ソース: electronicdesign.com
バッテリ管理システムアーキテクチャ
バッテリ管理システム(BMS)は、一般に、カットオフ電界効果送信機(FET)、燃料ゲージモニタ、セル電圧モニタ、セル電圧バランス、リアルタイムクロック、温度モニタ、ステートマシンなど、複数の機能ブロックで構成されています。(図1).いくつかのタイプの BMS IC が利用できます。
機能ブロックのグループ化は、バランスと監視を提供し、マイクロコントローラを必要とするISL94208などの単純なアナログフロントエンドから、自律的に動作するスタンドアロンの統合ソリューション(例えば、ISL94203)まで大きく異なります。では、各ブロックの背後にある目的と技術、および各技術の長所と短所を調べてみましょう。
カットオフ FET および FET ドライバ
FET ドライバの機能ブロックは、バッテリ パックの接続と、負荷と充電器の分離を担当します。FETドライバの動作は、バッテリセル電圧、電流測定、リアルタイム検出回路からの測定に基づいて行われます。図 2 は、負荷と充電器とバッテリ パックの間の 2 種類の FET 接続を示しています。
図 2A は、バッテリ パックへの接続数が最も少なく、バッテリ パックの動作モードを充電、放電、またはスリープのいずれかに制限します。現在のフロー方向と特定のリアルタイム テストの動作によって、デバイスの状態が決まります。
2. 図示は、負荷と充電器(A)の間の単一接続のためのカットオフFET回路図と、同時充電と放電(B)を可能にする2端子接続である。
たとえば、ISL94203 には、カットオフ FET の右側の電圧を監視するチャネル モニタ(CHMON)があります。充電器が接続され、バッテリーパックが充電器から分離されている場合、バッテリパックに向かって差し込まれる電流は、充電器の最大供給電圧まで電圧を上昇させます。CHMONの電圧レベルがトリップされ、BMSデバイスは充電器が存在することを知ることができます。負荷接続を決定するために、負荷が存在するかどうかを判断するために、負荷に電流が注入されます。電流を注入してもピンの電圧が大きく上昇しない場合、結果は負荷が存在すると判断します。FET ドライバの DFET がオンになります。図2Bの接続方式により、充電中にバッテリパックを動作させることができます。
FET ドライバは、バッテリ パックの高い側または低い側に接続するように設計できます。ハイサイド接続では、NMOS FETをアクティブにするためのチャージポンプドライバが必要です。ハイサイドドライバを使用する場合、回路の残りの部分に対してソリッドグランドリファレンスを可能にします。低辺FETドライバ接続は、チャージポンプを必要としないため、コストを削減するための統合ソリューションに含まれています。また、より大きなダイエリアを消費する高電圧デバイスも必要ありません。低い側面のカットオフFETを使用すると、バッテリパックの接地接続が浮かび上がり、測定に注入されるノイズの影響を受けやすくなります。これは一部の IC のパフォーマンスに影響します。
燃料ゲージ/電流測定
燃料ゲージ機能ブロックは、バッテリパックに出入りする充電を追跡します。充電は現在と時間の積です。燃料ゲージを設計する際には、いくつかの異なる手法を使用できます。
電流検出アンプと、低解像度アナログデジタルコンバータ(ADC)を内蔵したMCUは、電流測定法の1つです。高いコモンモード環境で動作する電流検出アンプは、信号を増幅し、より高い解像度の測定を可能にします。しかし、この設計手法はダイナミックレンジを犠牲にします。
その他の技術は、高解像度のADC、または高価な燃料ゲージICを使用します。負荷動作の現在の消費と時間を理解すると、最適なタイプの燃料ゲージ設計が決定されます。
最も正確でコスト効率の高いソリューションは、低オフセットと高いコモンモード定格を備えた16ビット以上のADCを使用して、センス抵抗を越えて電圧を測定することです。高解像度のADCは、速度を犠牲にして、大きなダイナミックレンジを提供します。バッテリが電気自動車などの不規則な負荷に接続されている場合、遅い ADC は負荷に渡される高マグニチュードおよび高周波電流スパイクを見逃す可能性があります。
不安定な負荷の場合、電流検出アンプのフロントエンドを持つ連続した近似レジスタ(SAR)ADCがより望ましい場合があります。オフセットエラーは、バッテリ充電量の全体的な誤差に影響します。時間の経過に関する測定エラーは、バッテリパックの重大な充電状態エラーの原因となります。16ビット分解能で50μV以下の測定オフセットが十分です。
セル電圧と最大バッテリ寿命
バッテリパックの各セルのセル電圧を監視することは、その全体的な健康状態を判断するために不可欠です。すべてのセルには、適切な動作とバッテリ寿命を確保するために充電/放電が発生する必要がある動作電圧ウィンドウがあります。アプリケーションがリチウム化学を使用している場合、動作電圧は通常2.5~4.2Vの範囲です。バッテリを電圧範囲外で動作させると、セルの寿命が大幅に短くなり、使用できなくなる可能性があります。
