Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2 сем маг / Нуртазин_5000_010521

.docx
Скачиваний:
1
Добавлен:
16.05.2021
Размер:
704.12 Кб
Скачать

Learn the high-level basics of what role battery management systems (BMSs) play in power design and what components are necessary for their basic functions.

Nowadays, Li-ion batteries reign supreme, with energy densities up to 265 Wh/kg. They do, however, have a reputation of occasionally bursting and burning all that energy should they experience excessive stress. This is why they often require battery management systems (BMSs) to keep them under control.

In this article, we'll discuss the basics of the BMS concept and go over a few foundational parts that make up the typical BMS.

 

Basic BMS Configurations

In Figure 1, we see the basic blocks of how a BMS can look while serving the function of preventing major battery malfunctions. 

Figure 1. A typical BMS block diagram

 

This example BMS can handle four Li-ion cells in series. A cell monitor reads all the cell voltages and evens out the voltage among them: this function is called balancing (more on that later). This is controlled by an MCU that handles telemetry data, as well as switch manipulation and balancing strategy.

In practice, the market offers different solutions for simpler designs, including for single cells with no balancing or MCUs, as shown in Figure 2.

 

Figure 2. A simple battery manager. Image used courtesy of Texas Instruments

 

The downside of these simpler systems is that a designer is bound to what the given part offers (e.g., a high or low side switch) without customization.

When using more cells, a balancing system is needed. Simple schemes that still function without an MCU exists, as shown in Figure 3.

 

Figure 3. An MCU-independent cell balancer. Image used courtesy of Texas Instruments

 

When using bigger battery packs or anything which requires cells in series or a fuel gauge calculation, an MCU is needed. The most integrated (and therefore low cost) solution is the one in Figure 4.

Figure 4. A commercial BMS. Image used courtesy of Renesas

 

This is a BMS that uses an MCU with proprietary firmware running all of the associated battery-related functions.

 

The Building Blocks: Battery Management System Components

Look back at Figure 1 to get an overview of the fundamental parts crucial to a BMS. Now, let's go through the main parts of Figure 4 in a bit more detail to understand the various elements involved in a BMS block diagram.

 

Fuse

When a violent short circuit occurs, the battery cells need to be protected fast. In Figure 5, you can see what's known as a self control protector (SCP) fuse, which is mean to be blown by the overvoltage control IC in case of overvoltages, driving pin 2 to ground.

 

Figure 5. SCP fuse and control of a commercial BMS

 

The MCU can communicate the blown fuse's condition, which is why the MCU power supply has to be before the fuse. 

 

Current Sensing/Coulomb Counting

Here is implemented a low side current measurement, allowing direct connection to the MCU.

 

Figure 6. Typical low current sense of a commercial BMS

 

Keeping a time reference and integrating the current over time, we obtain the total energy entered or exited the battery, implementing a Coulomb counter. In other words, we can estimate the state of charge (SOC, not to be confused with a system-on-chip) by using the following formula:

 

 

where

  • is the initial SOC (in Ah)

  •  is the rated capacity (in Ah)

  •  is the battery current

  • takes into account the cell reaction losses

  •  is the averaging period of the electric current samples

 

Thermistors

Temperature sensors, usually thermistors, are used both for temperature monitor and for safety intervention.

In Figure 7, you can see a thermistor that controls an input of the overvoltage control IC. This artificially blows the SCP (the fuse shown in Figure 5) without MCU intervention.

 

Figure 7. A thermistor can control the SCP, in case of severe thermal problems

 

Figure 8 shows two additional thermistors for telemetry.

Figure 8. Thermistors used by the firmware

 

Main Switch

To act as switches, MOSFETs need their drain-source voltage to be Vds≤Vgs−VthVds≤Vgs−Vth. The electric current in the linear region is Id=k⋅(Vgs−Vth)⋅VdsId=k⋅(Vgs−Vth)⋅Vds, making the resistance of the switch RMOS=1/[k⋅(Vgs−Vth)]RMOS=1/[k⋅(Vgs−Vth)].

It's important to drive the VgsVgs accordingly to ensure low resistance and hence low losses.

