Akumulatory ładowalne są podstawowymi elementami systemów magazynowania energii w bateriach (BESS).,W przypadku projektantów systemów zarządzania bateriami (BMS)Ta konstrukcja konstrukcyjna stoi przed wieloma wyzwaniami w osiąganiu optymalnej wydajności, wydajności, niezawodności i bezpieczeństwa.
Na przykład projektowanie lub wybór układów scalonych (IC), które spełniają wymagania aplikacji, wymaga głębokiego zrozumienia chemii baterii, ładowania, monitorowania, bilansującego obciążenie, izolacji,bezpieczeństwo, oraz technologii komunikacyjnych w celu zapewnienia skutecznego wdrażania.
W tym celu dostawcy zintegrowali wiele niezbędnych funkcji z dedykowanymi układami scalonymi, które są zasadniczo niezależne od procesorów.Wiele modeli tego typu układów IC nie tylko obsługuje wiele systemów chemicznych baterii na bazie litu, ale są również kompatybilne z ogniwami baterii litowych.te rodzaje układów integracyjnych dostarczają również danych do procesora systemu w odniesieniu do stanu ogniw baterii i stanu eksploatacji.
W tym artykule przedstawione zostaną w skrócie wyjątkowe wymagania techniczne wielokomórkowych grup.wprowadzić zaawansowane specjalistyczne zoptymalizowane układy integracyjne Analog Devices i opracować sposób wykorzystania tych układów integracyjnych w celu spełnienia powyższych wymagań.
Wielokrotne ogniwa baterii będą wiązać się z większymi wyzwaniami
Podstawowy schemat obwodu akumulatora może wydawać się prosty,ale w rzeczywistości zawiera wiele ogniw akumulatorów które uzyskują wyższe napięcie poprzez połączenie seryjne i większy prąd poprzez połączenie równoległeOznacza to, że takie konfiguracje są tylko prostym rozszerzeniem zestawów baterii jednokomórkowych/kilku komórkowych, nie wymagających niemal żadnego dodatkowego zarządzania.Ten zestaw baterii wielocząsteczkowej jest odpowiedni dla narzędzi elektrycznych, które wymagają 18V lub 48V, pojazdów elektrycznych (EV), które wymagają 400 lub 800 V, oraz systemów BESS, które zazwyczaj wymagają 1500 V.
W rzeczywistości te większe akumulatory są o wiele bardziej szczegółowe i złożone, niż to, co pokazano na ich wykresach.trudności w rozwiązywaniu tych wyzwań rosną w sposób wykładniczy.
Po pierwsze, konieczne jest monitorowanie ogniwa akumulatora w celu śledzenia napięcia końcowego, krzywej rozładowania ładunku, stanu ładowania (SoC), temperatury i cech prekursora usterki.konieczne jest jednolite zarządzanie różnymi ogniwami baterii oraz rejestrowanie i uwzględnianie ich różnic..
Brak uniwersalnego zestawu zasad jeszcze bardziej zwiększy złożoność zarządzania ogniwami akumulatorowymi.odpowiedniość przyjętej strategii zarządzania zależy od właściwości chemicznych ogniw akumulatorowychStrategie zarządzania przyjęte dla różnych głównych systemów chemicznych różnią się (np. baterie litowo-jonowe (Li-ion) i ołowio-kwasowe),i w ramach tego samego uogólnionego systemu chemicznego (takich jak różne formuły akumulatorów litowo-jonowych)Dlatego zaawansowane strategie zarządzania BMS muszą być dostosowane do właściwości chemicznych zarządzanych ogniw baterii.
Ze względu na dużą liczbę ogniw akumulatorowych zawartych w akumulatorach wysokonapięciowych i o dużej pojemności, które muszą spełniać liczne normy bezpieczeństwa,monitorowanie i zarządzanie lokalnymi ogniwami baterii jest obecnie najbardziej wykonalnym rozwiązaniem inżynieryjnymChociaż system jest zwykle wyposażony w procesor główny,zazwyczaj może wydawać jedynie zaawansowane instrukcje regulacyjne dotyczące lokalnego monitorowania ogniw i oceny ogólnej wydajności zestawu baterii. 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.
Aktywne i pasywne równoważenie baterii
Równowaga komórkowa jest szczególnie ważna dla utrzymania integralności wielu grup komórkowych, zapewniając, że niektóre komórki nie ulegną uszkodzeniu w wyniku przeciążenia,i zapobieganie pozostałym akumulatorom w stanie jałowym z powodu niskiego wykorzystaniaRównoważenie komórek zapewnia, że wszystkie komórki w zestawie baterii osiągają maksymalną pojemność jednocześnie.zapobieganie nadmiernym opłatom, brak równowagi SoC, przeładowanie i przedwczesne starzenie się, co ostatecznie wydłuża żywotność baterii.