セルは、バッテリパックを形成するために直列かつ平行に接続されています。並列接続はバッテリパックの電流ドライブを増加させ、シリーズ接続は全体的な電圧を増加させます。セルの性能は分布を有する:時はゼロに等しい、電池パックセルの充放電率は同じである。各セルが充放電の間を循環するに応じて、各セルの充放電率が変化します。これにより、バッテリ パック全体に分散が分散されます。
バッテリパックが充電されているかどうかを確認する簡単な方法は、各セルの電圧を設定電圧レベルまで監視することです。電圧限界に達する最初のセル電圧は、バッテリパックの充電限界をトリップします。平均より弱いセル電池パックは、最も弱いセルが最初に限界に達し、残りのセルが完全に充電されるのを防げます。
前述のとおり、充電方式では、充電ごとにバッテリーパックのオンタイムを最大化することはできません。充電方式は、充電と放電のサイクルが増える必要があるため、バッテリパックの寿命を短縮します。弱い細胞はより速く排出する。また、放電サイクルで発生します。弱い細胞は最初に排出限界をトリップし、残りの細胞は電荷を残します。
バッテリパックの充電ごとにオンタイムを改善するには、2つの方法があります。1つ目は、充電サイクル中に最も弱いセルに充電を遅くすることです。これは、バイパスFETと、セル全体に電流制限抵抗を接続することによって実現されます。(図3A).これは、最高の電流を持つセルから電流を取り、その結果、細胞電荷が遅くなります。その結果、他のバッテリパックセルが追いつくことができる。最終的な目標は、すべてのセルが同時に完全に充電された限界に達することによって、バッテリーパックの充電容量を最大化することです。
3. バイパスセルバランシングFETは、充電サイクル中のセルの充電速度を遅くするのに役立ちます(A)。アクティブバランシングは、放電サイクル中に強いセルから電荷を盗み、弱い細胞(B)に電荷を与えるために使用されます。
第2の方法は、充放電方式を実施することにより、放電サイクル上の電池パックのバランスを取ることです。これは、αセルから誘導結合または容量性貯蔵を介して担当し、最も弱い細胞に保存された電荷を注入することによって達成されます。これにより、最も弱いセルが放電限界に達するまでにかかる時間が遅くなります。(図3B).
温度監視
今日の電池は一定の電圧を維持しながら多くの電流を供給します。これは、バッテリーが火災を引き起こす暴走状態につながる可能性があります。電池の製造に使用される化学物質は揮発性が高く、適切な物体を突き刺した電池もバッテリーを引き止めることができます。温度測定は安全のためだけではなく、バッテリの充電や放電が望ましいかどうかを判断することもできます。
温度センサは、エネルギーストレージシステム(ESS)アプリケーションの各セルを監視するか、より小型で携帯性の高いアプリケーション用にセルのグループを監視します。内部ADC電圧リファレンスを搭載したサーミスタは、各回路の温度を監視するために一般的に使用されます。さらに、内部電圧リファレンスは、温度の読み取りと環境温度変化の不正確さを低減するのに役立ちます。
ステートマシンまたはアルゴリズム
ほとんどのBMSシステムでは、マイクロコントローラ(MCU)またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を必要とし、センシング回路からの情報を管理し、受信した情報を決定します。ISL94203 などの特定のデバイスでは、デジタルエンコードされたアルゴリズムにより、1 つのチップを備えたスタンドアロン ソリューションが可能になります。スタンドアロンのステートマシンを使用して MCU クロックサイクルとメモリスペースを解放できるため、MCU に合致した場合も、スタンドアロンソリューションは価値があります。
その他の BMS ビルディング ブロック
その他の機能BMSブロックには、バッテリ認証、リアルタイムクロック(RTC)、メモリ、デイジーチェーンなどがあります。RTC とメモリはブラックボックス アプリケーションに使用され、RTC はタイムスタンプとして使用され、メモリはデータの格納に使用されます。これにより、ユーザーは、致命的なイベントが発生する前に、バッテリ パックの動作を知ることができます。バッテリ認証ブロックは、BMS電子部品がサードパーティ製のバッテリパックに接続されるのを防ぎます。電圧リファレンス/レギュレータは、BMSシステム周辺の周辺回路に電力を供給するために使用されます。最後に、デイジーチェーン回路を使用して、スタックされたデバイス間の接続を簡素化します。デイジーチェーンブロックは、光カプラやその他のレベルシフト回路の必要性に取って代わるものです。
