电池知识
锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
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今朝的电子设备具有更高的移动性并且比往日更绿色,电池技术进步推动了这一进展,并惠及了包括便捷式电动工具、插电式混合动力车、无线扬声器在内的广泛产品。电池技术的不断变化促使许多新手学习要怎么样设计电池管理系统。本文供应了有关电池管理系统(BMS)架构的初学者指南,讨论了紧要功能块,并解释了每个功能块对BMS系统的紧要性。
近年来,电池效率(输出功率/尺寸比)和重量均出现大幅改善。试想一下汽车电池得多庞大和笨重,其紧要用途是启动汽车。随着技术的最新进展,你可以改用锂电池来迅速启动汽车,其重量惟有几磅,尺寸也就人手那么大。
图SEQFigure*ARABIC1:电池管理系统(BMS)功能块的简化示意图。
电池管理系统架构
电池管理系统(BMS)通常蕴含若干功能块,如:FET驱动、电流监控、单电池电压监视器、单电池电压均衡、实时时钟、温度监控和状态机。市场上有多种类型的BMSIC。从简单的模拟前端(如供应均衡和监测功能并要微控制器的ISL94208)到自主运行的独立集成处理方案(如ISL94203),功能块的分组存在很大差异。今朝我们来看每个功能块的用途和所使用的技术,以及每种技术的优缺点。
关断FET和FET驱动器
FET驱动器功能块负责电池包的连接以及负载与充电器之间的隔离。FET驱动器的行为可依据单电池电压测量值、电流测量值和实时测试电路进行操控。图2(a)和2(b)描述了负载与充电器及电池包之间的两种不同FET连接。
图SEQFigure*ARABIC2:不同连接的截止FET原理图:(a)负载与充电器之间的单一连接,(b)准许同时充电和放电的二端子连接。
图2(a)要最少的电池包连接数,且电池包工作模式限于充电、放电或休眠。电流方向和详尽实时测试的行为决定了器件的状态。例如,ISL94203有一个CHMON,用于监测截止FET右侧上的电压。倘若充电器已连接且电池包与之隔离,则注入电池包的电流将使电压上升至充电器的最大供电电压。这时,CHMON所在位置的电压电平升高(tripped),让BMS器件了解已连接充电器。负载连接是通过以下方式来确定的:向负载方向注入电流,以确定负载是不是存在。倘若引脚所在位置的电压在电流注入时没有显著上升,则声明负载还在。然后FET驱动器的DFET持续断开。图2(b)的连接方案准许电池包在充电时可以支持放电工作。
可以设计FET驱动器来连接至电池包的高端或低端。高端连接要一个电荷泵驱动器来激活NMOSFET。使用高端驱动器可使电路其余部分具有稳固的接地基准。低端FET驱动器连接见于一些集成处理方案,用以降低成本,因为这时无需电荷泵。低端连接也不要高电压器件,它会占用更大的芯片面积。在低端上截止FET会使电池包的接地点连接浮接,使之易受注入测量的噪声的影响这会影响一些IC的性能。
电量计/电流测量
电量计功能模块负责记录流入和流出电池包的电荷。电荷是电流与时间之积。设计电量计时可使用多种不同的技术。测量电流的办法之一是使用电流感测放大器和带有嵌入式低辨别率ADC的MCU。电流运算放大器在高共模环境中工作,它负责放大分流器上差分信号,以支持更高的测量辨别率。这种设计技术以牺牲动态范围为代价。其他技术使用高辨别率ADC,或昂贵的电量计IC。知道负载行为的电流消耗-时间关系可确定电量计设计的最佳类型。
最准确和经济的处理方案是使用具有低漂移和高共模额定值的16位或更高辨别率ADC来测量感测电阻器上的电压。高辨别率ADC供应大的动态范围,但以牺牲速度为代价。倘若电池连接到不规矩荷载,如电动车,则慢速ADC有可能错过流向负载的高振幅和高频电流尖峰。关于不规矩荷载,使用可能带有电流运算放大器前端的SARADC可能更为理想。任何偏移误差都会影响总误差(以电池电荷数量来掂量)。随着时间的推移,测量误差会造成严重的充电状态电池包误差。在测量电荷时,50uV或更小的测量偏移在16位辨别率就足够。
