Heimild: electronicdesign.com
Rafhlaða-stjórnun-kerfis arkitektúr
Rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) samanstendur venjulega af nokkrum virkum kubbum, þar á meðal afskekktum vettvangsáhrifasendum (FET), eldsneytismælisskjá, klefi-spennu skjá, klefi-spennu jafnvægi, rauntíma klukku, hitastigs skjái og ríkisvél(Mynd 1). Nokkrar gerðir af BMS IC eru í boði.
Flokkun hagnýtra kubba er mjög breytileg frá einföldum hliðstæðum framhlið, svo sem ISL94208 sem býður upp á jafnvægi og eftirlit og krefst örstýringar, til sjálfstæðrar samþættrar lausnar sem keyrir sjálfstætt (td ISIS94203). Nú skulum við skoða tilganginn og tæknina á bak við hverja blokk, sem og kosti og galla hverrar tækni.
Cutoff FETs og FET Driver
FET-rekstraraðgerðarblokk er ábyrgur fyrir tengingu rafhlöðupakkans og einangrun milli hleðslu og hleðslutækis. Hegðun FET ökumannsins er byggð á mælingum frá rafhlöðufrumuspennum, straummælingum og rauntíma uppgötvunarrásum. Mynd 2 sýnir tvær mismunandi gerðir af FET tengingum milli hleðslu og hleðslutækis og rafhlöðupakkans.
Mynd 2A krefst þess að tengingar séu fáar við rafhlöðupakkann og takmarkar rekstrarstillingu rafhlöðunnar við annað hvort hleðslu, losun eða svefn. Núverandi straumstefna og hegðun tiltekinnar rauntímaprófs ákvarðar stöðu tækisins.
2. Sýnt er FET skýringarmynd fyrir einstaka tengingu milli hleðslu og hleðslutækis (A) og tveggja tengja tengingu sem gerir kleift að hlaða og losa samtímis (B).
Til dæmis er ISL94203 með rásaskjá (CHMON) sem fylgist með spennunni á hægri hlið FETs sem eru afskornir. Ef hleðslutæki er tengt og rafhlöðupakkinn er einangraður frá honum, mun straumurinn sem sprautaður er í átt að rafhlöðunni valda því að spennan hækkar upp í hámarks framboðsspennu hleðslutækisins. Spennustigið hjá CHMON er leyst út, sem lætur BMS tækið vita að hleðslutæki er til staðar. Til að ákvarða álagstengingu er straumi sprautað í álagið til að ákvarða hvort álag sé til staðar. Ef spennan við pinna hækkar ekki verulega þegar sprautað er inn, ákvarðar útkoman að álag sé til staðar. DFET ökumannsins kveikir síðan á. Tengingakerfið á mynd 2B gerir rafhlöðupakkanum kleift að starfa meðan á hleðslu stendur.
Hægt er að hanna FET rekla til að tengjast háum eða lágum hliðum rafhlöðupakka. Háhliða tenging krefst hleðsludælu til að virkja NMOS FET. Þegar þú notar háhliða ökumann gerir það ráð fyrir traustri jörðartilvísun fyrir restina af hringrásinni. FET bílstjóratengingar á lágum hliðum er að finna í nokkrum samþættum lausnum til að draga úr kostnaði vegna þess að þeir þurfa ekki hleðsludælu. Þeir þurfa heldur ekki háspennubúnað sem eyðir stærra deyjasvæði. Með því að nota afskornar FET á lágu hliðinni flæðir jarðtenging rafhlöðunnar og gerir hana næmari fyrir hávaða sem sprautað er í mælinguna. Þetta hefur áhrif á frammistöðu sumra ICs.
Eldsneytismælir / Núverandi mælingar
Eldsneytismælirinn virki blokk heldur utan um hleðsluna sem kemur inn í rafhlöðupakkann og í hann. Hleðsla er afurð núverandi og tíma. Hægt er að nota nokkrar mismunandi aðferðir við hönnun eldsneytismælis.