Istnieją dwie metody równoważenia komórek: aktywne i pasywne.Aktywne równoważenie wykorzystuje technologię aktywnego obwodu do redystrybucji ładunku między każdą komórką w zestawie baterii, zapewniając, że SoC wszystkich komórek pozostaje spójny.Ten obwód monitoruje napięcie każdej komórki akumulatorowej i odpowiednio dostosowuje prądy ładowania i rozładowania w oparciu o wyniki monitorowania.
W przeciwieństwie do tego, pasywne równoważenie opiera się na prawie Ohma i rezystorach równoważeniowych, aby dostosować ogniwo do tego samego stanu SoC.równoważenie pasywne może również rozpraszać nadmiar energii (marnotrawstwo) w komórkach akumulatorów o wysokiej mocy.
Początek monitorowania wielokomórkowego
Chociaż na rynku istnieje już duża liczba rozwiązań ESS, dwie podstawowe podstawowe funkcje BMS nadal polegają na monitorowaniu i równoważeniu ogniw baterii.Układ IC ADES1830CCSZ pokazany na rysunku 1, jako 16-kanałowy, wielokomórkowy, wielochemiczny system monitorowania baterii, nie tylko osiąga powyższe funkcje,Zapewnia również wiele kluczowych funkcji, które ułatwiają ogólne projektowanie i obsługę systemu..
Monitor komórkowy ADES1830CCSZ urządzeń analogowych z wieloma komórkami i systemami chemicznymi (kliknij aby powiększyć)
Rysunek 1: Monitor komórkowy ADES1830CCSZ z wieloma komórkami i wieloma systemami chemicznymi jest używany jako podstawowy blok budowlany kompleksowego BMS. (źródło obrazu: Analog Devices)
Ten monitor wielokomórkowy może mierzyć do 16 szeregowo podłączonych ogniw, przy całkowitym błędzie pomiarowym (TME) mniejszym niż 2 mV w całym zakresie temperatur;podczas gdy TME innych ADES1831CCSZ o tych samych specyfikacjach jest nieco wyższyZakres wejścia pomiarowego od -2 V do 5,5 V sprawia, że systemy ADES1830 i ADES1831 nadają się do większości materiałów chemicznych do akumulatorów.
Aby utrzymać spójność podczas monitorowania zestawów baterii zawierających dużą liczbę ogniw,wszystkie ogniwa mogą być redundantnie mierzone synchronicznie za pomocą podwójnych zintegrowanych konwerterów analogowo-cyfrowych (ADC)Konwertery analogowo-cyfrowe (ADC) działają nieprzerwanie przy wysokiej prędkości pobierania próbek 4,096 megasampli na sekundę (MSPS).zmniejszając w ten sposób wykorzystanie zewnętrznych filtrów analogowych i osiągając wyniki pomiarów wolne od aliasingW razie potrzeby dodatkowe zmniejszenie hałasu można osiągnąć poprzez programowalne filtry nieskończonej odpowiedzi impulsowej (IIR).ADES1830 i ADES1831 posiadają również funkcję biernego równoważenia - osiągniętą poprzez niezależną modulację szerokości impulsu (PWM) i kontrolę cyklu pracy, i obsługują prąd rozładowy do 300 mA na ogniwo.
Chociaż pojedyncze urządzenie ADES1830 lub ADES1831 obsługuje tylko 16 komórek w serii, wiele urządzeń może być podłączonych do jednoczesnego monitorowania komórek długotrwałego zestawu akumulatorów wysokonapięciowych.Aby osiągnąć połączenie między chipami IC, każde urządzenie jest wyposażone w izolowany interfejs portu seryjnego (isoSPI),który jest elektrycznie izolowany za pomocą kondensatorów lub transformatorów wybranych przez użytkownika w celu osiągnięcia komunikacji dużych prędkości na duże odległości, która może wytrzymać zakłócenia częstotliwości radiowych.
Dzięki tej metodzie pojedyncze połączenie głównego procesora może odczytywać dane i monitorować cały ciąg baterii.zapewnienie integralności danych nawet w przypadku awarii ścieżki komunikacyjnej.
W celu optymalizacji zastosowania tych wykrywaczy wielokomórkowych firma Analog Devices uruchomiła tablicę oceny EV-ADES1830CCSZ (rysunek 2 po lewej stronie).wiele płyt oceny można podłączyć za pośrednictwem interfejsu isoSPI w celu monitorowania długiego łańcucha ogniw w zestawie baterii (po prawej stronie rysunku 2).