engenheiros de aplicações de campo da ADI

resumo

De iões de lítio (Li-ion) são comumente método de armazenamento de carros eléctricos e carros híbridos utilizado. A bateria fornece a densidade de energia da bateria em toda a arte antes é muito alta, mas se você quiser maximizar o desempenho, é necessário o uso de um sistema de monitoramento de bateria (BMS). BMS avançado não só lhe permite extrair uma grande quantidade de carga da bateria, mas também para gerenciar o ciclo de descarga forma de carregamento e mais seguro, prolongando a vida útil. ADI oferece uma gama completa de BMS combinação de dispositivos, com foco em precisão e operação robusta.

A medição precisa do estado da bateria de carga (SOC) da duração da bateria pode ser estendido ou reduzido peso. Os dispositivos não necessitam de precisão e estabilidade na calibração de fábrica de montagem de placas. Melhorar a segurança dos problemas de estabilidade e garantia evitar a longo prazo. função de auto-diagnóstico ajuda a atingir o apropriado Automotive Integridade de Segurança Nível (ASIL). A bateria é cheio ambiente desafiando interferência electromagnética (EMI), e, portanto, quando se concebe um link de comunicação de dados a um tratamento especial para assegurar a solidez da comunicação entre o sistema de medição e o chip controlador. Cabos e conectores são a principal causa de falha do sistema de bateria, este artigo descreve as soluções sem fio. O design de comunicação sem fio melhora a fiabilidade e reduz o peso total do sistema, aumentando desse modo a quilometragem por carga.

breve introdução

unidade de armazenamento de energia deve ser capaz de fornecer uma grande capacidade e energia pode ser liberada de forma controlada. Se não for controlada adequadamente, o armazenamento e liberação de energia pode causar falha catastrófica da bateria e, finalmente, causar um incêndio. Bateria pode falhar por muitas razões, a maioria deles associados com o uso impróprio. Possível falha ou danos causados por stress mecânico, bem como a profundidade de descarga, sobrecarga, sobrecorrente e formar o stress térmico exibe uma sobrecarga eléctrica. A fim de melhorar a eficiência ea segurança, tanto quanto possível, o sistema de monitorização da bateria é essencial.

A principal função do BMS é por monitorização da quantidade de todos bateria de célula única é mantido na sua área de operação segura (SOA), no qual: a bateria de carga e descarga de corrente, a temperatura da voltagem da célula da bateria e embalagem. Com base nesses valores, não só a operação segura da bateria, e pode ser realizada SOC eo estado de saúde (o SOH) é calculado.

Outra função importante é a de fornecer equilíbrio célula BMS. Na embalagem da bateria, uma única célula pode ser colocado em paralelo ou em série para atingir a capacidade desejada e a tensão de operação (1 kV ou mais acima). Os fabricantes da bateria tentar fornecer a mesma bateria como a bateria, mas isso não é realista fisicamente. Mesmo pequenas diferenças levará a diferentes níveis de carga ou descarga, a bateria mais fraco da bateria irá afetar seriamente o desempenho geral da bateria. balanceamento de célula precisa é uma característica importante da BMS, o que garante que a capacidade máxima do sistema de bateria para o seu funcionamento seguro.

arquitetura BMS

bateria de carro elétrico é composto por várias baterias em série. Uma bateria típica (secção 96 tendo uma série de bateria) vai produzir uma voltagem máxima superior a 400 V durante o carregamento para 4,2 V. Quanto maior for o número de bateria célula-célula, a mais alta tensão a alcançado. Toda a carga e descarga de corrente da bateria são os mesmos, mas a tensão deve ser monitorada em cada célula. A fim de acomodar um grande número de baterias de alta energia necessária sistemas automotivos, tipicamente bateria multi-célula é dividida em vários módulos, dispostos e distribuídos ao longo de todo o espaço disponível do veículo. Um módulo típico 24 tem bateria 10 para ser montado em diferentes configurações para se adequar a uma pluralidade de plataformas de veículos. O design modular como uma base para bateria de grande porte. Ele permite que uma área maior de componentes da bateria foram colocados, e, assim, o uso mais eficaz do espaço.

