Kaynak: elektroniktasarım.com
Pil-Yönetim-Sistem Mimarisi
Bir pil yönetim sistemi (BMS) tipik olarak, kesme alanı etkisi vericileri (FET'ler), yakıt göstergesi monitörü, hücre voltajı monitörü, hücre voltajı dengesi, gerçek zamanlı saat, sıcaklık monitörleri ve bir durum makinesi(Şek. 1). Çeşitli BMS IC türleri mevcuttur.
İşlevsel blokların gruplandırılması, dengeleme ve izleme sunan ve bir mikro denetleyici gerektiren ISL94208 gibi basit bir analog ön uçtan, özerk olarak çalışan bağımsız bir entegre çözüme (örneğin, ISL94203) kadar geniş ölçüde değişiklik gösterir. Şimdi her bloğun arkasındaki amacı ve teknolojiyi, ayrıca her teknolojinin artılarını ve eksilerini inceleyelim.
Kesinti FET'leri ve FET Sürücüsü
Bir FET sürücüsü işlevsel bloğu, pil takımının yük ile şarj cihazı arasındaki bağlantısından ve izolasyonundan sorumludur. FET sürücüsünün davranışı, pil hücresi voltajlarından, akım ölçümlerinden ve gerçek zamanlı algılama devresinden yapılan ölçümlere dayanır. Şekil 2, yük ve şarj cihazı ile pil takımı arasındaki iki farklı FET bağlantısını göstermektedir.
Şekil 2A, pil paketine en az sayıda bağlantı gerektirir ve pil paketi çalışma modlarını şarj, deşarj veya uyku ile sınırlar. Mevcut akış yönü ve belirli bir gerçek zamanlı testin davranışı, cihazın durumunu belirler.
2. Yük ve şarj cihazı (A) arasındaki tek bağlantı için kesme FET şemaları ve aynı anda şarj ve deşarja izin veren iki terminalli bağlantı (B) gösterilmektedir.
Örneğin, ISL94203, kesme FET'lerinin sağ tarafındaki voltajı izleyen bir kanal monitörüne (CHMON) sahiptir. Bir şarj cihazı bağlıysa ve pil takımı ondan izole edilmişse, pil takımına verilen akım, voltajın şarj cihazının maksimum besleme voltajına yükselmesine neden olacaktır. CHMON'daki voltaj seviyesi tetiklenir, bu da BMS cihazının bir şarj cihazının mevcut olduğunu bilmesini sağlar. Bir yük bağlantısını belirlemek için, bir yükün mevcut olup olmadığını belirlemek için yüke bir akım enjekte edilir. Akım enjekte edilirken pimdeki voltaj önemli ölçüde artmazsa, sonuç bir yükün mevcut olduğunu belirler. FET sürücüsünün DFET'i açılır. Şekil 2B'deki bağlantı şeması, pil takımının şarj olurken çalışmasına izin verir.
FET sürücüleri, bir pil takımının yüksek veya alçak tarafına bağlanacak şekilde tasarlanabilir. Yüksek taraf bağlantısı, NMOS FET'leri etkinleştirmek için bir şarj pompası sürücüsü gerektirir. Yüksek taraf sürücüsü kullanırken, devrenin geri kalanı için sağlam bir toprak referansı sağlar. Düşük taraf FET sürücü bağlantıları, bir şarj pompasına ihtiyaç duymadıkları için maliyeti azaltmak için bazı entegre çözümlerde bulunur. Ayrıca daha büyük bir kalıp alanı tüketen yüksek voltajlı cihazlar gerektirmezler. Düşük taraftaki kesme FET'lerini kullanmak, pil takımının toprak bağlantısını yüzdürerek ölçüme enjekte edilen gürültüye karşı daha duyarlı hale getirir. Bu, bazı IC'lerin performansını etkiler.
Yakıt Göstergesi/Akım Ölçümleri
Yakıt göstergesi işlevsel bloğu, pil paketine giren ve çıkan şarjın kaydını tutar. Yük, akım ve zamanın ürünüdür. Bir yakıt göstergesi tasarlarken birkaç farklı teknik kullanılabilir.
