ที่มา:electronicdesign.com
สถาปัตยกรรมระบบการจัดการแบตเตอรี่
ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) โดยทั่วไปประกอบด้วยบล็อกการทำงานหลายแบบ รวมถึงตัวส่งสัญญาณผลกระทบภาคสนาม (FET) ตัวตรวจสอบมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิง ตัวตรวจสอบแรงดันเซลล์ สมดุลแรงดันเซลล์ นาฬิกาตามเวลาจริง ตัวตรวจสอบอุณหภูมิ และ เครื่องรัฐ(รูปที่ 1). มี BMS IC หลายประเภทให้เลือก
การจัดกลุ่มของบล็อคการทำงานนั้นแตกต่างกันอย่างมากจากส่วนหน้าแบบแอนะล็อกอย่างง่าย เช่น ISL94208 ที่ให้การปรับสมดุลและการตรวจสอบ และต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ไปจนถึงโซลูชันแบบบูรณาการแบบสแตนด์อโลนที่ทำงานโดยอัตโนมัติ (เช่น ISL94203) ตอนนี้ เรามาตรวจสอบวัตถุประสงค์และเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังแต่ละบล็อก ตลอดจนข้อดีและข้อเสียของแต่ละเทคโนโลยี
ทางลัด FET และไดรเวอร์ FET
บล็อกการทำงานของไดรเวอร์ FET มีหน้าที่ในการเชื่อมต่อและการแยกแบตเตอรี่ระหว่างโหลดและอุปกรณ์ชาร์จ พฤติกรรมของไดรเวอร์ FET ถูกกำหนดโดยการวัดจากแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ การวัดกระแส และวงจรการตรวจจับแบบเรียลไทม์ รูปที่ 2 แสดงการเชื่อมต่อ FET สองประเภทที่แตกต่างกันระหว่างโหลดและอุปกรณ์ชาร์จ และก้อนแบตเตอรี่
รูปที่ 2A ต้องการการเชื่อมต่อจำนวนน้อยที่สุดกับชุดแบตเตอรี่และจำกัดโหมดการทำงานของชุดแบตเตอรี่ไว้ที่การชาร์จ การคายประจุ หรือโหมดสลีป ทิศทางการไหลปัจจุบันและพฤติกรรมของการทดสอบตามเวลาจริงที่กำหนดสถานะของอุปกรณ์
2. แสดงให้เห็นแผนภาพ FET ที่ตัดการเชื่อมต่อสำหรับการเชื่อมต่อเดี่ยวระหว่างโหลดและเครื่องชาร์จ (A) และการเชื่อมต่อสองขั้วที่ช่วยให้สามารถชาร์จและคายประจุได้พร้อมกัน (B)
ตัวอย่างเช่น ISL94203 มีตัวตรวจสอบช่องสัญญาณ (CHMON) ที่ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่ด้านขวาของ FET ที่ตัด หากเชื่อมต่อเครื่องชาร์จและก้อนแบตเตอรี่ถูกแยกออกจากเครื่องชาร์จ กระแสไฟที่ฉีดไปยังก้อนแบตเตอรี่จะทำให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มเป็นแรงดันไฟสูงสุดของเครื่องชาร์จ ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ CHMON ถูกสะดุด ซึ่งทำให้อุปกรณ์ BMS รู้ว่ามีที่ชาร์จอยู่ เพื่อตรวจสอบการเชื่อมต่อโหลด กระแสจะถูกฉีดเข้าไปในโหลดเพื่อตรวจสอบว่ามีโหลดอยู่หรือไม่ หากแรงดันไฟฟ้าที่พินไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อทำการฉีดกระแส ผลลัพธ์จะเป็นตัวกำหนดว่ามีโหลดอยู่ DFET ของไดรเวอร์ FET จะเปิดขึ้น รูปแบบการเชื่อมต่อในรูปที่ 2B ช่วยให้ก้อนแบตเตอรี่ทำงานขณะชาร์จ