ADI desenvolveu uma série de monitor de bateria, capaz de medir até a secção de bateria 18 ligadas em série. AD7284 pode medir 8 baterias, células LTC681112 pode ser medida, a secção LTC681318 da bateria pode ser medida. A Figura 1 mostra um maço típico de bateria tem uma bateria 96, é dividido em oito módulos de cada célula 12. No presente exemplo, a secção de monitorização de bateria 12 pode medir LTC6811 IC da bateria. O IC tem uma medição de bateria gama de 0 V até 5 V, a química da bateria adequada para a maioria das aplicações. Uma pluralidade de dispositivos podem ser ligados em série, a fim de monitorar a muito alta tensão de bateria simultaneamente. O dispositivo inclui um equilíbrio passivo de cada bateria. Os dados compilados em ambos os lados da barreira de comutação pelo controlador de sistema, o controlador é responsável pelo cálculo da SOC, célula de equilíbrio de controlo, verificar o SOH, e todo o sistema é mantido dentro de limites seguros.

1. A FIG LTC6811 medição de 12 canais usando o IC, a secção 96 que tem a arquitectura da célula da bateria.

A fim de apoio distribuídas e topologia modular em um ambiente de alta EMI de veículos eléctricos / veículos híbridos, o sistema de comunicação é uma ligação estável é essencial. Isolated bus CAN ea ADI isoSPI fornece uma solução comprovada, adequado para módulos interligados em tal ambiente. Embora um ônibus CAN fornece uma abrangente rede de bateria interligados no módulo aplicações automotivas, mas requer muitos elementos adicionais. Por exemplo, a interface de isoSPI LTC6811 isolado necessidade bus CAN para adicionar um transceptor CAN, um microprocessador e um separador. A principal desvantagem é que esses elementos adicionais de ônibus CAN vai aumentar o espaço de custos e bordo. A Figura 2 mostra uma possível arquitectura baseada em CAN. Neste exemplo, todos os módulos são conectados em paralelo.

interface de dois fios inovador da ADI é uma alternativa à interface de barramento isoSPI CAN. interface de 1isoSPI é integrado em cada um dos LTC6811, o uso de um transformador simples e um par entrançado simples, em vez do bus CAN quatro fios necessário. interface de isoSPI fornece uma interface para um anti-ruído (um sinal de RF de alto nível), com a qual os módulos de interface pode ser, ligando o comprimento do cabo encadeados, e em até uma operação Mbps taxa de dados. A Figura 3 mostra o módulo da CAN baseia isoSPI usando uma arquitetura como porta de entrada.

Ambas as arquitecturas têm vantagens e desvantagens, como mostrado na FIG. 2 e FIG. módulo pode é padronizado módulos, subsistemas podem compartilhar a mesma operação de ônibus e outra CAN; interface de isoSPI é uma interface proprietária, pode se comunicar com o mesmo tipo de dispositivo. Por outro lado, isoSPI transceptor módulo não requer processamento adicional para MCU e pilha de software, de modo que a solução é mais compacto, fácil de usar. Ambas as arquiteturas requerem uma conexão com fio, este tem as desvantagens óbvias em BMS modernos, desde a fiação, o traço fio para diferentes módulos vai se tornar um problema espinhoso, enquanto aumenta o peso e complexidade. O fio também é facilmente absorver o ruído, a necessidade de filtragem adicional.

BMS sem fio

Sem fio BMS é uma arquitetura de romance que elimina os cabos de comunicação. Em BMS sem fios 1, o módulo de interligação de cada realizada por uma ligação sem fios. As vantagens da bateria conexão sem fio com várias células em larga escala são:

Connection menos complexo

isqueiro

menor custo

menor custo

Segurança e maior confiabilidade

Devido à má blindagem EMI e um sinal de RF ambientes de propagação de barreiras de metal, a comunicação sem fio torna-se um problema.

SmartMesh® da ADI incorporado redes sem fio industriais na Internet das Coisas (Internet das coisas) aplicações através de um campo comprovada, pode ser conseguido através do uso de caminhos redundantes e diversidade de freqüência, proporcionando 99,999 por cento de confiabilidade ambientes agressivos industriais, automotivos e outros conexão.

