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,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。電源管理處也有責任提供準確的充電狀態(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。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(單片機)和燃料表(見圖1)。燃料表可以是一個獨立的IC,也可以嵌入在單片機中。單片機是電源管理系統(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)的其他部分斷開。

燃料測量IC從AFE中獲取讀數(shù),然后使用復雜的電池建模和先進的算法來估計關(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行復雜的燃料測量算法,設(shè)計人員可以使用規(guī)格較低的單片機,從而降低整體成本和當前的消耗。

· 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的SOH和SOH,從而能夠更精確地測量電池使用壽命的準確性和老化度。這一點很重要,因為電池阻抗和容量隨著時間的推移會產(chǎn)生差異,從而導致運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行了全面測試,并進行了測試。這減少了測試復雜算法的時間和成本,同時也使市場的時間更快。

改進系統(tǒng)服務(wù)和SOH的準確性

設(shè)計一個精確的bms時的主要目標是為電池組提供一個精確的計算結(jié)果(剩余的運行時/范圍)和SOH(壽命和狀態(tài))。設(shè)計人員可能認為,實現(xiàn)這一目標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)部算法運行復雜的計算,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、容量和負載條件下的特性來數(shù)學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)果都是不準確的。換句話說,實現(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,實時估計ESR可以提供更準確的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管理。當檢測到故障時,AFE可以直接控制保護電路,保護系統(tǒng)和電池。有些系統(tǒng)在單片機中實現(xiàn)了故障控制,但這導致了較長的響應(yīng)時間,并需要來自單片機的更多資源,增加了固件的復雜性。

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)是打開保護的MOSIFT,以確保真正的硬件保護。還對AFES進行了全面測試,這使其能夠簡單地保證一個健全的安全系統(tǒng)。這樣,單片機就可以作為安全性和健壯性更高的二級保護機制。

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

高級別相對于。低電池保護

在設(shè)計一個bms時,重要的是要考慮電池保護斷路器放在哪里。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)鍵的精確單片機操作。

然而,當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,因為保護MOSFET是放在電池的負極。然而,由于保護開放時沒有非線性參考,因此在低節(jié)點配置中實現(xiàn)有效通信更為困難。

MP279X家族使用一個高側(cè)面的架構(gòu),它提供了強大的保護,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充電電路,進一步最小化BOM大小和成本。通過緩慢增加保護FET的門電壓來實現(xiàn)軟啟動,允許一小電流通過保護來預充電負載(見圖3)?？梢詫讉€參數(shù)進行配置,以確保安全過渡,例如最大允許電流,或保護費關(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。每個細胞理論上是相同的,但由于制造公差和化學差異,每個細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,被動的細胞平衡可以在外部或內(nèi)部實現(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平衡電流。

圖5:內(nèi)部細胞平衡的框圖。

細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)閉保護費之前,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。增強的看門狗計時器功能也確保了在主要單片機沒有響應(yīng)時的健壯性和安全性。

Mp279X家庭 提供以上所列的故障保護,具有高度的可配置性,使用戶能夠為每個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的配置,這意味著它們可以自動從大多數(shù)故障中恢復,而無需從單片機中采取任何行動。

結(jié)論

該系統(tǒng)監(jiān)控電池組以保護電池和系統(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,而且還提供了不準確的電池系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理。這些不準確性對產(chǎn)品的最終質(zhì)量有非常重要的影響,因為它們可能導致潛在的危險故障,或負面影響用戶體驗的故障。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。