В настоящее время все больше и больше различных химических систем объединяются в батарейные пакеты, состоящие из десятков,Для разработчиков систем управления аккумуляторами (BMS)Эта конструкция сталкивается со многими проблемами в достижении оптимальной производительности, эффективности, надежности и безопасности.
Например, проектирование или выбор интегральных схем (ИК), которые отвечают требованиям приложения, требует глубокого понимания химии батареи, зарядки, мониторинга, балансировки нагрузки, изоляции,безопасность, и коммуникационных технологий для обеспечения эффективного осуществления.
С этой целью поставщики интегрировали многие необходимые функции в выделенные интегральные интегралы, которые по существу независимы от процессоров.Многие модели этого типа IC не только поддерживают несколько литий-базированных химических систем батарей, но также совместимы с литиевыми батареями. Этот тип IC собирает данные от батарей и принимает оптимальные решения и действия по управлению батареей в режиме реального времени.Эти типы микросхем также предоставляют данные системному процессору относительно состояния батарейных элементов и состояния эксплуатации..
В данной статье кратко приведены уникальные технические требования к многоклеточным группам.представить передовые специализированные оптимизированные IC Analog Devices и проработать, как использовать эти IC для удовлетворения вышеуказанных требований..
Многочисленные батарейные ячейки принесут еще больше проблем
Основная схема батареи может показаться простой,но на самом деле включает в себя несколько батарейных элементов, которые получают более высокое напряжение через серийное соединение и больший ток через параллельное соединениеЭто означает, что такие конфигурации являются простым расширением аккумуляторных комплектов с одной или несколькими ячейками, не требующих практически никакого дополнительного управления.Этот многоклеточный аккумулятор подходит для электрических инструментов, которые требуют 18V или 48V, электромобили (ЭВ), требующие 400 или 800 В, и системы BESS, которые обычно требуют 1500 В.
Фактическая ситуация с этими большими батареями заключается в том, что их детали и сложность намного превосходят то, что показано на схемах.Трудность решения этих задач растет экспоненциально..
Во-первых, необходимо отслеживать аккумуляторную ячейку, чтобы отслеживать ее конечное напряжение, кривую разряда заряда, состояние заряда (SoC), температуру и характеристики предшественников неисправности.необходимо однородно управлять различными батарейными ячейками и регистрировать и учитывать их различия..
Если отсутствует универсальный набор правил, это еще больше увеличит сложность управления батарейными ячейками.целесообразность принятой стратегии управления зависит от химических характеристик батарейных элементов.Стратегии управления, принятые для различных основных химических систем, различны (например, литий-ионные (Li-ion) и свинцово-кислотные батареи).и в пределах той же общей химической системы (например, различные литий-ионные аккумуляторы)Поэтому передовые стратегии управления BMS должны быть адаптированы к химическим характеристикам управляемых батарейных элементов.
В связи с большим количеством батарейных элементов, содержащихся в высоковольтных и высокомощных батарейных пакетах, которые должны соответствовать многочисленным стандартам безопасности,Наблюдение и управление локальными батарейными ячейками в настоящее время является наиболее возможным инженерным решениемХотя система обычно оснащена основным процессором,обычно может выдавать только передовые нормативные инструкции для локального мониторинга ячейки и оценки общей производительности аккумуляторной батареи. The monitoring and management of a single battery cell is accomplished by an autonomous electronic system that provides real-time functionality and primarily operates without the need for system level processor intervention.
Пассивное и активное балансирование батареи
Баланс клеток особенно важен для поддержания целостности нескольких групп клеток, обеспечивая, чтобы некоторые клетки не были повреждены из-за перегрузки,и избежать других батарей от бездействия из-за низкой эксплуатацииБалансировка клеток может предотвратить повреждение клеток и аккумуляторных батарей, тем самым максимизируя производительность.предотвращение перерасчета, дисбаланс SoC, перезарядка и преждевременное старение, в конечном итоге увеличивая срок службы батареи.
Существует два метода балансировки клеток: активный и пассивный.Активное балансирование использует технологию активной схемы для перераспределения заряда между каждой ячейкой в аккумуляторном комплекте, что гарантирует, что SoC всех ячеек остается неизменным.Эта схема отслеживает напряжение каждой батареи и регулирует ток зарядки и разрядки в соответствии с результатами мониторинга.
В отличие от этого, пассивное балансирование использует закон Ома и балансирующие резисторы для регулировки ячейки к тому же состоянию SoC.Пассивное балансирование также может рассеивать (отходы) избыточную энергию в высоких батарейных ячейках.
Начиная с многоклеточного мониторинга
Несмотря на то, что на рынке уже существует большое количество решений ESS, две основные функции BMS по-прежнему заключаются в мониторинге и балансировке батарейных элементов.IC ADES1830CCSZ, показанный на рисунке 1, как 16-канальный, многоклеточный, многохимический батарейный монитор, не только выполняет вышеуказанные функции,но также включает в себя множество ключевых функций, которые помогают упростить общий дизайн системы и эксплуатацию.
Монитор клеток ADES1830CCSZ аналоговых устройств с несколькими клетками и химическими системами (нажмите, чтобы увеличить)
Рисунок 1: Монитор клеток ADES1830CCSZ с несколькими ячейками и несколькими химическими системами используется в качестве основного строительного блока для комплексного BMS. (Изображение: Analog Devices)
Этот многоклеточный групповой монитор может измерять до 16 серийных подключенных элементов с общей погрешностью измерения (TME) менее 2 мВ по всему температурному диапазону;в то время как TME других ADES1831CCSZ с теми же спецификациями немного вышеДиапазон измерения от -2 В до 5,5 В делает ADES1830 и ADES1831 подходящими для большинства химических материалов для батарей.
Для поддержания последовательности при мониторинге аккумуляторных комплектов, содержащих большое количество элементов,все элементы могут быть излишне измерены синхронно с помощью двойных интегрированных аналоговых-цифровых преобразователей (ADC)Эти аналого-цифровые преобразователи (ADC) работают непрерывно с высокой скоростью отбора проб 4,096 мегаобразных образцов в секунду (MSPS),таким образом, сокращение использования внешних аналоговых фильтров и достижение результатов измерений без аллиазированияПри необходимости дополнительное уменьшение шума может быть достигнуто с помощью программируемых фильтров бесконечного импульсного ответа (IIR).ADES1830 и ADES1831 также имеют функции пассивного балансирования, достигаемые посредством независимой модуляции ширины импульса (PWM) управления рабочим циклом, и поддерживают ток разряда до 300 мА на ячейку.
Хотя одно устройство ADES1830 или ADES1831 поддерживает только 16 ячеек в серии, несколько устройств могут быть каскадированы для одновременного мониторинга ячеек длинной струны высоковольтного аккумулятора.Для достижения взаимосвязи между чипами IC, каждое устройство оснащено изолированным интерфейсом серийного порта (isoSPI),который электрически изолирован с помощью выбранных пользователем конденсаторов или трансформаторов для достижения высокоскоростной связи на большие расстояния, которая может противостоять радиочастотным помехам.
С помощью этого метода одно соединение с основным процессором может читать данные и контролировать всю последовательность батареи.обеспечение целостности данных даже в случае сбоев на пути связи.
Для оптимизации применения этих многоклеточных детекторов Analog Devices запустила оценочную доску EV-ADES1830CCSZ (рисунок 2 слева).С помощью интерфейса isoSPI можно подключить несколько панелей оценки для мониторинга длинной цепи элементов в аккумуляторной пакете (с правой стороны рисунка 2)..