Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες αποτελούν τα θεμελιώδη συστατικά των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας (BESS).,Για τους σχεδιαστές συστημάτων διαχείρισης μπαταριών (BMS), το σύστημα αυτό είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας.Αυτή η δομή σχεδιασμού αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις για την επίτευξη βέλτιστων επιδόσεων, αποτελεσματικότητα, αξιοπιστία και ασφάλεια.
Για παράδειγμα, ο σχεδιασμός ή η επιλογή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC) που πληρούν τις απαιτήσεις εφαρμογής απαιτεί βαθιά κατανόηση της χημείας της μπαταρίας, της φόρτισης, της παρακολούθησης, της εξισορρόπησης φορτίου, της απομόνωσης,ασφάλεια, και των τεχνολογιών επικοινωνίας για να εξασφαλιστεί η αποτελεσματική εφαρμογή.
Για τον σκοπό αυτό, οι προμηθευτές έχουν ενσωματώσει πολλές απαραίτητες λειτουργίες σε ειδικά διακεκομμένα διαμετρήματα, τα οποία είναι ουσιαστικά ανεξάρτητα από τους επεξεργαστές.Πολλά μοντέλα αυτού του τύπου IC δεν υποστηρίζουν μόνο πολλαπλά συστήματα χημικών μπαταριών με βάση το λίθιοΤο IC αυτό συλλέγει δεδομένα από κυψέλες μπαταρίας και λαμβάνει βέλτιστες αποφάσεις και ενέργειες διαχείρισης μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο.Οι εν λόγω τύποι διακόπτων διακυβέρνησης παρέχουν επίσης δεδομένα στον επεξεργαστή συστήματος σχετικά με την κατάσταση των κυψελών μπαταρίας και την κατάσταση λειτουργίας..
Αυτό το άρθρο θα παρουσιάσει εν συντομία τις μοναδικές τεχνικές απαιτήσεις των ομάδων πολυκύτταρων.να εισαγάγει προηγμένα εξειδικευμένα βελτιστοποιημένα IC της Analog Devices και να επεξεργαστεί πώς να χρησιμοποιηθούν αυτά τα IC για να ανταποκριθούν στις παραπάνω απαιτήσεις..
Πολλαπλά κύτταρα μπαταρίας θα φέρουν περισσότερες προκλήσεις
Το βασικό διάγραμμα κυκλώματος μιας μπαταρίας μπορεί να φαίνεται απλό,αλλά στην πραγματικότητα περιλαμβάνει πολλαπλά κύτταρα μπαταρίας που λαμβάνουν υψηλότερη τάση μέσω σειράς σύνδεσης και μεγαλύτερο ρεύμα μέσω παράλληλης σύνδεσηςΑυτό σημαίνει ότι τέτοιες διαμορφώσεις είναι απλώς μια απλή επέκταση των συσκευών μπαταρίας με ένα ή λίγα κύτταρα, χωρίς σχεδόν καμία πρόσθετη διαχείριση.Αυτή η μπαταρία πολλαπλών κυψελών είναι κατάλληλη για ηλεκτρικά εργαλεία που απαιτούν 18V ή 48V, ηλεκτρικά οχήματα (EV) που απαιτούν 400V ή 800V και συστήματα BESS που απαιτούν συνήθως 1500V.
Η πραγματική κατάσταση αυτών των μεγαλύτερων πακέτων μπαταριών είναι ότι οι λεπτομέρειες και η πολυπλοκότητά τους υπερβαίνουν κατά πολύ αυτό που φαίνεται στα διαγράμματα των κυκλωμάτων τους.Η δυσκολία αντιμετώπισης αυτών των προκλήσεων αυξάνεται εκθετικά.
Πρώτον, είναι απαραίτητο να παρακολουθείται το κύτταρο μπαταρίας για να παρακολουθείται η τερματική τάση, η καμπύλη εκφόρτισης φόρτισης, η κατάσταση φόρτισης (SoC), η θερμοκρασία και τα χαρακτηριστικά των προκατόχων σφαλμάτων.είναι απαραίτητο να διαχειρίζονται τα διαφορετικά κύτταρα μπαταρίας ομοιόμορφα και να καταγράφουν και να λαμβάνουν υπόψη τις διαφορές τους..