Além de melhorar a fiabilidade através da criação de uma pluralidade de pontos de ligação redundantes, a malha de redes sem fios também se estende a funcionalidade BMS. rede sem fios SmartMesh pode implementar posicionamento flexível do módulo da bateria, e melhorada SOC da bateria e o cálculo SOH. Isto é porque mais dados podem ser recolhidos a partir de sensores montados antes de o local não é adequado para fiação. SmartMesh também fornece um medições dependentes do tempo a partir de cada nó, permitindo assim que a recolha de dados mais precisos. A Fig. 4 mostra uma comparação da Internet com fio e módulo de bateria Internet sem fios.

ADI demonstra primeiro carro da indústria sem fio automotivo BMS conceito, a integração do monitor de bateria LTC6811 e tecnologia de rede ADI SmartMesh nos modelos i3.2 BMW. Este é um grande avanço, espera-se melhorar a confiabilidade do veículo elétrico / veículo elétrico bateria de grande multi-célula híbrida, e reduzir o custo, peso e fiação complexidade.

2. A FIG módulos podem independentes em paralelo.

Figura 3. Pode porta de entrada em série módulos.

A importância da medição precisa

Precisão é uma característica importante da BMS, é essencial para a bateria LiFePO4. 3,4 Para entender a importância deste recurso, consideramos o exemplo na Figura 5. De modo a evitar o sobreaquecimento e descarregar, a célula deve ser mantido entre 10% a 90% da capacidade total. Em baterias de 85 kWh, ele pode ser usado para a capacidade de condução normal de apenas 67,4 kWh. Se o erro de medição é de 5%, a fim de continuar a operação segura da bateria, ela deve ser mantida entre 15-85% da capacidade da bateria. A capacidade total disponível reduzida de 80% para 70%. Se a precisão melhora a 1% (para células LiFePO 4, 1 mV erro de medição do erro SOC é equivalente a 1%), em seguida, a bateria pode agora executada a entre 11% a 89% de capacidade total, um aumento de 8%. Usando a mesma célula e maior precisão de BMS, os automóveis podem ser aumentadas quilometragem por carga.

As especificações da folha de dados projetista de circuitos de precisão da estimativa do circuito de medição da bateria. Outro efeito do mundo real faria normalmente dominam o erro de medição no. Fatores que afetam a precisão da medição incluem:

tolerância inicial

desvio de temperatura

Desvio a longo prazo

umidade

tensão de montagem de PCB

supressão de ruído

Figura 4. Comparação do modo de monitor de bateria interligado.

5. A FIG limite de carga da bateria.

tecnologia de som deve considerar todos esses fatores, a fim de proporcionar um excelente desempenho. a precisão da medição IC é limitada principalmente pela tensão de referência. A tensão de referência é muito sensível a um esforço mecânico. ciclo térmico PCB durante a soldadura produz silício stress. Humidade é uma outra fonte de stress no silício, porque o pacote vai absorver humidade. estresse silício pode ser relaxada ao longo do tempo, conduzindo a derivação a longo prazo da tensão de referência.

Bateria medição IC utilizando uma tensão de referência de banda proibida ou de referência Zener. NPN IC designers para usar emissor colapso quando reversa - junção base de um diodo Zener como uma fonte de tensão de referência. Desagregação ocorre na superfície do chip, porque o efeito de contaminantes e óxido de carga é mais aparente aqui. Estes alto ruído nó, existem imprevisível de curto prazo e de longo prazo deriva. A junção do diodo de Zener é colocado enterrado abaixo da superfície do silício, para longe da camada de óxido e contaminantes. Como resultado, o diodo de Zener possuindo uma excelente estabilidade a longo prazo, de baixo ruído e tolerância inicial relativamente precisa. Portanto, o desempenho excelente referência de tensão diodo Zener em reduzir efeito do mundo real variável no tempo.

série LTC68xx usa fonte de tensão de grau laboratorial de referência Zener do diodo, que é o ADI após 30 anos de melhoria contínua da tecnologia. A Figura 6 mostra o erro deriva de cinco unidade de célula de medição de IC típico com a temperatura. Ao longo do intervalo de temperatura automóvel -40 ° C a + 125 ° C, a deriva de menos do que 1 mV.

