таким образом, в течение циклов между последовательно соединенными ячейками может накапливаться разница в заряде.

Если более слабый набор элементов имеет меньшую емкость, он будет заряжаться быстрее по сравнению с другими, подключенными последовательно. Поэтому BMS должна останавливать зарядку других ячеек, иначе более слабые элементы будут перезаряжены, как показано на Рисунке 10.

Рисунок 10. Элементы меньшей емкости препятствуют полной зарядке блока. Изображение любезно предоставлено Analog Devices

И наоборот, элемент может разряжаться быстрее, рискуя тем, что элементы окажутся под минимальным напряжением. В этом случае BMS без балансира должна прекратить подачу энергии раньше, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Ячейки меньшей емкости препятствуют использованию полной энергии блока. Изображение любезно предоставлено Analog Devices

Схема, подобная показанной на рисунке 12, будет разряжать элемент с более высоким SOC (состоянием заряда), как показано на рисунке 10, на уровне других последовательно соединенных ячеек. Это достигается за счет использования пассивного метода балансировки, называемого шунтированием заряда.

Рис. 12. Пример стратегии пассивной балансировки

Поскольку ток течет через транзистор во включенном состоянии и рассеивается через резистор R, а опорным напряжением является CELL1 (отрицательный полюс), только такая ячейка будет выделять избыток энергии.

<час />

Цель этой статьи - представить базовую концепцию системы управления батареями и познакомить с основными компонентами, используемыми в их конструкции. Надеюсь, теперь вы лучше понимаете, для чего предназначена система управления батареями и как ее можно использовать в конструкции электропитания.

Если у вас есть дополнительные концепции, о которых вы хотели бы узнать больше о дизайне BMS, оставьте комментарий ниже.