Αν δεν υπάρχει ένα καθολικό σύνολο κανόνων, θα αυξηθεί περαιτέρω η πολυπλοκότητα της διαχείρισης των κυψελών μπαταρίας.η καταλληλότητα της υιοθετημένης στρατηγικής διαχείρισης εξαρτάται από τα χημικά χαρακτηριστικά των κυψελών μπαταρίαςΟι στρατηγικές διαχείρισης που υιοθετούνται για τα διάφορα μεγάλα χημικά συστήματα διαφέρουν (όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) και οι μπαταρίες μολύβδου-ξέος),και εντός του ίδιου γενικευμένου χημικού συστήματος (όπως διάφορες παρασκευές μπαταριών ιόντων λιθίου)Επομένως, οι προηγμένες στρατηγικές διαχείρισης BMS πρέπει να προσαρμόζονται στα χημικά χαρακτηριστικά των κυψελών μπαταρίας που διαχειρίζονται.
Λόγω του μεγάλου αριθμού κυψελών μπαταρίας που περιέχονται σε μπαταρίες υψηλής τάσης και μεγάλης χωρητικότητας, οι οποίες πρέπει να πληρούν πολυάριθμα πρότυπα ασφάλειας,Η παρακολούθηση και διαχείριση των τοπικών κυψελών μπαταρίας είναι επί του παρόντος η πιο εφικτή λύση μηχανικήςΑν και το σύστημα είναι συνήθως εξοπλισμένο με έναν κύριο επεξεργαστή,μπορεί συνήθως να εκδίδει μόνο προηγμένες κανονιστικές οδηγίες για την τοπική παρακολούθηση των κυψελών και την αξιολόγηση της συνολικής απόδοσης της μπαταρίας. 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.
Παθητική και ενεργή εξισορρόπηση μπαταρίας
Η κυτταρική ισορροπία είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διατήρηση της ακεραιότητας πολλαπλών κυτταρικών ομάδων, εξασφαλίζοντας ότι ορισμένα κύτταρα δεν καταστρέφονται λόγω υπερφόρτωσης,και αποφεύγοντας άλλες μπαταρίες από το να είναι αδρανής λόγω της χαμηλής χρησιμοποίησηςΗ εξισορρόπηση των κυψελών μπορεί να αποτρέψει τη βλάβη των κυψελών και των μπαταριών, μεγιστοποιώντας έτσι τις επιδόσεις.αποφυγή υπερφόρτισης, ανισορροπία SoC, υπερφόρτιση, και πρόωρη γήρανση, τελικά επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Υπάρχουν δύο μέθοδοι εξισορρόπησης κυττάρων: ενεργός και παθητικός εξισορρόπηση.Η ενεργός εξισορρόπηση χρησιμοποιεί την ενεργό τεχνολογία κυκλώματος για να αναδιανέμει το φορτίο μεταξύ κάθε κυψέλης στην μπαταρία, διασφαλίζοντας ότι το SoC όλων των κυψελών παραμένει συνεπές.Αυτό το κύκλωμα παρακολουθεί την τάση κάθε κυψέλης μπαταρίας και ρυθμίζει ανάλογα τα ρεύματα φόρτισης και φόρτισης με βάση τα αποτελέσματα της παρακολούθησης.
Αντίθετα, η παθητική εξισορρόπηση βασίζεται στον νόμο του Ωμ και στις αντίστοιχες αντοχές εξισορρόπησης για να ρυθμίσει το κύτταρο στην ίδια κατάσταση SoC.Η παθητική εξισορρόπηση μπορεί επίσης να εξαλείψει (απορρίπτει) την υπερβολική ενέργεια σε κυψέλες μπαταρίας υψηλής ισχύος.
Ξεκινώντας από την παρακολούθηση πολλών κυττάρων
Παρόλο που υπάρχουν ήδη στην αγορά μεγάλος αριθμός λύσεων ESS, οι δύο βασικές λειτουργίες front-end του BMS εξακολουθούν να βρίσκονται στην παρακολούθηση και εξισορρόπηση των κυψελών μπαταρίας.Το διακόπτη διασύνδεσης ADES1830CCSZ που απεικονίζεται στο σχήμα 1, ως 16 κανάλια, πολυκύτταρα, πολυχημικό σύστημα ανιχνευτή μπαταρίας, όχι μόνο επιτυγχάνει τις παραπάνω λειτουργίες,αλλά επίσης ενσωματώνει πολλά βασικά χαρακτηριστικά που βοηθούν στην απλούστευση του συνολικού σχεδιασμού και λειτουργίας του συστήματος.
