Inleiding tot batterijbeheersystemen

Leer de basisprincipes op hoog niveau van de rol die batterijbeheersystemen (BMS'en) spelen bij het ontwerpen van energie en welke componenten nodig zijn voor hun basisfuncties.

Tegenwoordig domineren Li-ion-batterijen, met energiedichtheden tot 265 Wh/kg. Ze hebben echter de reputatie dat ze af en toe al die energie ontploffen en verbranden als ze overmatige stress ervaren. Daarom hebben ze vaak batterijbeheersystemen (BMS'en) nodig om ze onder controle te houden.

In dit artikel bespreken we de basisprincipes van het GBS-concept en bespreken we enkele fundamentele onderdelen van het typische GBS.

Basis BMS-configuraties

In figuur 1 zien we de basisblokken van hoe een BMS eruit kan zien terwijl het de functie heeft om grote batterijstoringen te voorkomen.

Figuur 1. Een typisch GBS-blokdiagram

Dit voorbeeld BMS kan vier Li-ion-cellen in serie aan. Een celmonitor leest alle celspanningen uit en egaliseert de spanning daartussen:deze functie heet balanceren (daarover later meer). Dit wordt bestuurd door een MCU die telemetriegegevens verwerkt, evenals schakelaarmanipulatie en balanceringsstrategie.

In de praktijk biedt de markt verschillende oplossingen voor eenvoudigere ontwerpen, ook voor afzonderlijke cellen zonder balancering of MCU's, zoals weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Een eenvoudige batterijmanager. Afbeelding gebruikt met dank aan Texas Instruments

Het nadeel van deze eenvoudigere systemen is dat een ontwerper gebonden is aan wat het gegeven onderdeel biedt (bijvoorbeeld een hoge of lage zijschakelaar) zonder maatwerk.

Bij gebruik van meer cellen is een balanceringssysteem nodig. Er bestaan ​​eenvoudige schema's die nog steeds functioneren zonder een MCU, zoals weergegeven in afbeelding 3.

Figuur 3. Een MCU-onafhankelijke celbalancer. Afbeelding gebruikt met dank aan Texas Instruments

Bij gebruik van grotere batterijpakketten of iets dat cellen in serie of een berekening van de brandstofmeter vereist, is een MCU nodig. De meest geïntegreerde (en dus goedkope) oplossing is die in figuur 4.

Figuur 4. Een commerciële BMS. Afbeelding gebruikt met dank aan Renesas

Dit is een BMS die gebruikmaakt van een MCU met bedrijfseigen firmware waarop alle bijbehorende batterijgerelateerde functies worden uitgevoerd.

De bouwstenen:onderdelen van het batterijbeheersysteem

Kijk terug naar figuur 1 om een ​​overzicht te krijgen van de fundamentele onderdelen die cruciaal zijn voor een BMS. Laten we nu de belangrijkste onderdelen van figuur 4 wat gedetailleerder doornemen om de verschillende elementen van een GBS-blokdiagram te begrijpen.

Zekering

Wanneer er een heftige kortsluiting optreedt, moeten de batterijcellen snel worden beschermd. In Afbeelding 5 ziet u een zogenaamde SCP-zekering (Self Control Protector), die bedoeld is om te worden doorgebrand door het overspanningsbesturings-IC in het geval van overspanningen, waardoor pen 2 naar aarde wordt gestuurd.

Figuur 5. SCP-zekering en besturing van een commercieel BMS

De MCU kan de toestand van de doorgebrande zekering doorgeven, daarom moet de MCU-voeding vóór de zekering zijn.

Huidige waarneming/Coulomb-telling

Hier is een lage zijstroommeting geïmplementeerd, waardoor directe verbinding met de MCU mogelijk is.

Figuur 6. Typisch laagstroomgevoel van een commerciële BMS

Door een tijdreferentie bij te houden en de stroom in de loop van de tijd te integreren, verkrijgen we de totale energie die de batterij is binnengekomen of verlaten, door een Coulomb-teller te implementeren. Met andere woorden, we kunnen de laadtoestand schatten (SOC, niet te verwarren met een system-on-chip) met behulp van de volgende formule:

waar

• $$SOC(t_0)$$ is de initiële SOC (in Ah)
• $$C_{rated}$$ is de nominale capaciteit (in Ah)
• $$I_b$$ is de batterijstroom
• $$I_{loss}$$ houdt rekening met de celreactieverliezen
• τ is de gemiddelde periode van de elektrische stroommonsters

Thermistors

Temperatuursensoren, meestal thermistoren, worden zowel voor temperatuurbewaking als voor veiligheidsinterventie gebruikt.

In Afbeelding 7 ziet u een thermistor die een ingang van het IC voor overspanningsregeling bestuurt. Hierdoor wordt de SCP kunstmatig doorgeblazen (de zekering weergegeven in afbeelding 5) zonder tussenkomst van de MCU.

Figuur 7. Een thermistor kan de SCP aansturen bij ernstige thermische problemen

Afbeelding 8 toont twee extra thermistoren voor telemetrie.

Figuur 8. Thermistoren gebruikt door de firmware

Hoofdschakelaar

Om als schakelaars te fungeren, moeten MOSFET's hun afvoer-bronspanning $$V_{ds} \leq V_{gs} - V_{th}$$ zijn. De elektrische stroom in het lineaire gebied is $$I_d =k \cdot (V_{gs} - V_{th}) \cdot V_{ds}$$, waardoor de weerstand van de schakelaar $$R_{MOS} =1 / [k \cdot (V_{gs} - V_{th})]$$.

Het is belangrijk om de $$V_{gs}$$ dienovereenkomstig te sturen om een ​​lage weerstand en dus lage verliezen te garanderen.

Figuur 9. Accu hoofdschakelaar (NMOS, hoge zijde)

NMOS-types worden ook gebruikt op hoge zijschakelaars via een laadpomp, omdat ze normaal gesproken een lagere $$R_{MOS}$$ hebben.

Balancer

Batterijcellen hebben toleranties gegeven in hun capaciteit en impedantie. Dus over cycli kan een ladingsverschil accumuleren tussen cellen in serie.

Als een zwakkere set cellen minder capaciteit heeft, laadt deze sneller op in vergelijking met andere in serie. Het GBS moet daarom voorkomen dat andere cellen worden opgeladen, anders raken de zwakkere cellen overladen, zoals te zien is in afbeelding 10.

Figuur 10. Cellen met een lagere capaciteit belemmeren het volledig opladen van de pack. Afbeelding gebruikt met dank aan Analog Devices

Omgekeerd kan een cel sneller ontladen raken, met het risico dat cellen onder de minimale spanning komen. In dit geval moet een GBS zonder balancer de vermogensafgifte eerder stoppen, zoals te zien is in Afbeelding 11.

Figuur 11. Cellen met een lagere capaciteit belemmeren het gebruik van volledige energie. Afbeelding gebruikt met dank aan Analog Devices

Een circuit zoals dat in figuur 12 zal de cel ontladen met een hogere SOC (laadtoestand) zoals getoond in figuur 10 op het niveau van de andere cellen in serie. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een passieve balanceringsmethode die ladingsshunt wordt genoemd.

Figuur 12. Voorbeeld van passieve balanceringsstrategie

Omdat stroom door de transistor stroomt in de AAN-toestand en dissipeert door R, en omdat de spanningsreferentie CELL1 is (een negatieve pool), zal alleen zo'n cel zijn energieoverschot ontladen.