A figura 7 compara a longo prazo band gap deriva fonte de tensão de referência de IC e a referência de tensão do diodo do zener enterrado IC. A calibração para o valor da medição inicial é 0 mV. Ao medir a deriva para prever o desvio após 3000 horas a 30 ° C em dez anos. A imagem mostra claramente que com o passar do tempo, a fonte de tensão de referência diodo zener tendo uma melhor estabilidade, aumento de pelo menos 5 vezes maior do que a fonte de tensão de referência de folga de banda. testes de esforço de montagem de placas de humidade e similares mostram que o desempenho do diodo zener enterrado é superior do que a fonte de referência de tensão lacuna da banda.

Relação entre o erro de temperatura e medição 6.LTC6811 FIG.

7. A comparação entre a deriva enterrado díodos zener de longo prazo e fonte de tensão de referência de banda proibida da FIG.

8.ADC gama programável e de resposta do filtro da FIG frequência.

Outro fator limitante é a precisão do ruído. Uma vez que os motores eléctricos de veículos automóveis / híbrido, inversor de energia, conversores DC-DC e outro sistema de comutação de corrente gera interferência electromagnética, e por conseguinte, a bateria do carro para um dispositivo electrónico é um ambiente muito agressivo. BMS precisa ser capaz de fornecer um alto nível de supressão de ruído, a fim de manter a precisão. A filtragem é utilizado para reduzir o ruído indesejado no processo clássico, mas que exige um compromisso entre a redução de ruído e a velocidade de comutação. Por causa da bateria de alta tensão e a necessidade de converter a transmissão, por isso o tempo de conversão não muito longo. Conversor SAR pode ser ideal, mas no sistema multiplex, o estabelecimento de um tempo multiplexados sinal do limite de velocidade. Neste momento, - conversor é uma alternativa eficaz.

ADI IC medido usando - conversor analógico para digital (ADC). Por - ADC, a entrada pode ser amostrado muitas vezes durante o processo de conversão, e em seguida, em média. Os resultados constituem o filtro passa-baixo construído de modo a eliminar as fontes de ruído de erro de medição; frequência de corte é determinado pela taxa de amostragem. LTC6811 usa uma terceira ordem -ADC, uma taxa de amostragem de oito seleccionável programável e frequência de corte. A Figura 8 mostra a resposta do filtro programável oito frequência de corte. Através de todas as 12 células rapidamente completar a medição dentro de um tempo de 290 mS, conseguir o efeito excelente de redução de ruído. O teste de injecção de corrente elevada de 100 mA ruído de RF é acoplada ao fio de ligação da bateria ao IC, o teste exibe o erro de medição é menos do que 3 mV.

Equilibrando a bateria a capacidade da bateria otimizar

fabricados Mesmo com precisão e a seleção de bateria também apresentam diferenças sutis entre eles. Qualquer desequilíbrio entre a capacidade da bateria irá resultar em uma redução da capacidade total da bateria.

Para entender isso melhor, considere um exemplo no qual cada célula é mantida entre 10% a 90% da capacidade total. descarga profunda eficaz ou sobrecarga da vida útil da bateria será encurtada. Assim, BMS fornece protecção de subtensão (UVP) e o circuito de protecção de sobretensão (OVP), a fim de ajudar a evitar tais casos. Quando a capacidade da bateria atinge o valor OVP limite mínimo, o processo de carregamento pára. Neste caso, a outra bateria não está totalmente carregada, e a capacidade de armazenamento da bateria não atingir o máximo permitido. Da mesma forma, quando a bateria atinge um limiar mínimo UVP quantidade de carga, o sistema pára de funcionar. Além disso, a bateria ainda pode ter a energia para alimentar o sistema, mas por razões de segurança, não pode continuar a utilizar a bateria.

Obviamente, o mais fraco da bateria na bateria domina o desempenho de toda a bateria. balanceamento de celular é uma técnica para ajudar a superar este problema através de um equilíbrio entre a tensão eo SOC quando a bateria está totalmente carregada bateria. 5 células equilibrando tecnologia de dois modos: passivo e ativo.