ADES1830CCSZ Μονιτέρ κυψελών με πολλαπλά κύτταρα και χημικά συστήματα (Κάντε κλικ για να μεγαλώσετε)
Σχήμα 1: Το ADES1830CCSZ με πολλαπλά κύτταρα και πολλαπλά χημικά συστήματα χρησιμοποιείται ως βασικό δομικό στοιχείο για ένα ολοκληρωμένο BMS. (Πηγή εικόνας: Analog Devices)
Η συσκευή αυτή μπορεί να μετρά έως και 16 κυψέλες που συνδέονται σε σειρά, με συνολικό σφάλμα μέτρησης (TME) μικρότερο από 2 mV σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών.ενώ το TME άλλων ADES1831CCSZ με τις ίδιες προδιαγραφές είναι ελαφρώς υψηλότεροΤο εύρος εισόδου μέτρησης από -2 V έως 5,5 V καθιστά τα ADES1830 και ADES1831 κατάλληλα για τα περισσότερα χημικά υλικά μπαταριών.
Για να διατηρηθεί η συνέπεια κατά την παρακολούθηση πακέτων μπαταριών που περιέχουν μεγάλο αριθμό κυψελών,όλα τα κύτταρα μπορούν να μετρούνται από επανάληψη συγχρονικά μέσω διπλών ενσωματωμένων μετατροπών αναλογικών σε ψηφιακές (ADC)Αυτοί οι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) λειτουργούν συνεχώς με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας 4,096 mega samples per second (MSPS),μειώνοντας έτσι τη χρήση εξωτερικών αναλογικών φίλτρων και επιτυγχάνοντας αποτελέσματα μέτρησης χωρίς aliasingΕάν είναι απαραίτητο, μπορεί να επιτευχθεί πρόσθετη μείωση του θορύβου μέσω προγραμματιζόμενων ελεγκτών απεριόριστης απόκρισης παλμού (IIR).Τα ADES1830 και ADES1831 έχουν επίσης λειτουργία παθητικής εξισορρόπησης - που επιτυγχάνεται μέσω ανεξάρτητης διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) ελέγχου κύκλου εργασίας, και υποστηρίζουν ρεύμα εκφόρτισης έως και 300 mA ανά κύτταρο.
Παρόλο που μια ενιαία συσκευή ADES1830 ή ADES1831 υποστηρίζει μόνο 16 κύτταρα σε σειρά, πολλές συσκευές μπορούν να συνδυαστούν για να παρακολουθούν ταυτόχρονα τα κύτταρα μιας μακράς σειράς μπαταριών υψηλής τάσης.Για την επίτευξη διασύνδεσης μεταξύ των τσιπ IC, κάθε συσκευή είναι εξοπλισμένη με απομονωμένη διασύνδεση σειριακής θύρας (isoSPI),που είναι ηλεκτρικά απομονωμένο μέσω πυκνωτών ή μετασχηματιστών που επιλέγονται από τον χρήστη για την επίτευξη επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας μεγάλων αποστάσεων που μπορεί να αντισταθεί στις παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων.
Μέσω αυτής της μεθόδου, μια ενιαία σύνδεση κύριας επεξεργαστή μπορεί να διαβάσει δεδομένα και να παρακολουθήσει ολόκληρη τη χορδή της μπαταρίας.διασφάλιση της ακεραιότητας των δεδομένων ακόμη και σε περίπτωση αποτυχίας της διαδρομής επικοινωνίας.
Για να βελτιστοποιηθεί η δυνατότητα εφαρμογής αυτών των πολλαπλών ανιχνευτών κυττάρων, η Analog Devices κυκλοφόρησε το πίνακα αξιολόγησης EV-ADES1830CCSZ (Σχήμα 2, αριστερά).πολλαπλά πίνακα αξιολόγησης μπορούν να συνδεθούν μέσω της διεπαφής isoSPI για την παρακολούθηση μιας μακράς σειράς κυψελών στο πακέτο μπαταριών (στη δεξιά πλευρά του σχήματος 2).