单电池电压和最大限度延长电池寿命
监测电池包中每个单电池的电压对确定电池包的整体健康状况是必不可少的。所有单电池都有一个工作电压窗口,充电/放电应该在此期间进行,以确保正常工作和电池寿命。倘若一个使用使用的是锂离子化学电池,则典型工作电压范围为2.5V-4.2V。电压范围取决于化学过程。使电池工作电压超出电压范围会显著缩短单电池的寿命,并可能使得该单电池失效。
单电池通过串联或并联方式形成电池包。并联会新增电池包的电流,串联会新增总电压。单电池的性能遵循下面的分布:当时间等于零时,电池包中单电池的充电和放电速度相同。由于每个单电池都是交替进行充放电,所以每个单电池的充电和放电速度存在差异,这会导致在电池包上的扩散性分布。确定电池包是不是已充电的简单办法是,按照设定电压水平监视每个单电池的电压。第一个达到该电压限值的单电池电压会使电池包充电限值脱扣。电池包蕴含弱于均匀值的单电池会导致最弱单电池首先达到限值,从而妨碍其余单电池洋溢电。如前所述,充电方案不能使电池包每次充电的ON时间达到最大化。充电方案会因为要更多充电和放电循环而缩短电池包的寿命。较弱的单电池放电速度较快。这种情况也会出今朝放电周期。较弱的单电池会首先达到过放电门限值关断,使得其余单电池仍有剩余电荷。
图SEQFigure*ARABIC3:此图显示了不同类型的单电池平衡:(a)使用旁路单电池平衡FET来减慢单电池在充电周期的充电速度。(b)在放电周期内使用主动平衡从强单电池偷取电荷并将该电荷给予弱单电池。
改善电池包每次充电的ON时间有两种办法。第一种办法是在充电周期内减慢对最弱单电池的充电速度。详尽做法是将一个旁路FET与单电池上的电流限制电阻器相连接,参见图3(a)。这会从具有最高电流的单电池分流电流,使得该单电池充电速度下降,相对地提高其他单电池的充电速度。最终目的是使电池包的蓄电量达到最大化。这是通过使所有单电池同时达到满充门限值来实现的。
采用电荷移动方案可使电池包在放电周期实现平衡,详尽做法是通过电感耦合或电容性储存从强的电池取得能量,并将储存的电能注入最弱的单电池。这会减慢最弱单电池达到放电门限值的速度。该过程称为主动平衡,参见图3(b)。
温度监测
今朝的电池可输出大电流并保持恒定电压。这会导致失控(runaway)情况的出现,引起电池着火。用于制造电池的化学物质是高度不稳定的。用某些东西刺穿电池会使电池着火。温度测量不只出于安全考虑,还可用于确定温度是不是适合电池充电或放电。
温度传感器负责监测能量储存系统(ESS)使用中的每个单电池,或者更小、更便携的使用中的一组单电池的温度。通常使用由内部ADC电压基准供电的热敏电阻来监测每个电路的温度。内部电压基准用于降低温度读数相对环境温度变化的不准确性。
状态机或算法
大多数BMS系统都要使用微控制器或FPGA来管理来自感测电路的信息,然后用收到的信息做出决定。有少数产品(如ISL94203)蕴含相关算法,具有一定的可编程性,以数字方式支持实现采用单芯片的独立处理方案。独立处理方案还能很好地与微控制器配合使用,因为独立处理方案的状态机可用于释放MCU时钟周期和内存空间。
其他BMS构块
其他BMS功能块包括电池认证、实时时钟、内存和菊链。实时时钟和内存用于黑箱使用。实时时钟用作时戳,内存用于存储数据。这可以让用户了解电池包在灾难事件前的行为。电池认证功能块用于戒备BMS电子系统连接至第三方电池包。电压基准/稳压器用于为BMS系统的外围电路供电。最后,菊链电路用于简化不同器件之间的连接。菊链功能块可消除了对光耦或其他电平位移电路的要。
结束语
电池管理系统架构可使用许多功能块和设计技术。认真考虑电池要求和电池寿命目标有助于确定适宜的架构、功能块和相关集成电路,进而创建电池管理系统和充电方案,以优化电池寿命。
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