Straumskynjari magnari og MCU með innbyggðum lágupplausnar hliðstæðum til stafrænum breytum (ADC) er ein straummælingaraðferð. Straumskynjaramagnarinn, sem starfar í miklu sameiginlegu umhverfi, magnar merkið og gerir mælingar með meiri upplausn kleift. Þessi hönnunartækni fórnar þó krafti.
Aðrar aðferðir nota háupplausnar ADC eða dýrt eldsneytismælitæki. Að skilja núverandi neyslu álags á móti tíma ákvarðar bestu gerð eldsneytismælishönnunar.
Nákvæmasta og hagkvæmasta lausnin er að mæla spennuna yfir skynmótstöðu með því að nota 16 bita eða hærri ADC með lága móti og háa sameiginlega stillingu. ADC með mikilli upplausn býður upp á stórt kraftmikið svið á kostnað hraðans. Ef rafhlaðan er tengd við óreglulegt álag, svo sem rafknúið ökutæki, getur hægur ADC misst af mikilli og hátíðni núverandi toppa sem afhentir eru álaginu.
Fyrir óreglulegt álag gæti SAR-ADC (successive-approximate-register) með kannski straumskynjunarmagnara verið æskilegri. Allar villur á móti hafa áhrif á heildarskekkjuna í hleðslu rafhlöðunnar. Mælivillur með tímanum munu valda verulegum hleðslustöðum rafhlöðupakka. Mælingarjöfnun 50 µV eða minna með 16 bita upplausn er fullnægjandi þegar mælt er með hleðslu.
Cell spenna og hámarka líftíma rafhlöðunnar
Að fylgjast með frumuspennu hvers frumu í rafhlöðupakka er nauðsynlegt til að ákvarða almennt heilsufar hennar. Allar frumur eru með vinnuspennuglugga þar sem hleðsla / losun ætti að eiga sér stað til að tryggja réttan rekstur og endingu rafhlöðunnar. Ef forrit notar rafhlöðu með litíumefnafræði, þá er vinnuspenna venjulega á bilinu 2,5 til 4,2 V. Spennusviðið er háð efnafræði. Að nota rafhlöðuna utan spennusviðsins dregur verulega úr líftíma frumunnar og getur gert hana ónýta.
Frumur eru tengdar í röð og samhliða til að mynda rafhlöðupakka. Samhliða tenging eykur núverandi drif rafhlöðunnar, en raðtenging eykur heildarspennuna. Afköst frumu hafa dreifingu: Á sama tíma og núll er hleðslu- og losunarhraði rafhlöðupakkanna það sama. Þegar hver klefi fer á milli hleðslu og útskriftar breytist hleðsla og losunarhraði hvers frumu. Þetta leiðir til dreifingar á rafhlöðu.
Einföld leið til að ákvarða hvort rafhlöðupakki er hlaðinn er að fylgjast með spennu hvers frumu að stilltu spennustigi. Fyrsta frumuspenna sem nær spennumörkum rennur út hleðslumörk rafhlöðupakka. Veikari rafhlöðupakki en í meðallagi leiðir til þess að veikasti klefi nær takmörkunum fyrst og heldur restinni af frumunum frá fullri hleðslu.
Hleðslukerfi, eins og lýst er, hámarkar ekki kveikt á rafhlöðupakkanum á hleðslu. Hleðslukerfið dregur úr líftíma rafhlöðunnar vegna þess að það þarf meiri hleðslu- og útskriftarlotur. Veikari klefi losnar hraðar. The kemur einnig fram á útskrift hringrás; veikari klefi sleppir losunarmörkum fyrst og skilur restina af frumunum eftir með hleðslu.
