设计更精确的电池管理系统

过去十年来,电池驱动的应用程序已经司空见惯,这些设备需要一定程度的保护,以确保安全使用。电池管理系统监测电池和可能的故障情况,防止电池在可能退化、容量减弱甚至可能损害用户或周围环境的情况下发生故障。电源管理处也有责任提供准确的充电状态和健康状态估计,以确保在电池使用期间获得信息丰富和安全的用户体验。设计一个合适的电源管理处不仅从安全的角度来看是至关重要的,而且对于客户满意度也是至关重要的。

用于低电压或中电压的完整的电源管理系统的主要结构通常由三个集成电路组成:模拟前端(AFE)、单片机(单片机)和燃料表(见图1)。燃料表可以是一个独立的IC,也可以嵌入在单片机中。单片机是电源管理系统的核心部件,在与系统其他部分接口时,从AFE和燃料测量器获取信息。

图1:电源管理处体系结构的框图。

AFE提供的单片机和燃料测量器的电压,温度和电流读数从电池。由于AFE在物理上离电池最近,所以建议AFE也控制断路器,如果发生任何故障,就把电池与系统的其他部分断开。

燃料测量IC从AFE中获取读数,然后使用复杂的电池建模和先进的算法来估计关键参数,如SOH和SOH。类似于AFE,燃料表的一些任务可以包括在单片机代码中;然而,使用专用燃料表IC提供了一些优势:

· 高效设计 :使用专用集成电路运行复杂的燃料测量算法,设计人员可以使用规格较低的单片机,从而降低整体成本和当前的消耗。

· 提高洞察力和安全性 :专用油量表可测量电池组中每一系列电池组合的单独的SOH和SOH,从而能够更精确地测量电池使用寿命的准确性和老化度。这一点很重要,因为电池阻抗和容量随着时间的推移会产生差异,从而导致运行时间和安全性影响。

· 快速上市 :燃料表集成电路在各种情况下都进行了全面测试,并进行了测试。这减少了测试复杂算法的时间和成本,同时也使市场的时间更快。

改进系统服务和SOH的准确性

设计一个精确的bms时的主要目标是为电池组提供一个精确的计算结果(剩余的运行时/范围)和SOH(寿命和状态)。设计人员可能认为,实现这一目标的唯一方法是使用一个非常昂贵的具有精确电池电压测量公差的AFE,但这只是整体计算精度的一个因素。最重要的因素是燃料表电池模型和燃料表算法,其次是AFE为电池电阻计算提供同步电压-电流读数的能力。

燃料表使用其内部算法运行复杂的计算,通过分析这些值与存储在其内存中的特定电池模型的关系,将电压、电流和温度测量转换为SOH输出。电池模型是通过描述电池在不同温度、容量和负载条件下的特性来数学地定义它的开路电压,以及电阻和电容分量。这个模型使燃料表的算法能够根据这些参数在不同的操作条件下的变化来计算出一个最优的OCT。因此,如果燃料表的电池模型或算法不精确,那么无论AFE的测量结果如何精确,计算结果都是不准确的。换句话说,实现一个高精度的燃料表对电源管理处的系统控制系统的准确性影响最大。

电压-电流同步读数

虽然几乎所有的AFES都提供不同的电压和电流,但并不是所有的ACS都为每个电池提供实际的同步电流和电压测量。这种特性称为电压-电流同步读数,使燃料表能够精确估计电池的等效串联电阻(ESR)。由于ESR在不同的操作条件和时间上的变化,实时估计ESR可以提供更准确的OCS估计。

图2显示了同步读取的单极输出误差比不同步读取的误差要低得多,特别是在几个放电周期之后。这些结果是通过 MPF42791 综合了ESR检测和热建模。

图2:同步读取和不同步读取的系统操作系统的错误比较。

直接故障控制

如前所述,AFE在电源管理处发挥的最重要作用是保护管理。当检测到故障时,AFE可以直接控制保护电路,保护系统和电池。有些系统在单片机中实现了故障控制,但这导致了较长的响应时间,并需要来自单片机的更多资源,增加了固件的复杂性。

高级AFES使用他们的ADC读数和用户配置来检测任何故障情况。AFE对故障的反应是打开保护的MOSIFT,以确保真正的硬件保护。还对AFES进行了全面测试,这使其能够简单地保证一个健全的安全系统。这样,单片机就可以作为安全性和健壮性更高的二级保护机制。

