設(shè)計更精確的電池管理系統(tǒng)

過去十年來,電池驅(qū)動的應(yīng)用程序已經(jīng)司空見慣,這些設(shè)備需要一定程度的保護(hù),以確保安全使用。電池管理系統(tǒng)監(jiān)測電池和可能的故障情況,防止電池在可能退化、容量減弱甚至可能損害用戶或周圍環(huán)境的情況下發(fā)生故障。電源管理處也有責(zé)任提供準(zhǔn)確的充電狀態(tài)和健康狀態(tài)估計,以確保在電池使用期間獲得信息豐富和安全的用戶體驗(yàn)。設(shè)計一個合適的電源管理處不僅從安全的角度來看是至關(guān)重要的,而且對于客戶滿意度也是至關(guān)重要的。

用于低電壓或中電壓的完整的電源管理系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)通常由三個集成電路組成:模擬前端(AFE)、單片機(jī)(單片機(jī))和燃料表(見圖1)。燃料表可以是一個獨(dú)立的IC,也可以嵌入在單片機(jī)中。單片機(jī)是電源管理系統(tǒng)的核心部件,在與系統(tǒng)其他部分接口時,從AFE和燃料測量器獲取信息。

圖1:電源管理處體系結(jié)構(gòu)的框圖。

AFE提供的單片機(jī)和燃料測量器的電壓,溫度和電流讀數(shù)從電池。由于AFE在物理上離電池最近,所以建議AFE也控制斷路器,如果發(fā)生任何故障,就把電池與系統(tǒng)的其他部分?jǐn)嚅_。

燃料測量IC從AFE中獲取讀數(shù),然后使用復(fù)雜的電池建模和先進(jìn)的算法來估計關(guān)鍵參數(shù),如SOH和SOH。類似于AFE,燃料表的一些任務(wù)可以包括在單片機(jī)代碼中;然而,使用專用燃料表IC提供了一些優(yōu)勢:

· 高效設(shè)計 :使用專用集成電路運(yùn)行復(fù)雜的燃料測量算法,設(shè)計人員可以使用規(guī)格較低的單片機(jī),從而降低整體成本和當(dāng)前的消耗。

· 提高洞察力和安全性 :專用油量表可測量電池組中每一系列電池組合的單獨(dú)的SOH和SOH,從而能夠更精確地測量電池使用壽命的準(zhǔn)確性和老化度。這一點(diǎn)很重要,因?yàn)殡姵刈杩购腿萘侩S著時間的推移會產(chǎn)生差異,從而導(dǎo)致運(yùn)行時間和安全性影響。

· 快速上市 :燃料表集成電路在各種情況下都進(jìn)行了全面測試,并進(jìn)行了測試。這減少了測試復(fù)雜算法的時間和成本,同時也使市場的時間更快。

改進(jìn)系統(tǒng)服務(wù)和SOH的準(zhǔn)確性

設(shè)計一個精確的bms時的主要目標(biāo)是為電池組提供一個精確的計算結(jié)果(剩余的運(yùn)行時/范圍)和SOH(壽命和狀態(tài))。設(shè)計人員可能認(rèn)為,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用一個非常昂貴的具有精確電池電壓測量公差的AFE,但這只是整體計算精度的一個因素。最重要的因素是燃料表電池模型和燃料表算法,其次是AFE為電池電阻計算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

燃料表使用其內(nèi)部算法運(yùn)行復(fù)雜的計算,通過分析這些值與存儲在其內(nèi)存中的特定電池模型的關(guān)系,將電壓、電流和溫度測量轉(zhuǎn)換為SOH輸出。電池模型是通過描述電池在不同溫度、容量和負(fù)載條件下的特性來數(shù)學(xué)地定義它的開路電壓,以及電阻和電容分量。這個模型使燃料表的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同的操作條件下的變化來計算出一個最優(yōu)的OCT。因此,如果燃料表的電池模型或算法不精確,那么無論AFE的測量結(jié)果如何精確,計算結(jié)果都是不準(zhǔn)確的。換句話說,實(shí)現(xiàn)一個高精度的燃料表對電源管理處的系統(tǒng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性影響最大。

電壓-電流同步讀數(shù)

雖然幾乎所有的AFES都提供不同的電壓和電流,但并不是所有的ACS都為每個電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測量。這種特性稱為電壓-電流同步讀數(shù),使燃料表能夠精確估計電池的等效串聯(lián)電阻(ESR)。由于ESR在不同的操作條件和時間上的變化,實(shí)時估計ESR可以提供更準(zhǔn)確的OCS估計。

圖2顯示了同步讀取的單極輸出誤差比不同步讀取的誤差要低得多,特別是在幾個放電周期之后。這些結(jié)果是通過?MPF42791 綜合了ESR檢測和熱建模。

圖2:同步讀取和不同步讀取的系統(tǒng)操作系統(tǒng)的錯誤比較。

直接故障控制

如前所述,AFE在電源管理處發(fā)揮的最重要作用是保護(hù)管理。當(dāng)檢測到故障時,AFE可以直接控制保護(hù)電路,保護(hù)系統(tǒng)和電池。有些系統(tǒng)在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)了故障控制,但這導(dǎo)致了較長的響應(yīng)時間,并需要來自單片機(jī)的更多資源,增加了固件的復(fù)雜性。

高級AFES使用他們的ADC讀數(shù)和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE對故障的反應(yīng)是打開保護(hù)的MOSIFT,以確保真正的硬件保護(hù)。還對AFES進(jìn)行了全面測試,這使其能夠簡單地保證一個健全的安全系統(tǒng)。這樣,單片機(jī)就可以作為安全性和健壯性更高的二級保護(hù)機(jī)制。

