如何设计一个电池管理系统(BMS)

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介绍

电池供电的应用在过去的十年里,已188比分直播吧属司空见惯,这类设备需要一定程度的保护,以确保安全使用。电池管理系统(BMS)监视电池和可能的故障条件下,防止电池的情况下,它可以降低,淡入能力,甚至可能损害用户或周围的环境。也是百时美施贵宝的责任提供一个精确的电荷状态(SOC)和健康状况(SOH)估计,以确保信息和安全的用户体验在电池的寿命。设计一个适当的BMS至关重要,不仅从安全的角度来看,也为客户满意度。

一个完整的BMS的主要结构为低或中等电压通常是由三个ICs:模拟前端(AFE),单片机(MCU),和燃料测量(见图1)。燃料量可以是一个独立的集成电路,也可以嵌入到单片机中。单片机BMS的核心要素,从AFE和燃油表和信息与系统的其余部分。

图1:BMS架构

AFE为单片机和燃料计提供了电压、温度和电流读数的电池。由于AFE是身体最接近电池,建议AFE也控制断路器,断开电池的系统是否有故障触发。

燃料测量IC AFE的读数,然后使用复杂的细胞建模和先进的算法来估计关键参数,如电荷状态(SOC)和健康状况(SOH)。类似于AFE,燃油表的一些任务可以包含在单片机代码;然而,使用一个专用的燃油测量IC,如国会议员的118bet金博宝app 燃料衡量家庭,提供了几个优势:

  • 有效的设计:使用专用集成电路运行复杂的燃料衡量算法允许设计者使用单片机较低的规格,降低整体成本和当前消费。
  • 改进的见解和安全:一个专用燃料计可以测量每个系列的个人SOC和SOH电池组电池组合,使更精确的测量精度和老化检测电池的寿命。这是很重要的,因为细胞阻抗和能力会随着时间不同,导致运行时和安全的影响。
  • 快速上市时间:ICs燃料指标来全面测试各种情况和测试用例。这样可以减少测试的时间和成本复杂的算法,同时使更快的上市时间。

提高电荷状态(SOC)和健康状况(SOH)的准确性

当设计一个精确的BMS的主要目标是提供一个精确计算电池的SOC(剩余运行时/范围)和SOH(寿命和条件)。BMS设计师可能会认为为实现这一目标的唯一方法就是使用一个非常昂贵的AFE精密电池电压测量公差,但这仅仅是一个因素在整个计算精度。最重要的因素是燃料衡量细胞模型和燃料测量算法,其次是安全的能力为细胞提供一个同步电压、阅读阻力计算。

燃油量表使用其内部算法运行复杂的计算转换为电压,电流,温度测量在SOC和SOH输出通过分析这些值的关系与特定的细胞模型存储在它的记忆中。细胞产生的细胞模型是描述在不同的温度、能力,数学上定义其开路电压和加载条件,以及电阻和电容组件。这个模型使燃油量表的算法来计算最优SOC基于这些参数如何变化在不同的操作条件。因此,如果燃油量表的细胞模型或算法是不准确的,导致计算不准确,无论多么精确AFE的进行测量。换句话说,实现一个高度精确的燃油量表对BMS的最大影响SOC的准确性。

电压同步阅读

尽管几乎所有房颤提供不同的电压和电流的adc,尽管不是全部为每个单元提供实际同步电流和电压测量。这个特性,称为电压同步阅读,使燃油量表来准确评估细胞的等效串联电阻(ESR)。自从ESR变化在不同的操作条件和随着时间的推移,实时估算ESR允许更精确的SOC估算。

图2显示了SOC错误与同步阅读是明显低于错误没有同步阅读,特别是在一些放电周期。这些结果提取使用MPF42791于一体的ESR检测和热建模。

图2:SOC误差比较有和没有同步阅读

AFE直接断层控制

如前所述,AFE扮演最重要的角色在BMS保护管理。AFE可以直接控制保护电路,保护系统和电池当检测到错误。一些系统在单片机中实现断层控制,但这将导致一个更长的响应时间和需要更多的单片机的资源,增加固件的复杂性。

先进房颤使用ADC数据和用户配置,以发现任何故障条件。AFE对故障的反应通过打开保护场效应管,以确保真正的硬件保护。房颤也充分测试,这使得它简单的保证一个健壮的安全系统。通过这种方式,单片机可以用作二级更高级别的安全保护机制和鲁棒性。

