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設(shè)計(jì)更精確的電池管理系統(tǒng)

時(shí)間:2024-08-16 17:27:59來源:21ic電子網(wǎng)

導(dǎo)語:?在過去十年中,電池供電應(yīng)用已變得十分普遍,此類設(shè)備需要一定程度的保護(hù)才能確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 可監(jiān)控電池和可能的故障情況,防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減甚至可能對用戶或周圍環(huán)境造成危害的情況。BMS 還負(fù)責(zé)提供準(zhǔn)確的充電狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH) 估計(jì),以確保在電池的整個(gè)使用壽命期間提供豐富且安全的用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)合適的 BMS 不僅從安全角度至關(guān)重要,而且對于客戶滿意度也至關(guān)重要。

  低壓或中壓 BMS 的完整結(jié)構(gòu)通常由三個(gè) IC 組成:模擬前端 (AFE)、微控制器 (MCU) 和電量計(jì)。電量計(jì)可以是獨(dú)立 IC,也可以嵌入 MCU 中。MCU 是 BMS 的核心元件,它從 AFE 和電量計(jì)獲取信息,同時(shí)與系統(tǒng)的其余部分交互。

  AFE 為 MCU 和電量計(jì)提供電池的電壓、溫度和電流讀數(shù)。由于 AFE 在物理上最靠近電池,因此建議 AFE 還控制斷路器,如果觸發(fā)任何故障,斷路器會將電池與系統(tǒng)其余部分?jǐn)嚅_。

  電量計(jì) IC 從 AFE 獲取讀數(shù),然后使用復(fù)雜的單元建模和高級算法來估算關(guān)鍵參數(shù),例如 SoC 和 SoH。與 AFE 類似,電量計(jì)的一些任務(wù)可以包含在 MCU 代碼中;但是,使用專用電量計(jì) IC 具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

  · 高效設(shè)計(jì):使用專用IC運(yùn)行復(fù)雜的電量計(jì)算法,允許設(shè)計(jì)人員使用規(guī)格較低的MCU,從而降低總體成本和電流消耗。

  · 提高洞察力和安全性:專用電量計(jì)可以測量電池組中每個(gè)串聯(lián)電池組合的單獨(dú) SoC 和 SoH,從而實(shí)現(xiàn)更精確的測量精度和電池使用壽命內(nèi)的老化檢測。這一點(diǎn)很重要,因?yàn)殡姵刈杩购腿萘繒S著時(shí)間的推移而發(fā)生變化,從而影響運(yùn)行時(shí)間和安全性。

  · 快速上市:電量計(jì) IC 經(jīng)過了各種情況和測試案例的全面測試。這減少了測試復(fù)雜算法的時(shí)間和成本,同時(shí)加快了上市時(shí)間。

  提高 SoC 和 SoH 準(zhǔn)確性

  設(shè)計(jì)精確的 BMS 的主要目標(biāo)是為電池組的 SoC(剩余運(yùn)行時(shí)間/續(xù)航里程)和 SoH(壽命和狀態(tài))提供精確的計(jì)算。BMS 設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的唯一方法是使用具有精確電池電壓測量公差的非常昂貴的 AFE,但這只是整體計(jì)算精度的一個(gè)因素。最重要的因素是電量計(jì)電池模型和電量計(jì)算法,其次是 AFE 為電池電阻計(jì)算提供同步電壓-電流讀數(shù)的能力。

  電量計(jì)使用其內(nèi)部算法來運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算,通過分析這些值與存儲在其內(nèi)存中的特定電池模型之間的關(guān)系,將電壓、電流和溫度測量值轉(zhuǎn)換為 SoC 和 SoH 輸出。電池模型是通過在不同溫度、容量和負(fù)載條件下表征電池來生成的,以數(shù)學(xué)方式定義其開路電壓以及電阻和電容元件。該模型使電量計(jì)的算法能夠根據(jù)這些參數(shù)在不同工作條件下的變化來計(jì)算最佳 SoC。因此,如果電量計(jì)的電池模型或算法不準(zhǔn)確,則無論 AFE 的測量有多精確,最終的計(jì)算也不準(zhǔn)確。換句話說,采用高精度電量計(jì)對 BMS 的 SoC 精度影響最大。