MP279X家族融合了兩種保護(hù)控制形式。這允許設(shè)計者選擇故障響應(yīng)和/或保護(hù)是否通過AFE或單片機(jī)控制。

高級別相對于。低電池保護(hù)

在設(shè)計一個bms時,重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器放在哪里。一般而言,這些電路是用N-通道最這些斷路器可以放在高端(電池的正端)或低端(電池的負(fù)端)。

高層架構(gòu)確保地面總是被很好地引用,這樣可以避免出現(xiàn)短路時潛在的安全和通信問題。此外,一個干凈的,恒定的連接到GND有助于減少參考信號波動,這是關(guān)鍵的精確單片機(jī)操作。

然而,當(dāng)N-通道MOSIFT的閘門被放置在電池的正端子時,需要比電池組電壓更高的電壓,這使得設(shè)計過程更具挑戰(zhàn)性。因此,集成在AFE中的專用充電泵通常用于高層架構(gòu),從而增加了整體成本和IC電流消耗。

對于低平面配置,電荷泵是不必要的,因?yàn)楸Ｗo(hù)MOSFET是放在電池的負(fù)極。然而,由于保護(hù)開放時沒有非線性參考,因此在低節(jié)點(diǎn)配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更為困難。

MP279X家族使用一個高側(cè)面的架構(gòu),它提供了強(qiáng)大的保護(hù),同時最小化BOM。此外,高精度電荷泵控制允許一個N通道MOSFET軟連接功能,不需要任何額外的預(yù)充電電路,進(jìn)一步最小化BOM大小和成本。通過緩慢增加保護(hù)FET的門電壓來實(shí)現(xiàn)軟啟動,允許一小電流通過保護(hù)來預(yù)充電負(fù)載(見圖3)?？梢詫讉€參數(shù)進(jìn)行配置,以確保安全過渡,例如最大允許電流,或保護(hù)費(fèi)關(guān)閉而不觸發(fā)故障的時間。

圖3:MP279X家庭的軟連接方案。

電池平衡以延長電池壽命

為較大系統(tǒng)供電的電池組(例如:,電子自行車或儲能器)是由許多系列和平行單元組成的。每個細(xì)胞理論上是相同的,但由于制造公差和化學(xué)差異,每個細(xì)胞的行為往往略有不同。隨著時間的推移,由于不同的操作條件和老化,這些差異變得更加顯著,通過限制電池的可用容量或潛在的破壞電池,嚴(yán)重影響電池的性能。為了避免這些危險的情況,有必要通過一個叫做細(xì)胞平衡的過程來定期地平衡電池電壓。

被動平衡是最常見的平衡電池電壓的方式,它需要放電最多的電池,直到它們都有相同的電荷。在AFES中,被動的細(xì)胞平衡可以在外部或內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。外部平衡允許更大的平衡電流,但也增加了BOM(見圖4)。

圖4:外部細(xì)胞平衡的框圖。

另一方面,內(nèi)部平衡并不增加BOM,但由于散熱,它一般將平衡電流限制在較低的值(見圖5)。在決定內(nèi)部和外部平衡時,考慮外部硬件的成本和目標(biāo)平衡電流。

圖5:內(nèi)部細(xì)胞平衡的框圖。

細(xì)胞平衡的另一個重要方面是物理聯(lián)系。例如,MP279XAFE家族使用相同的針用于電壓傳感和平衡。這大大降低了IC的尺寸,但意味著連續(xù)的電池不能同時平衡,增加了執(zhí)行電池平衡所需的時間。使用專用的平衡銷可以縮短平衡時間,但大大增加IC尺寸和整體成本。

航空安全功能

正如本文所解釋的那樣,AFE控制系統(tǒng)的保護(hù)和故障響應(yīng)在電源管理系統(tǒng)的設(shè)計中是極其重要的。在開啟或關(guān)閉保護(hù)費(fèi)之前,AFE必須能夠發(fā)現(xiàn)這些不良條件。

過電壓(OV)、過電壓(UV)、過電流(OC)、短路(SC)、過溫(OT)和過溫(UT)故障等電池級和包裝級故障均應(yīng)監(jiān)測。然而,AFES還可以為某些應(yīng)用程序提供其他有益的保護(hù)和功能。例如,自測試允許IC檢測其內(nèi)部ADC是否故障,從而防止系統(tǒng)測量錯誤。增強(qiáng)的看門狗計時器功能也確保了在主要單片機(jī)沒有響應(yīng)時的健壯性和安全性。

Mp279X家庭 提供以上所列的故障保護(hù),具有高度的可配置性,使用戶能夠?yàn)槊總€故障定義不同的閾值、脫升時間和滯后。這些設(shè)備還依賴于兩個不同的比較器對SC和OC故障條件,以最小化響應(yīng)時間。它們還提供故障自動恢復(fù)的配置,這意味著它們可以自動從大多數(shù)故障中恢復(fù),而無需從單片機(jī)中采取任何行動。

結(jié)論

該系統(tǒng)監(jiān)控電池組以保護(hù)電池和系統(tǒng)的其他部分。不合格的電源管理系統(tǒng)不僅降低了系統(tǒng)的安全性,而且還提供了不準(zhǔn)確的電池系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理。這些不準(zhǔn)確性對產(chǎn)品的最終質(zhì)量有非常重要的影響,因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致潛在的危險故障,或負(fù)面影響用戶體驗(yàn)的故障。為了緩解這些問題,本文解釋了設(shè)計人員在設(shè)計他們的電源管理系統(tǒng)時應(yīng)該期待和尋找什么。