ไดรเวอร์ FET สามารถออกแบบให้เชื่อมต่อกับด้านสูงหรือด้านต่ำของก้อนแบตเตอรี่ การเชื่อมต่อด้านสูงต้องใช้ไดรเวอร์ปั๊มชาร์จเพื่อเปิดใช้งาน NMOS FET เมื่อใช้ไดรเวอร์ด้านสูง จะอนุญาตให้มีการอ้างอิงกราวด์ที่มั่นคงสำหรับส่วนที่เหลือของวงจร พบการเชื่อมต่อไดรเวอร์ FET ด้านต่ำในโซลูชันแบบบูรณาการบางอย่างเพื่อลดต้นทุน เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มชาร์จ พวกเขายังไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงซึ่งใช้พื้นที่ดายที่ใหญ่ขึ้น การใช้ตัวตัด FET ที่ด้านต่ำจะทำให้การเชื่อมต่อกราวด์ของก้อนแบตเตอรี่ลอยตัว ทำให้มีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนที่ฉีดเข้าไปในการวัด สิ่งนี้ส่งผลต่อประสิทธิภาพของไอซีบางตัว
มาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิง/การวัดกระแส
บล็อกการทำงานของมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงจะคอยติดตามการชาร์จที่เข้าและออกจากก้อนแบตเตอรี่ ประจุเป็นผลคูณของกระแสและเวลา สามารถใช้เทคนิคต่างๆ มากมายในการออกแบบมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิง
แอมพลิฟายเออร์สัมผัสกระแสและ MCU ที่มีตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลความละเอียดต่ำ (ADC) ในตัวเป็นวิธีการวัดกระแสวิธีหนึ่ง แอมพลิฟายเออร์ที่รับรู้กระแสซึ่งทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีโหมดทั่วไปสูง จะขยายสัญญาณ ทำให้สามารถวัดค่าที่มีความละเอียดสูงกว่าได้ เทคนิคการออกแบบนี้เสียสละช่วงไดนามิกแม้ว่า
เทคนิคอื่นๆ ใช้ ADC ที่มีความละเอียดสูงหรือ IC เกจวัดเชื้อเพลิงที่มีราคาแพง การทำความเข้าใจพฤติกรรมการใช้น้ำหนักในปัจจุบันเทียบกับเวลาเป็นตัวกำหนดประเภทของการออกแบบมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงที่ดีที่สุด
โซลูชันที่แม่นยำและคุ้มค่าที่สุดคือการวัดแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวต้านทานความรู้สึกโดยใช้ ADC 16 บิตหรือสูงกว่าพร้อมค่าออฟเซ็ตต่ำและระดับโหมดทั่วไปสูง ADC ความละเอียดสูงให้ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่โดยเสียความเร็ว หากแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับโหลดที่ไม่แน่นอน เช่น รถยนต์ไฟฟ้า ADC ที่ช้าอาจพลาดกระแสไฟขนาดใหญ่และความถี่สูงที่ส่งไปยังโหลด
สำหรับการโหลดที่ไม่แน่นอน ADC แบบต่อเนื่องโดยประมาณ (SAR) ที่มีส่วนหน้าของแอมพลิฟายเออร์สัมผัสปัจจุบันอาจเป็นที่ต้องการมากกว่า ข้อผิดพลาดออฟเซ็ตจะส่งผลต่อข้อผิดพลาดโดยรวมของปริมาณการชาร์จแบตเตอรี่ ข้อผิดพลาดในการวัดเมื่อเวลาผ่านไปจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดของก้อนแบตเตอรี่สถานะการชาร์จที่สำคัญ ออฟเซ็ตการวัด 50 µV หรือน้อยกว่าด้วยความละเอียด 16 บิตนั้นเพียงพอเมื่อทำการวัดประจุ
แรงดันไฟของเซลล์และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงสุด
การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่เป็นสิ่งสำคัญในการพิจารณาความสมบูรณ์โดยรวม เซลล์ทั้งหมดมีหน้าต่างแรงดันไฟในการทำงานซึ่งควรชาร์จ/คายประจุเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่เหมาะสม หากแอปพลิเคชันใช้แบตเตอรี่ที่มีสารเคมีลิเธียม แรงดันไฟฟ้าในการทำงานโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงระหว่าง 2.5 ถึง 4.2 โวลต์ ช่วงแรงดันไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับเคมี การใช้งานแบตเตอรี่นอกช่วงแรงดันไฟจะลดอายุการใช้งานของเซลล์ลงอย่างมากและอาจทำให้แบตเตอรี่ไร้ประโยชน์ได้