Bir akım algılama amplifikatörü ve gömülü düşük çözünürlüklü analogdan dijitale dönüştürücüye (ADC) sahip bir MCU, bir akım ölçüm yöntemidir. Yüksek ortak modlu ortamlarda çalışan akım algılayıcı amplifikatör, sinyali yükselterek daha yüksek çözünürlüklü ölçümler sağlar. Ancak bu tasarım tekniği dinamik aralığı feda ediyor.
Diğer teknikler, yüksek çözünürlüklü bir ADC veya maliyetli bir yakıt göstergesi IC kullanır. Yük davranışının zamana karşı mevcut tüketimini anlamak, en iyi yakıt göstergesi tasarımı türünü belirler.
En doğru ve uygun maliyetli çözüm, düşük ofset ve yüksek ortak mod derecesine sahip 16 bit veya daha yüksek bir ADC kullanarak bir algılama direnci üzerindeki voltajı ölçmektir. Yüksek çözünürlüklü bir ADC, hız pahasına geniş bir dinamik aralık sunar. Pil, elektrikli araç gibi düzensiz bir yüke bağlıysa, yavaş ADC, yüke iletilen yüksek büyüklükte ve yüksek frekanslı akım artışlarını kaçırabilir.
Düzensiz yükler için, belki bir akım algılama amplifikatörü ön ucuna sahip bir ardışık-yaklaşık-kayıt (SAR) ADC'si daha arzu edilebilir. Herhangi bir ofset hatası, pil şarj miktarındaki genel hatayı etkiler. Zaman içindeki ölçüm hataları, önemli şarj durumu pil paketi hatalarına neden olur. Şarjı ölçerken 16 bit çözünürlükte 50 µV veya daha düşük bir ölçüm ofseti yeterlidir.
Hücre Voltajı ve Pil Ömrünü En Üst Düzeye Çıkarma
Bir pil paketindeki her hücrenin hücre voltajını izlemek, genel sağlığını belirlemek için çok önemlidir. Tüm hücreler, düzgün çalışmayı ve pil ömrünü sağlamak için şarj/deşarjın gerçekleşmesi gereken bir çalışma voltajı penceresine sahiptir. Bir uygulama lityum kimyasına sahip bir pil kullanıyorsa, çalışma voltajı tipik olarak 2,5 ile 4,2 V arasında değişir. Voltaj aralığı kimyaya bağlıdır. Pilin voltaj aralığı dışında çalıştırılması, hücrenin ömrünü önemli ölçüde azaltır ve onu kullanışsız hale getirebilir.
Hücreler, bir pil takımı oluşturmak için seri ve paralel olarak bağlanır. Paralel bağlantı, pil takımının mevcut sürücüsünü artırırken, seri bağlantı toplam voltajı artırır. Bir hücrenin performansının bir dağılımı vardır: Sıfıra eşit zamanda, pil paketi hücresinin şarj ve deşarj oranları aynıdır. Her hücre, şarj ve deşarj arasında geçiş yaparken, her hücrenin şarj ve deşarj oranları değişir. Bu, bir pil paketi boyunca yayılmış bir dağılımla sonuçlanır.
Bir pil takımının şarjlı olup olmadığını belirlemenin basit bir yolu, her hücrenin voltajını belirli bir voltaj seviyesine kadar izlemektir. Voltaj sınırına ulaşan ilk hücre voltajı, pil paketi şarj sınırını açar. Ortalamadan daha zayıf bir pil takımı, en zayıf hücrenin önce sınıra ulaşmasına neden olarak hücrelerin geri kalanının tamamen şarj olmasını engeller.
Açıklandığı gibi bir şarj şeması, şarj başına pil paketi AÇIK süresini maksimize etmez. Şarj düzeni, daha fazla şarj ve deşarj döngüsü gerektirdiğinden pil takımının ömrünü kısaltır. Daha zayıf bir hücre daha hızlı boşalır. Deşarj döngüsünde de meydana gelir; daha zayıf olan hücre önce deşarj limitini açar ve hücrelerin geri kalanında şarj kalır.