MP279x家族集成了两种形式的保护控制。这允许设计师来选择是否故障响应和/或保护通过AFE或单片机控制。

高端与下部电池保护

当设计一个BMS,重要的是要考虑电池保护断路器放置的地方。一般来说,这些电路是实现n沟道mosfet,因为他们有一个较低的内部阻力与p沟道mosfet相比。这些断路器可以放置偏高(电池的正极端子)或偏低(电池的负极)。

高端架构确保接地(接地)总是引用,这避免了潜在的安全当有短路和沟通问题。此外,一个干净、持续连接到接地有助于减少参考信号的波动,它是精确的单片机的关键操作。

然而,开车门的n沟道mosfet时放置在电池的正极端子需要电压高于蓄电池组电压,使设计过程更具挑战性。因此,专用电荷泵集成到AFE通常用于高端架构,这就增加了总成本和集成电路电流消耗。

对于下部配置,电荷泵没有必要自保护场效应管放置在电池的负极。然而,更难在下部配置实现有效的沟通,因为没有接地保护开放时参考。

MP279x家庭使用高端架构提供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沟道MOSFET软开机功能,不需要任何额外的pre-charge电路,进一步减少BOM的大小和成本。柔软的刺激是通过缓慢增加保护场效应晶体管的栅电压,允许一个小电流通过保护pre-charge负载(参见图3)。几个参数可配置,以确保一个安全的过渡,如最大允许电流,或时间保护场效应晶体管关闭没有引发一个错误。

图3:软MP279x家族的刺激方案

Cell-Balancing延长电池寿命

电池电力大系统(如电动自行车或储能)是由许多细胞组成的串联和并联。每个细胞在理论上是相同的,但由于制造公差和化学差异,每个细胞通常有稍微不同的行为。随着时间的推移,这些差异成为更重要的由于不同的操作条件和老化,严重影响电池的性能限制了其可用的能力或潜在的破坏性的细胞。为了避免这些危险的情况下,重要的是要定期平衡细胞通过这一过程被称为电压串联细胞平衡。

被动平衡是平衡电池电压,最常见的方法,它需要最带电细胞放电,直到他们都平等。被动cell-balancing房颤等MP279x家庭可以实现内部和外部。外部平衡允许更大的平衡电流,还增加了BOM(参见图4)。

图4:外部Cell-Balancing

另一方面,内部平衡不会增加BOM但它通常限制了由于散热平衡电流降到一个较低的值(参见图5)。考虑外部硬件的成本和目标平衡电流在决定内部和外部之间的平衡。

图5:内部Cell-Balancing

cell-balancing是物理连接的另一个重要方面。例如,MP279x AFE家庭使用相同的引脚电压传感和平衡。这大大减少了集成电路尺寸,但连续意味着细胞不能平衡的同时,增加了时间执行细胞平衡。使用专用平衡别针减少了平衡时间,但显著增加了集成电路规模和总体成本。

AFE的安全功能

本文解释说,安全控制系统的保护和故障响应在BMS设计中是非常重要的。打开或关闭之前保护场效应晶体管,AFE必须能够检测这些不受欢迎的条件。

细胞,包级别的断层,比如过电压(OV)、欠压(紫外线),过电流(OC)、短路(SC)、超高温(OT),条件下(UT)错误都应该被监视。然而,还有其他有益的保护和房颤可以提供对某些应用程序的功能。188比分直播吧例如,自我测试允许IC检测其内部ADC是否故障,防止系统不正确的测量。增强的看门狗定时器功能时也保证鲁棒性和安全性的主要单片机没有响应。

MP279x家庭为上述故障的保护提供了一个高度的可配置性,允许用户定义不同的阈值,为每个断层deglitch时间和滞后。这些设备也依赖于两种不同的比较器对SC和OC故障条件最小化响应时间。他们提供配置故障自动恢复,这意味着它们可以自动恢复从单片机大多数缺点而不需要任何行动。

结论

百时美施贵宝监控保护电池和电池组系统的其余部分。不合格的BMS不仅降低了系统的安全性,但它也提供了不准确的电池SOC管理。这些错误有非常重要的影响产品的最终质量,因为它们可能导致危险的错误,或故障对用户体验造成负面影响。为了减轻这些问题,本文介绍了设计师应该期待什么,寻找在设计他们的BMS。

了解更多关于电池管理系统如何工作以及如何设计,议员提供完整百时美施贵宝评估板。使用这些工具,设计师可以很容易地通过易于使用的gui测试和配置他们的BMS和广泛的支持材料,使其更容易定制他们的设备到特定的应用程序需求。

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