  電壓電流同步讀取

  盡管幾乎所有 AFE 都為電壓和電流提供不同的 ADC,但并非所有 AFE 都為每個(gè)電池提供實(shí)際的同步電流和電壓測量。此功能稱為電壓-電流同步讀數(shù),使電量計(jì)能夠準(zhǔn)確估算電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。由于 ESR 在不同的操作條件下和隨時(shí)間而變化,因此實(shí)時(shí)估算 ESR 可以更準(zhǔn)確地估算 SoC。

  同步讀取時(shí)的 SoC 誤差明顯低于非同步讀取時(shí)的誤差,尤其是在幾個(gè)放電周期之后。這些結(jié)果是使用集成了 ESR 檢測和熱建模的MPF42791得出的。

  AFE 直接故障控制

  如前所述,AFE 在 BMS 中扮演的最重要角色是保護(hù)管理。AFE 可以直接控制保護(hù)電路,在檢測到故障時(shí)保護(hù)系統(tǒng)和電池。一些系統(tǒng)在 MCU 中實(shí)現(xiàn)故障控制,但這會導(dǎo)致更長的響應(yīng)時(shí)間并需要 MCU 提供更多資源,從而增加固件復(fù)雜性。

  高級 AFE 使用其 ADC 讀數(shù)和用戶配置來檢測任何故障情況。AFE 通過打開保護(hù) MOSFET 來對故障做出反應(yīng),以確保真正的硬件保護(hù)。AFE 也經(jīng)過全面測試,這使得保證系統(tǒng)安全可靠變得簡單。這樣,MCU 可以用作二級保護(hù)機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)更高級別的安全性和穩(wěn)健性。

  MP279x 系列集成了兩種保護(hù)控制形式。這使得設(shè)計(jì)人員可以選擇通過 AFE 還是 MCU 來控制故障響應(yīng)和/或保護(hù)。

  高端與低端電池保護(hù)

  在設(shè)計(jì) BMS 時(shí),重要的是要考慮電池保護(hù)斷路器的放置位置。通常,這些電路采用 N 通道 MOSFET 實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗鼈兣c P 通道 MOSFET 相比具有較低的內(nèi)部電阻。這些斷路器可以放置在高壓側(cè)(電池的正極)或低壓側(cè)(電池的負(fù)極)。

  高端架構(gòu)可確保接地 (GND) 始終有良好的參考,從而避免短路時(shí)出現(xiàn)潛在的安全和通信問題。此外,干凈、穩(wěn)定的 GND 連接有助于減少參考信號波動(dòng),這是 MCU 精確運(yùn)行的關(guān)鍵。

  然而,當(dāng) N 溝道 MOSFET 位于電池正極時(shí),驅(qū)動(dòng)其柵極需要高于電池組電壓的電壓,這使得設(shè)計(jì)過程更具挑戰(zhàn)性。因此,集成在 AFE 中的專用電荷泵通常用于高端架構(gòu),這會增加整體成本和 IC 電流消耗。

  對于低端配置,由于保護(hù) MOSFET 位于電池負(fù)極,因此無需使用電荷泵。然而,在低端配置中實(shí)現(xiàn)有效通信更加困難,因?yàn)楫?dāng)保護(hù)打開時(shí)沒有 GND 參考。

  MP279x 系列采用高側(cè)架構(gòu),可提供強(qiáng)大的保護(hù)功能,同時(shí)最大限度地減少 BOM。此外,高精度電荷泵控制可實(shí)現(xiàn) N 通道 MOSFET 軟開啟功能,無需任何額外的預(yù)充電電路,從而進(jìn)一步減少 BOM 尺寸和成本。軟開啟是通過緩慢增加保護(hù) FET 的柵極電壓來實(shí)現(xiàn)的,允許小電流流過保護(hù)裝置以對負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電。可以配置多個(gè)參數(shù)以確保安全轉(zhuǎn)換,例如允許的最大電流或保護(hù) FET 關(guān)閉而不觸發(fā)故障的時(shí)間。