Pil paketi şarjı başına AÇIK süresini iyileştirmenin iki yolu vardır. Birincisi, şarj döngüsü sırasında şarjı en zayıf hücreye yavaşlatmaktır. Bu, hücre boyunca bir akım sınırlama direncine sahip bir baypas FET'i bağlayarak elde edilir.(Şekil 3A). En yüksek akıma sahip hücreden akım alarak hücre şarjını yavaşlatır. Sonuç olarak, diğer pil takımı hücreleri yetişebilir. Nihai hedef, tüm hücrelerin aynı anda tam şarj sınırına ulaşmasını sağlayarak pil paketinin şarj kapasitesini en üst düzeye çıkarmaktır.
3. Bypass hücre dengeleme FET'leri, şarj döngüsü (A) sırasında bir hücrenin şarj oranını yavaşlatmaya yardımcı olur. Aktif dengeleme, deşarj döngüsü sırasında güçlü bir hücreden yük çalmak ve yükü zayıf bir hücreye vermek için kullanılır (B).
İkinci yöntem, bir şarj-yer değiştirme şeması uygulayarak pil takımını deşarj döngüsünde dengelemektir. Alfa hücresinden endüktif kuplaj veya kapasitif depolama yoluyla yük alarak ve depolanan yükü en zayıf hücreye enjekte ederek elde edilir. Bu, en zayıf hücrenin deşarj sınırına ulaşması için geçen süreyi yavaşlatır, aksi takdirde aktif dengeleme olarak bilinir.(Şekil 3B).
Sıcaklık İzleme
Günümüzün pilleri, sabit bir voltajı korurken çok fazla akım sağlar. Bu, pilin alev almasına neden olan bir kaçak durumuna yol açabilir. Bir pili oluşturmak için kullanılan kimyasallar oldukça uçucudur; doğru nesneyle delinmiş bir pil, pilin alev almasına da neden olabilir. Sıcaklık ölçümleri sadece güvenlik için kullanılmaz, aynı zamanda bir pilin şarj edilmesinin veya deşarjının istenip istenmediğini de belirleyebilirler.
Sıcaklık sensörleri, enerji depolama sistemi (ESS) uygulamaları için her hücreyi veya daha küçük ve daha taşınabilir uygulamalar için bir grup hücreyi izler. Dahili bir ADC voltaj referansıyla çalışan termistörler, her devrenin sıcaklığını izlemek için yaygın olarak kullanılır. Ek olarak, dahili bir voltaj referansı, çevresel sıcaklık değişikliklerine karşı sıcaklık okumasının yanlışlıklarını azaltmaya yardımcı olur.
Durum Makineleri veya Algoritmalar
Çoğu BMS sistemi, algılama devresinden gelen bilgileri yönetmek ve ardından alınan bilgilerle kararlar almak için bir mikro denetleyici (MCU) veya alan programlanabilir kapı dizisi (FPGA) gerektirir. ISL94203 gibi belirli cihazlarda, dijital olarak kodlanmış bir algoritma, tek bir çip ile bağımsız bir çözüm sağlar. Bağımsız çözümler, bir MCU ile eşleştirildiğinde de değerlidir, çünkü bağımsızın durum makinesi, MCU saat döngülerini ve bellek alanını boşaltmak için kullanılabilir.
Diğer BMS Yapı Taşları
Diğer işlevsel BMS blokları, pil doğrulama, gerçek zamanlı saat (RTC), bellek ve papatya zinciri içerebilir. RTC ve bellek kara kutu uygulamaları için kullanılır - RTC zaman damgası olarak kullanılır ve bellek veri depolamak için kullanılır. Bu, kullanıcının felaket bir olaydan önce pil takımının davranışını bilmesini sağlar. Pil kimlik doğrulama bloğu, BMS elektroniğinin üçüncü taraf pil paketine bağlanmasını önler. Voltaj referansı/regülatörü, BMS sistemi etrafındaki çevresel devrelere güç sağlamak için kullanılır. Son olarak, istiflenmiş cihazlar arasındaki bağlantıyı basitleştirmek için papatya zinciri devresi kullanılır. Papatya zinciri bloğu, optik kuplörlere veya diğer seviye değiştiren devrelere olan ihtiyacın yerini alır.