เซลล์เชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนานกันเพื่อสร้างก้อนแบตเตอรี่ การเชื่อมต่อแบบขนานจะเพิ่มไดรฟ์ปัจจุบันของชุดแบตเตอรี่ ในขณะที่การเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าโดยรวม ประสิทธิภาพของเซลล์มีการกระจาย: ณ เวลาเท่ากับศูนย์ อัตราการชาร์จและคายประจุของเซลล์ชุดแบตเตอรี่จะเท่ากัน เมื่อเซลล์แต่ละเซลล์หมุนเวียนระหว่างประจุและการคายประจุ อัตราการประจุและการปล่อยของแต่ละเซลล์จะเปลี่ยนไป ส่งผลให้มีการกระจายไปทั่วชุดแบตเตอรี่
วิธีง่ายๆ ในการพิจารณาว่ามีการชาร์จแบตเตอรี่หรือไม่คือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์จนถึงระดับแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งไว้ แรงดันไฟเซลล์แรกที่ถึงขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าจะเดินทางถึงขีดจำกัดที่ชาร์จของก้อนแบตเตอรี่ ก้อนแบตเตอรี่เซลล์ที่อ่อนกว่าปกติส่งผลให้เซลล์ที่อ่อนแอที่สุดถึงขีดจำกัดก่อน ทำให้เซลล์ที่เหลือไม่สามารถชาร์จจนเต็มได้
รูปแบบการชาร์จตามที่อธิบายไว้ไม่ได้เพิ่มเวลาเปิดเครื่องของแบตเตอรี่ให้สูงสุดต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง รูปแบบการชาร์จจะลดอายุการใช้งานของก้อนแบตเตอรี่เนื่องจากต้องใช้รอบการชาร์จและการคายประจุมากขึ้น เซลล์ที่อ่อนแอกว่าจะปลดปล่อยเร็วขึ้น นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นในวงจรการปลดปล่อย; เซลล์ที่อ่อนแอกว่าจะเดินทางถึงขีดจำกัดการปลดปล่อยก่อน ปล่อยให้เซลล์ที่เหลือมีประจุเหลืออยู่
มีสองวิธีในการปรับปรุงเวลาเปิดต่อการชาร์จแบตเตอรี่หนึ่งก้อน อย่างแรกคือการชะลอการชาร์จไปยังเซลล์ที่อ่อนแอที่สุดในระหว่างรอบการชาร์จ ทำได้โดยการเชื่อมต่อ FET แบบบายพาสกับตัวต้านทานจำกัดกระแสทั่วทั้งเซลล์(รูปที่ 3A). มันใช้กระแสจากเซลล์ที่มีกระแสสูงสุด ส่งผลให้ประจุเซลล์ช้าลง ส่งผลให้เซลล์ของก้อนแบตเตอรี่อื่นสามารถตามทันได้ เป้าหมายสูงสุดคือการเพิ่มความจุการชาร์จของก้อนแบตเตอรี่ให้สูงสุดโดยให้เซลล์ทั้งหมดถึงขีดจำกัดการชาร์จจนเต็มพร้อมกัน
3. การปรับสมดุลเซลล์แบบบายพาส FET ช่วยให้อัตราการชาร์จของเซลล์ช้าลงในระหว่างรอบการชาร์จ (A) การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะใช้ในระหว่างรอบการคายประจุเพื่อขโมยประจุจากเซลล์ที่แข็งแรงและให้ประจุไปยังเซลล์ที่อ่อนแอ (B)
วิธีที่สองคือการปรับสมดุลของก้อนแบตเตอรี่ในวงจรการคายประจุโดยการใช้รูปแบบการเคลื่อนย้ายประจุ ทำได้โดยการชาร์จผ่านการเชื่อมต่อแบบอุปนัยหรือการจัดเก็บแบบคาปาซิทีฟจากเซลล์อัลฟาและฉีดประจุที่เก็บไว้เข้าไปในเซลล์ที่อ่อนแอที่สุด ซึ่งจะทำให้เวลาที่เซลล์ที่อ่อนแอที่สุดไปถึงขีดจำกัดการปลดปล่อยช้าลง หรือที่เรียกว่าการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ(รูปที่ 3B).