 

Figure 9. Battery pack main switch (NMOS, high-side)

 

NMOS types are used also on high side switches through a charge pump, since normally they have lower RMOSRMOS.

 

Balancer

Battery cells have given tolerances in their capacity and impedance. So, over cycles, a charge difference can accumulate among cells in series.

If a weaker set of cells has less capacity, it will charge faster compared to others in series. The BMS has to therefore stop other cells from charging, or else the weaker cells will get overcharged, as seen in Figure 10.

Figure 10. Lower capacity cells impeding pack full charging. Image used courtesy of Analog Devices

 

Conversely, a cell can get discharged faster, risking that cells going under its minimum voltage. In this instance, a BMS without a balancer has to stop the power delivery earlier, as seen in Figure 11.

Figure 11. Lower capacity cells impeding usage of full pack energy. Image used courtesy of Analog Devices

 

A circuit like the one in Figure 12 will discharge the cell with higher SOC (state of charge) as shown in Figure 10 at the level of the other cells in series. This is accomplished by using a passive method of balancing called charge shunting.

 

Figure 12. Example of passive balancing strategy

 

Because current flows through the transistor in the ON state and dissipates through R, and because the voltage reference is CELL1 (a negative pole), only such a cell will discharge its energy excess.

 

 

This article has aimed to introduce the basic concept of a battery management system and introduce the basic components used in their design. Hopefully, you now have a better understanding of what a battery management system is meant to accomplish and how it can be used in a power design. 

If you have additional concepts, you'd like to learn more about regarding BMS design, please leave a comment below.

Изучите общие основы того, какую роль системы управления батареями (BMS) играют в проектировании источников питания и какие компоненты необходимы для их основных функций.

В настоящее время доминируют литий-ионные батареи с плотностью энергии до 265 Втч / кг. Однако они имеют репутацию людей, которые время от времени сжигают всю эту энергию, если испытывают чрезмерный стресс. Вот почему им часто требуются системы управления батареями (BMS), чтобы держать их под контролем.

В этой статье мы обсудим основы концепции BMS и рассмотрим несколько основных частей, составляющих типичную BMS.

Основные конфигурации BMS

На рисунке 1 мы видим основные блоки того, как BMS может выглядеть, выполняя функцию предотвращения серьезных сбоев в работе батареи.

//-//

Рисунок 1. Типичная блок-схема BMS.

В этом примере BMS может работать с четырьмя последовательными литий-ионными батареями. Монитор ячеек считывает все напряжения ячеек и выравнивает напряжение между ними: эта функция называется балансировкой. Это контролируется MCU (микроконтроллер), который обрабатывает данные телеметрии, а также стратегию управления переключателями и балансировки.

На практике рынок предлагает различные решения для более простых конструкций, в том числе для отдельных батарей без балансировки или микроконтроллеров, как показано на рисунке 2.

//-//

Рисунок 2. Простой диспетчер батарей. Изображение предоставлено Texas Instruments

Обратной стороной этих более простых систем является то, что разработчик привязан к тому, что предлагает данная часть (например, переключатель высокого или низкого уровня) без настройки.

При использовании большего количества батарей необходима система балансировки. Существуют простые схемы, которые все еще работают без MCU, как показано на рисунке 3.

//-//

Рисунок 3. Независимый от MCU балансировщик батарей. Изображение предоставлено Texas Instruments

При использовании больших батарейных блоков или чего-либо, что требует последовательных батарей или расчета топливомера, необходим MCU. Наиболее интегрированное (и, следовательно, недорогое) решение показаное на рисунке 4.

//-//

Рисунок 4. Коммерческая BMS. Изображение предоставлено Renesas

Это BMS, в которой используется микроконтроллер с проприетарной прошивкой, на которой выполняются все связанные с аккумулятором функции.

Строительные блоки: компоненты системы управления батареями

Вернитесь к Рисунку 1, чтобы получить обзор основных частей, критически важных для BMS. Теперь давайте рассмотрим основные части рисунка 4 более подробно, чтобы понять различные элементы, задействованные в блок-схеме BMS.