Ao usar o balanceamento passivo, se a bateria for sobrecarregada, excesso de carga será dissipado para o resistor. Tipicamente, a utilização de um circuito de derivação, o qual circuito consiste de uma resistência e um MOSFET de potência para interrupção componentes. Quando a bateria está sobrecarregado, o MOSFET é desligado, o excesso de energia é dissipada no resistor. LTC6811 usar um embutido MOSFET controla cada corrente de carregamento da bateria, equilibrando assim, cada célula ser monitorizada. MOSFET interno permite design compacto, e pode cumprir as exigências atuais de 60 mA. Para maior corrente de carga, um MOSFET externo. O dispositivo também fornece um timer para ajustar o equilíbrio de tempo.

vantagem dissipação é de baixo custo e complexidade técnica. A desvantagem é que a perda de energia é grande e o design térmico mais complicado. Por outro lado, o balanceamento ativo vai redistribuir o excesso de energia entre os outros módulos de bateria. Assim, menos energia do calor pode ser recuperado e produzido. A desvantagem desta técnica é que o projeto de hardware é mais complexa.

9. Módulo de bateria FIG usando a célula activa secção 12 de equilíbrio.

A Figura 9 mostra o balanceamento activo implementado utilizando LT8584. A arquitetura por ativamente desviar a corrente de carga para a bateria e retorna a energia para resolver o problema existente de equalizador shunt passivo. E a perda de energia não ocorre na forma de calor, mas é reutilizado, carregar a bateria nas células restantes. A arquitetura dispositivo também resolve um problema que quando a bateria em uma ou mais baterias na capacidade da bateria esgotada antes de toda a segurança mais baixo atingido o limite de tensão, porque o tempo viajando. Apenas tomar a iniciativa de equilibrar a redistribuição de carga de forte a bateria da bateria fraca. Isso permite que a célula fraco para continuar a alimentar a carga, extraindo assim uma maior percentagem de energia da bateria. topologia flyback permite carga e para trás entre quaisquer dois pontos dentro da bateria. A maioria dos aplicativos cobram voltou para o módulo de bateria (Seção 12 ou mais), outras aplicações será devolvido para carregar toda a bateria, alguns aplicativos voltará a cobrar o trilho de alimentação auxiliar.

conclusão

A chave é baixa emissão veículo elétrico, mas também de energia necessidade (de lítio bateria de iões) gestão inteligente. Se não for adequadamente gerida, a bateria pode se tornar não confiável, reduzindo significativamente a segurança do veículo. ajuda Precision melhorar o desempenho da bateria e vida. balanceamento célula ativa e passiva pode alcançar uma gestão de bateria segura e eficiente. O módulo da bateria é fácil de suportar distribuído, e passa os dados para o controlador BMS estavelmente (quer com ou sem fios) pode ser alcançado de forma fiável calculado SOC e SOH.

Referências

1 Greg Zimmer, "gerenciamento de bateria destaques do sistema sem fio da indústria força motriz para melhorar a confiabilidade," Linear Technology, Fevereiro de 2017.

2 "Wireless BMS concept car", Leão inteligente, de Junho de 2017

3 Michael Kultgen e Jon Munson, "monitor de bateria pilha prolongar de iões de lítio veículo híbrido vida da bateria", LT Magazine, Vol. 19, No. 1, Março de 2009.

4 Mike Kultgen e Greg Zimmer, "o sistema de gestão da bateria de armazenamento de energia maximiza a bateria monitorar a precisão e integridade de dados", ADI Company, 2019.

5 Stephen W. Moore e Peter J. Schneider, "Resumo do método de equalização de iões de lítio e lítio-polímero bateria sistema de bateria", SAE 2001 World Congress, em Março de 2001.

Sobre o autor

Cosimo Carriero ingressou na empresa em 2006 ADI como um campo de aplicações engenheiro para fornecer apoio técnico para a estratégia e clientes-chave. Ele possui um mestrado em física em Milão, Itália Università degli Studi. Suas experiências anteriores incluem: definição (INFN) e desenvolvimento de equipamentos de laboratório de física nuclear, e pequenas empresas para desenvolver sensores e sistemas de automação de fábrica no Instituto Italiano de Física Nuclear, bem como sistema de gerenciamento de energia via satélite, engenheiro de projeto sênior da Thales Alenia Space. Contato: cosimo.carriero@analog.com.