Oplaadbare batterijen zijn de fundamentele onderdelen van batterij-energieopslagsystemen (BESS).,Voor ontwerpers van batterijbeheersystemen (BMS) is het belangrijk dat de batterij in de eerste plaats op de basis van de energiebronnen wordt geproduceerd en dat de batterij in de eerste plaats op basis van de energiebronnen wordt geproduceerd.Deze ontwerpstructuur wordt geconfronteerd met veel uitdagingen om optimale prestaties te bereiken, efficiency, betrouwbaarheid en veiligheid.
Het ontwerpen of selecteren van geïntegreerde schakelingen (IC's) die aan de toepassingsvereisten voldoen, vereist bijvoorbeeld een diepgaand begrip van de batterijchemie, het opladen, het monitoren, het balanceren van de belasting, het isoleren, het opladen van batterijen en het opladen van batterijen.Veiligheid, en communicatietechnologieën om een efficiënte uitvoering te garanderen.
Daartoe hebben de leveranciers veel noodzakelijke functies geïntegreerd in speciale IC's die in wezen onafhankelijk zijn van de verwerkers.Veel modellen van dit type IC ondersteunen niet alleen meerdere lithiumbaserde batterijchemische systemenDit type IC verzamelt gegevens van batterijcellen en maakt optimale realtime beslissingen en acties voor batterijbeheer.Deze soorten IC's verstrekken ook gegevens aan de systeemprocessor met betrekking tot de status van de batterijcel en de operationele status..
In dit artikel worden de unieke technische vereisten van multicellulaire groepen kort geïntroduceerd.de geavanceerde gespecialiseerde geoptimaliseerde IC's van Analog Devices introduceren en uitwerken hoe deze IC's kunnen worden gebruikt om aan de bovenstaande eisen te voldoen;.
Meerdere batterijcellen zullen meer uitdagingen opleveren
Het basiscircuitdiagram van een batterij lijkt misschien eenvoudig,Maar het bevat eigenlijk meerdere batterijcellen die een hogere spanning verkrijgen door serieverbinding en een grotere stroom door parallelle verbindingDit betekent dat dergelijke configuraties slechts een eenvoudige uitbreiding zijn van eencel-/weinigcelbatterijpakketten, die bijna geen extra beheer vereisen.Deze multi-cel batterij is geschikt voor elektrische gereedschappen die 18V of 48V, elektrische voertuigen (EV's) die 400V of 800V vereisen, en BESS-systemen die doorgaans 1500V vereisen.
De huidige situatie van deze grotere batterijpakketten is dat hun details en complexiteit veel groter zijn dan wat wordt weergegeven in hun schema's.de moeilijkheid om deze uitdagingen aan te gaan groeit exponentieel.
Ten eerste is het noodzakelijk de batterijcel te monitoren om de terminalspanning, de ladingontladingscurve, de ladingstoestand (SoC), de temperatuur en de eigenschappen van de foutvoorlopers te volgen.het is noodzakelijk om verschillende batterijcellen uniform te beheren en hun verschillen te registreren en te overwegen..
Als er geen universele regels zijn, zal de complexiteit van het beheer van batterijcellen verder toenemen.de geschiktheid van de vastgestelde beheersstrategie hangt af van de chemische kenmerken van de batterijcellen- De beheersstrategieën die voor de verschillende belangrijke chemische systemen worden gebruikt, verschillen (zoals lithium-ion (Li-ion) en loodzuurbatterijen),en binnen hetzelfde gegeneraliseerde chemische systeem (zoals verschillende Li-ion-batterijformules)Daarom moeten geavanceerde BMS-managementstrategieën worden aangepast aan de chemische kenmerken van de beheerde batterijcellen.
Vanwege het grote aantal batterijcellen in hoogspannings- en hoogcapaciteitsbatterijpakketten, die aan talrijke veiligheidsnormen moeten voldoen,Het monitoren en beheren van lokale batterijcellen is momenteel de meest haalbare technische oplossingHoewel het systeem gewoonlijk is uitgerust met een hoofdprocessor,het kan gewoonlijk alleen geavanceerde regelgevende instructies geven voor lokale cellenbewaking en de algehele prestaties van het batterijpakket evalueren. 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.