Það eru tvær leiðir til að bæta ON tíma fyrir hleðslu rafhlöðunnar. Sú fyrsta er að hægja hleðsluna í veikustu frumuna meðan á hleðslunni stendur. Þetta næst með því að tengja framhjá FET við núverandi takmarkandi viðnám yfir frumuna(Mynd 3A). Það tekur straum úr frumunni með mesta strauminn, sem leiðir til þess að klefi hleðst hægt. Þess vegna geta aðrar rafhlöðupakkar náð sér. Lokamarkmiðið er að hámarka hleðslugetu rafhlöðunnar með því að hafa allar frumurnar samtímis fullhlaðnu mörkunum.
3. Hliðarbraut frumujafnaðar FET hjálpar til við að hægja á hleðsluhraða frumu meðan á hleðsluferli stendur (A). Virkt jafnvægi er notað meðan á útskrift stendur til að stela hleðslu úr sterkri frumu og gefa hleðslu til veikrar frumu (B).
Önnur aðferðin er að koma jafnvægi á rafhlöðupakkann við losunarhringinn með því að innleiða hleðsluflæðiskerfi. Það næst með því að taka hleðslu með inductive coupling eða rafrýmdri geymslu frá alfa frumunni og sprauta geymdri hleðslu í veikustu frumuna. Þetta hægir á þeim tíma sem það tekur veikustu frumurnar að ná útskriftarmörkum, annars þekkt sem virk jafnvægi(Mynd 3B).
Hitavöktun
Rafhlöður dagsins skila miklum straumi en halda stöðugri spennu. Þetta getur leitt til flóttaástands sem veldur því að rafhlaðan kviknar í. Efnin sem notuð eru til að smíða rafhlöðu eru mjög rokgjörn - rafhlaða sem er sporðsett með réttum hlut getur einnig orðið til þess að rafhlaðan kviknar í. Hitamælingar eru ekki aðeins notaðar til öryggis heldur geta þær ákvarðað hvort æskilegt sé að hlaða eða losa rafhlöðu.
Hitaskynjarar fylgjast með hverri frumu fyrir orku-geymslukerfi (ESS) forrit eða hóp frumna fyrir minni og færanlegri forrit. Hitastillir knúnir með innri ADC spennu tilvísun eru almennt notaðir til að fylgjast með hitastigi hverrar hringrásar. Að auki hjálpar innri spennuviðmiðun við að draga úr ónákvæmni í hitamælingunni miðað við hitabreytingar umhverfisins.
Ríkisvélar eða reiknirit
Flest BMS-kerfi krefjast örstýringar (MCU) eða sviðsforritanlegs hliðarramma (FPGA) til að stjórna upplýsingum frá skynjunarrásinni og taka síðan ákvarðanir með þeim upplýsingum sem berast. Í ákveðnum tækjum, svo sem ISL94203, gerir reiknirit sem er kóðað stafrænt sjálfstæðri lausn með einum flögu. Standalone lausnir eru einnig dýrmætar þegar þær eru paraðar við MCU, vegna þess að hægt er að nota sjálfstæða ríkisvélina til að losa MCU klukkuhringrásir og minni.
Aðrir BMS byggingareiningar
Aðrar hagnýtar BMS-blokkir geta falið í sér auðkenningu rafhlöðu, rauntímaklukku (RTC), minni og daisy keðju. RTC og minni er notað fyrir svarta kassa forrit — RTC er notað sem tímastimpill og minni er notað til að geyma gögn. Þetta lætur notandann vita um hegðun rafhlöðupakka fyrir stórslys. Auðkenningarblokk rafhlöðunnar kemur í veg fyrir að BMS rafeindatækið sé tengt rafhlöðupakka frá þriðja aðila. Spennuviðmiðunin / eftirlitsstofninn er notaður til að knýja jaðarrásir í kringum BMS kerfið. Að lokum eru daisy-chain hringrásir notaðar til að einfalda tenginguna milli staflaðra tækja. Daisy-keðjubálkurinn kemur í staðinn fyrir þörf fyrir ljósleiðara eða aðrar stigbreytingarhringrásir.