MP279X家族融合了两种保护控制形式。这允许设计者选择故障响应和/或保护是否通过AFE或单片机控制。

高级别相对于。低电池保护

在设计一个bms时,重要的是要考虑电池保护断路器放在哪里。一般而言,这些电路是用N-通道最这些断路器可以放在高端(电池的正端)或低端(电池的负端)。

高层架构确保地面总是被很好地引用,这样可以避免出现短路时潜在的安全和通信问题。此外,一个干净的,恒定的连接到GND有助于减少参考信号波动,这是关键的精确单片机操作。

然而,当N-通道MOSIFT的闸门被放置在电池的正端子时,需要比电池组电压更高的电压,这使得设计过程更具挑战性。因此,集成在AFE中的专用充电泵通常用于高层架构,从而增加了整体成本和IC电流消耗。

对于低平面配置,电荷泵是不必要的,因为保护MOSFET是放在电池的负极。然而,由于保护开放时没有非线性参考,因此在低节点配置中实现有效通信更为困难。

MP279X家族使用一个高侧面的架构,它提供了强大的保护,同时最小化BOM。此外,高精度电荷泵控制允许一个N通道MOSFET软连接功能,不需要任何额外的预充电电路,进一步最小化BOM大小和成本。通过缓慢增加保护FET的门电压来实现软启动,允许一小电流通过保护来预充电负载(见图3)。可以对几个参数进行配置,以确保安全过渡,例如最大允许电流,或保护费关闭而不触发故障的时间。

图3:MP279X家庭的软连接方案。

电池平衡以延长电池寿命

为较大系统供电的电池组(例如:,电子自行车或储能器)是由许多系列和平行单元组成的。每个细胞理论上是相同的,但由于制造公差和化学差异,每个细胞的行为往往略有不同。随着时间的推移,由于不同的操作条件和老化,这些差异变得更加显著,通过限制电池的可用容量或潜在的破坏电池,严重影响电池的性能。为了避免这些危险的情况,有必要通过一个叫做细胞平衡的过程来定期地平衡电池电压。

被动平衡是最常见的平衡电池电压的方式,它需要放电最多的电池,直到它们都有相同的电荷。在AFES中,被动的细胞平衡可以在外部或内部实现。外部平衡允许更大的平衡电流,但也增加了BOM(见图4)。

图4:外部细胞平衡的框图。

另一方面,内部平衡并不增加BOM,但由于散热,它一般将平衡电流限制在较低的值(见图5)。在决定内部和外部平衡时,考虑外部硬件的成本和目标平衡电流。

图5:内部细胞平衡的框图。

细胞平衡的另一个重要方面是物理联系。例如,MP279XAFE家族使用相同的针用于电压传感和平衡。这大大降低了IC的尺寸,但意味着连续的电池不能同时平衡,增加了执行电池平衡所需的时间。使用专用的平衡销可以缩短平衡时间,但大大增加IC尺寸和整体成本。

航空安全功能

正如本文所解释的那样,AFE控制系统的保护和故障响应在电源管理系统的设计中是极其重要的。在开启或关闭保护费之前,AFE必须能够发现这些不良条件。

过电压(OV)、过电压(UV)、过电流(OC)、短路(SC)、过温(OT)和过温(UT)故障等电池级和包装级故障均应监测。然而,AFES还可以为某些应用程序提供其他有益的保护和功能。例如,自测试允许IC检测其内部ADC是否故障,从而防止系统测量错误。增强的看门狗计时器功能也确保了在主要单片机没有响应时的健壮性和安全性。

Mp279X家庭 提供以上所列的故障保护,具有高度的可配置性,使用户能够为每个故障定义不同的阈值、脱升时间和滞后。这些设备还依赖于两个不同的比较器对SC和OC故障条件,以最小化响应时间。它们还提供故障自动恢复的配置,这意味着它们可以自动从大多数故障中恢复,而无需从单片机中采取任何行动。

结论

该系统监控电池组以保护电池和系统的其他部分。不合格的电源管理系统不仅降低了系统的安全性,而且还提供了不准确的电池系统操作系统管理。这些不准确性对产品的最终质量有非常重要的影响,因为它们可能导致潜在的危险故障,或负面影响用户体验的故障。为了缓解这些问题,本文解释了设计人员在设计他们的电源管理系统时应该期待和寻找什么。