Passieve en actieve batterijbalansering
Celbalans is bijzonder belangrijk voor het behoud van de integriteit van meerdere celgroepen, zodat sommige cellen niet beschadigd raken door overbelasting,en voorkomen dat andere batterijen leeglopen als gevolg van een laag gebruikDe celbalansering zorgt ervoor dat alle cellen in het batterijpakket tegelijkertijd hun maximale capaciteit bereiken.het voorkomen van overbelasting, SoC-onbalans, overlading, en vroegtijdige veroudering, waardoor uiteindelijk de levensduur van de batterij wordt verlengd.
Er zijn twee methoden voor celbalansering: actief en passief balanceren.Actieve balancering maakt gebruik van actieve schakeltechnologie om de lading tussen elke cel in het batterijpakket te verdelen, zodat de SoC van alle cellen consistent blijft.Dit circuit controleert de spanning van elke batterijcel en past de oplaad- en ontlaadstromen dienovereenkomstig aan op basis van de monitoringsresultaten.
In tegenstelling hiertoe is passief balanceren gebaseerd op de wet van Ohm en balancerende weerstanden om de cel aan te passen aan dezelfde SoC-toestand.passieve balancering kan ook overtollige energie in hoge batterijcellen verdrijven (afval).
Beginnend met multi-celmonitoring
Hoewel er al een groot aantal ESS-oplossingen op de markt zijn, liggen de twee belangrijkste front-endfuncties van BMS nog steeds in de monitoring en balancering van batterijcellen.De in figuur 1 weergegeven ADES1830CCSZ-IC, als een 16-kanaal, multi-cel, multi chemisch systeem batterij monitor, niet alleen bereikt de bovenstaande functies,Het systeem bevat een aantal belangrijke functies die het ontwerp en de werking van het systeem vereenvoudigen..
ADES1830CCSZ-celmonitor met meerdere cellen en chemische systemen (klik om te vergroten)
Figuur 1: ADES1830CCSZ-celmonitor met meerdere cellen en meerdere chemische systemen wordt gebruikt als de basisvoorziening voor een uitgebreid BMS.
Deze multicelgroepmonitor kan maximaal 16 in serie aangesloten cellen meten, met een totale meetfout (TME) van minder dan 2 mV over het gehele temperatuurbereik.terwijl de TME van andere ADES1831CCSZ met dezelfde specificaties iets hoger isHet meetinvoerbereik van -2 V tot 5,5 V maakt ADES1830 en ADES1831 geschikt voor de meeste batterijchemische materialen.
Om consistentie te behouden bij het monitoren van batterijpakketten met een groot aantal cellen,alle cellen kunnen redundant synchroon worden gemeten door middel van dubbele geïntegreerde analoge-digitale omzetters (ADC's)Deze analoge-digitale omzetters (ADC's) werken continu met een hoge steekproefsnelheid van 4,096 mega-samples per seconde (MSPS).het gebruik van externe analoge filters verminderen en aliasingvrije meetresultaten bereikenIndien nodig kan een aanvullende geluidsreductie worden bereikt door middel van programmabele eindeloze impulsrespons (IIR) filters.ADES1830 en ADES1831 hebben ook een passieve balanceringsfunctie - bereikt door onafhankelijke pulsbreedte-modulatie (PWM) -controle van de werkcyclus, en een ontladingsstroom van maximaal 300 mA per cel ondersteunen.
Hoewel een enkel ADES1830- of ADES1831-apparaat slechts 16 cellen in serie ondersteunt, kunnen meerdere apparaten cascaderend worden gebruikt om tegelijkertijd de cellen van een lange reeks hoogspanningsbatterijen te controleren.Om de onderlinge verbinding tussen de IC-chips te bereiken, elk apparaat is uitgerust met een geïsoleerde seriële poortinterface (isoSPI),die elektrisch is geïsoleerd via door de gebruiker geselecteerde condensatoren of transformatoren om langeafstands-hoge-snelheidscommunicatie te bereiken die bestand is tegen radiofrequente interferentie.
Door middel van deze methode kan een enkele hoofdprocessorverbinding gegevens lezen en de hele batterijstring monitoren.het waarborgen van de gegevensintegriteit, zelfs in geval van storingen van het communicatiepad.
Om de toepasbaarheid van deze multicel detectoren te optimaliseren, heeft Analog Devices het EV-ADES1830CCSZ-evaluatiebord gelanceerd (figuur 2, links).via de isoSPI-interface kunnen meerdere evaluatieborden worden aangesloten om een lange reeks cellen in het batterijpakket te monitoren (rechts van figuur 2).