Предохранитель

Когда происходит сильное короткое замыкание, аккумуляторные элементы необходимо быстро защитить. На рисунке 5 вы можете увидеть так называемый предохранитель самоконтроля (SCP), который в случае перенапряжения срабатывает от ИС контроля перенапряжения, переводя контакт 2 на землю.

//-//

Рисунок 5. Предохранитель SCP и управление коммерческой BMS.

MCU может сообщать о состоянии перегоревшего предохранителя, поэтому источник питания MCU должен быть перед предохранителем.

Измерение тока / вычисление кулонов

Здесь реализовано измерение тока слабой стороны, позволяющее напрямую подключаться к MCU.

//-//

Рис. 6. Типичное ощущение низкого тока коммерческой BMS.

Сохраняя привязку ко времени и интегрируя ток во времени, мы получаем полную энергию, поступившую или вышедшую из батареи, используя кулоновский счетчик. Другими словами, мы можем оценить состояние заряда (SOC, не путать с системой на кристалле), используя следующую формулу:

где

- начальное SOC (в Ач)

- номинальная емкость (в Ач)

- ток батареи

- учитывает реакционные потери ячейки

- период усреднения отсчетов электрического тока

Термисторы

Датчики температуры, обычно термисторы, используются как для контроля температуры, так и для обеспечения безопасности.

На рисунке 7 вы можете увидеть термистор, который управляет входом ИС контроля перенапряжения. Это искусственно взрывает SCP (предохранитель, показанный на рисунке 5) без вмешательства MCU.

//-//

Рис. 7. Термистор может управлять SCP в случае серьезных тепловых проблем.

На рисунке 8 показаны два дополнительных термистора для телеметрии.

//-//

Рисунок 8. Термисторы, используемые прошивкой.

Главный переключатель

Чтобы работать в качестве переключателей, полевые МОП-транзисторы должны иметь напряжение сток-исток Электрический ток в линейной области равен делая сопротивление переключателя

Важно вести соответственно, чтобы обеспечить низкое сопротивление и, следовательно, низкие потери.

//-//

Рисунок 9. Главный выключатель аккумуляторной батареи (NMOS, сторона высокого напряжения).

Типы NMOS используются также на переключателях с высокой стороны через зарядный насос, так как обычно они имеют более низкий .

Стабилизатор

Батарейные элементы имеют допуски по емкости и сопротивлению. Таким образом, в течение циклов между последовательно соединенными ячейками может накапливаться разница зарядов.

Если более слабый набор элементов имеет меньшую емкость, он будет заряжаться быстрее по сравнению с другими, подключенными последовательно. Таким образом, BMS должна останавливать зарядку других ячеек, иначе более слабые элементы будут перезаряжены, как показано на рисунке 10.

//-//

Рис. 10. Ячейки меньшей емкости препятствуют полной зарядке блока. Изображение любезно предоставлено Analog Devices

И наоборот, элемент может разряжаться быстрее, рискуя тем, что элементы окажутся под минимальным напряжением. В этом случае BMS без балансира должна прекратить подачу мощности раньше, как показано на рисунке 11.

//-//

Рисунок 11. Ячейки меньшей емкости, препятствующие использованию полной энергии блока. Изображение любезно предоставлено Analog Devices

Схема, подобная показанной на рисунке 12, будет разряжать элемент с более высоким SOC (состоянием заряда), как показано на рисунке 10, на уровне других последовательно соединенных ячеек. Это достигается за счет использования пассивного метода балансировки, называемого шунтированием заряда.

//-//

Рисунок 12. Пример стратегии пассивной балансировки.

Поскольку ток течет через транзистор во включенном состоянии и рассеивается через резистор R, а опорным напряжением является CELL1 (отрицательный полюс), только такая ячейка будет разряжать избыток энергии.

Цель этой статьи - представить базовую концепцию системы управления батареями и познакомить с основными компонентами, используемыми в их конструкции. Надеюсь, теперь вы лучше понимаете, для чего предназначена система управления батареями и как ее можно использовать в конструкции электропитания.

Если у вас есть дополнительные концепции, о которых вы хотели бы узнать больше о дизайне BMS, оставьте комментарий ниже.