  通過電池平衡延長電池壽命

  為大型系統(tǒng)(例如電動(dòng)自行車或儲能系統(tǒng))供電的電池組由許多串聯(lián)和并聯(lián)的電池組成。每個(gè)電池在理論上都是相同的,但由于制造公差和化學(xué)差異,每個(gè)電池的行為通常略有不同。隨著時(shí)間的推移,由于不同的操作條件和老化,這些差異變得更加明顯,通過限制其可用容量或可能損壞電池,嚴(yán)重影響電池性能。為了避免這些危險(xiǎn)情況,重要的是通過稱為電池平衡的過程定期均衡串聯(lián)電池電壓。

  被動(dòng)平衡是均衡電池電壓的最常見方法,它需要對充電最多的電池進(jìn)行放電,直到所有電池都具有相等的電量。AFE 中的被動(dòng)電池平衡可以通過外部或內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。外部平衡允許更大的平衡電流,但也會增加 BOM。

  另一方面,內(nèi)部平衡不會增加 BOM,但由于散熱原因,它通常會將平衡電流限制在較低值。在內(nèi)部和外部平衡之間做出選擇時(shí),請考慮外部硬件的成本和目標(biāo)平衡電流。

  電池平衡的另一個(gè)重要方面是物理連接。例如,MP279x AFE 系列使用相同的引腳進(jìn)行電壓感測和平衡。這顯著減少了 IC 尺寸,但意味著連續(xù)的電池?zé)o法同時(shí)平衡,從而增加了執(zhí)行電池平衡所需的時(shí)間。使用專用的平衡引腳可以縮短平衡時(shí)間,但會顯著增加 IC 尺寸和總體成本。

  AFE 安全功能

  正如本文所述,控制系統(tǒng)保護(hù)和故障響應(yīng)的 AFE 在 BMS 設(shè)計(jì)中極其重要。在打開或關(guān)閉保護(hù) FET 之前,AFE 必須能夠檢測到這些不良情況。

  電池和電池組級故障,例如過壓 (OV)、欠壓 (UV)、過流 (OC)、短路 (SC)、過溫 (OT) 和欠溫 (UT) 故障,都應(yīng)受到監(jiān)控。但是,AFE 還可以為某些應(yīng)用提供其他有益的保護(hù)和功能。例如,自檢允許 IC 檢測其內(nèi)部 ADC 是否發(fā)生故障,從而防止系統(tǒng)測量錯(cuò)誤。增強(qiáng)的看門狗定時(shí)器功能還可在主 MCU 無響應(yīng)時(shí)確保穩(wěn)健性和安全性。

  MP279x 系列提供上述故障保護(hù),具有高度可配置性,使用戶能夠?yàn)槊總(gè)故障定義不同的閾值、去尖峰時(shí)間和滯后。這些設(shè)備還依靠兩個(gè)不同的比較器來處理 SC 和 OC 故障情況,以最大限度地縮短響應(yīng)時(shí)間。它們還提供故障自動(dòng)恢復(fù)配置,這意味著它們可以自動(dòng)從大多數(shù)故障中恢復(fù),而無需 MCU 采取任何行動(dòng)。

  結(jié)論

  BMS監(jiān)視電池組,以保護(hù)電池和系統(tǒng)的其他部分。不合格的BMS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SoC管理。這些不準(zhǔn)確度對產(chǎn)品的最終質(zhì)量有非常顯著的影響,因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致潛在的危險(xiǎn)故障,或?qū)τ脩趔w驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響的故障。為了減輕這些問題,本文解釋了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)BMS時(shí)應(yīng)該期望和尋找什么。了解更多關(guān)于電池管理系統(tǒng)是如何工作的,以及如何用MPS的BMS評估工具包來設(shè)計(jì)它們。

標(biāo)簽: 電池

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