การตรวจสอบอุณหภูมิ
แบตเตอรี่ในปัจจุบันจ่ายกระแสไฟได้มากโดยที่แรงดันไฟฟ้าคงที่ สิ่งนี้สามารถนำไปสู่สภาวะที่หลบหนีซึ่งทำให้แบตเตอรี่ลุกไหม้ได้ สารเคมีที่ใช้สร้างแบตเตอรี่มีความผันผวนสูง แบตเตอรี่ที่เสียบเข้ากับวัตถุที่ถูกต้องอาจทำให้แบตเตอรี่ลุกไหม้ได้ การวัดอุณหภูมิไม่ได้ถูกใช้เพื่อความปลอดภัยเท่านั้น แต่ยังสามารถระบุได้ด้วยว่าควรชาร์จหรือคายประจุแบตเตอรี่หรือไม่
เซ็นเซอร์อุณหภูมิจะตรวจสอบแต่ละเซลล์สำหรับการใช้งานระบบจัดเก็บพลังงาน (ESS) หรือการจัดกลุ่มเซลล์สำหรับแอปพลิเคชันขนาดเล็กและพกพาสะดวกยิ่งขึ้น เทอร์มิสเตอร์ที่ขับเคลื่อนโดยการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า ADC ภายในมักใช้เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของแต่ละวงจร นอกจากนี้ แรงดันอ้างอิงภายในยังช่วยลดความไม่ถูกต้องของการอ่านอุณหภูมิเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม
เครื่องสถานะหรืออัลกอริทึม
ระบบ BMS ส่วนใหญ่ต้องการไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) หรือ field-programmable gate array (FPGA) เพื่อจัดการข้อมูลจากวงจรตรวจจับ แล้วตัดสินใจด้วยข้อมูลที่ได้รับ ในอุปกรณ์บางอย่าง เช่น ISL94203 อัลกอริทึมที่เข้ารหัสแบบดิจิทัลเปิดใช้งานโซลูชันแบบสแตนด์อโลนด้วยชิปตัวเดียว โซลูชันแบบสแตนด์อโลนยังมีประโยชน์เมื่อเชื่อมต่อกับ MCU เนื่องจากเครื่องสถานะของสแตนด์อโลนสามารถใช้เพื่อเพิ่มรอบสัญญาณนาฬิกา MCU และพื้นที่หน่วยความจำ
หน่วยการสร้าง BMS อื่น ๆ
บล็อก BMS ที่ใช้งานได้อื่นๆ อาจรวมถึงการตรวจสอบแบตเตอรี่ นาฬิกาแบบเรียลไทม์ (RTC) หน่วยความจำ และสายโซ่เดซี่ RTC และหน่วยความจำใช้สำหรับแอปพลิเคชันกล่องดำ— RTC ถูกใช้เป็นการประทับเวลาและหน่วยความจำใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูล ซึ่งจะช่วยให้ผู้ใช้ทราบพฤติกรรมของชุดแบตเตอรี่ก่อนเกิดเหตุการณ์ภัยพิบัติ บล็อกการตรวจสอบแบตเตอรี่ป้องกันไม่ให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ BMS เชื่อมต่อกับชุดแบตเตอรี่ของบุคคลที่สาม ตัวอ้างอิง/ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรต่อพ่วงรอบระบบ BMS สุดท้ายนี้ใช้วงจรเดซี่เชนเพื่อลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ที่ซ้อนกัน บล็อกโซ่แบบเดซี่แทนที่ความต้องการข้อต่อแบบออปติคัลหรือวงจรเลื่อนระดับอื่นๆ