Fonte: electronicdesign.com
Arquitetura do sistema de gerenciamento de bateria
Um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) normalmente consiste em vários blocos funcionais, incluindo transmissores de efeito de campo de corte (FETs), monitor de medidor de combustível, monitor de tensão de célula, equilíbrio de tensão de célula, relógio em tempo real, monitores de temperatura e um máquina de estado(Figura 1). Vários tipos de ICs BMS estão disponíveis.
O agrupamento de blocos funcionais varia amplamente, desde um front end analógico simples, como o ISL94208, que oferece equilíbrio e monitoramento e requer um microcontrolador, até uma solução integrada autônoma que funciona de maneira autônoma (por exemplo, o ISL94203). Agora vamos examinar o propósito e a tecnologia por trás de cada bloco, bem como os prós e os contras de cada tecnologia.
FETs de corte e driver FET
Um bloco funcional FET-driver é responsável pela conexão e isolamento da bateria entre a carga e o carregador. O comportamento do driver FET é baseado em medições de tensões de célula de bateria, medições de corrente e circuitos de detecção em tempo real. A Figura 2 ilustra dois tipos diferentes de conexões FET entre a carga e o carregador e a bateria.
A Figura 2A requer o menor número de conexões com a bateria e limita os modos de operação da bateria para carregar, descarregar ou hibernar. A direção do fluxo atual e o comportamento de um teste específico em tempo real determinam o estado do dispositivo.
2. São mostrados esquemas FET de corte para conexão única entre a carga e o carregador (A) e uma conexão de dois terminais que permite carregamento e descarregamento simultâneos (B).
Por exemplo, o ISL94203 tem um monitor de canal (CHMON) que monitora a tensão no lado direito dos FETs de corte. Se um carregador estiver conectado e a bateria estiver isolada dele, a corrente injetada na direção da bateria fará com que a tensão aumente até a tensão máxima de alimentação do carregador. O nível de tensão em CHMON é desarmado, o que permite que o dispositivo BMS saiba que um carregador está presente. Para determinar uma conexão de carga, uma corrente é injetada na carga para determinar se uma carga está presente. Se a tensão no pino não aumentar significativamente ao injetar corrente, o resultado determinará que uma carga está presente. O DFET do driver FET é então ativado. O esquema de conexão na Figura 2B permite que a bateria opere durante o carregamento.
Os drivers FET podem ser projetados para se conectar ao lado alto ou baixo de uma bateria. Uma conexão de lado alto requer um driver de bomba de carga para ativar os NMOS FETs. Ao usar um driver do lado alto, ele permite uma referência de aterramento sólido para o resto do circuito. As conexões do driver FET do lado inferior são encontradas em algumas soluções integradas para reduzir custos, porque não precisam de uma bomba de carga. Eles também não requerem dispositivos de alta tensão, que consomem uma área maior de matriz. Usar os FETs de corte no lado baixo flutua a conexão de aterramento da bateria, tornando-a mais suscetível ao ruído injetado na medição. Isso afeta o desempenho de alguns ICs.
Medições de medidor de combustível / corrente
O bloco funcional do medidor de combustível rastreia a carga que entra e sai da bateria. A carga é o produto do tempo atual e do tempo. Várias técnicas diferentes podem ser usadas ao projetar um medidor de combustível.
Um amplificador de detecção de corrente e um MCU com um conversor analógico-digital (ADC) de baixa resolução integrado é um método de medição de corrente. O amplificador de detecção de corrente, que opera em ambientes de alto modo comum, amplifica o sinal, permitindo medições de alta resolução. No entanto, essa técnica de design sacrifica a faixa dinâmica.
Outras técnicas usam um ADC de alta resolução ou um caro medidor de combustível IC. Compreender o consumo atual do comportamento da carga em relação ao tempo determina o melhor tipo de projeto de medidor de combustível.
A solução mais precisa e econômica é medir a tensão em um resistor de detecção usando um ADC de 16 bits ou superior com baixo deslocamento e alta classificação de modo comum. Um ADC de alta resolução oferece uma grande faixa dinâmica em detrimento da velocidade. Se a bateria estiver conectada a uma carga irregular, como um veículo elétrico, o ADC lento pode perder picos de corrente de alta magnitude e alta frequência entregues à carga.
Para cargas erráticas, um ADC de registro aproximado sucessivo (SAR) com talvez um front-end de amplificador de detecção de corrente pode ser mais desejável. Qualquer erro de deslocamento afeta o erro geral na quantidade de carga da bateria. Erros de medição ao longo do tempo causarão erros significativos no status da carga da bateria. Um deslocamento de medição de 50 µV ou menos com resolução de 16 bits é adequado ao medir a carga.
Tensão da célula e maximização da vida útil da bateria
Monitorar a voltagem de cada célula em uma bateria é essencial para determinar sua saúde geral. Todas as células têm uma janela de tensão operacional onde a carga / descarga deve ocorrer para garantir a operação adequada e vida útil da bateria. Se uma aplicação estiver usando uma bateria com química de lítio, a voltagem operacional normalmente varia entre 2,5 e 4,2 V. A faixa de voltagem depende da química. Operar a bateria fora da faixa de voltagem reduz significativamente a vida útil da célula e pode torná-la inútil.
As células são conectadas em série e em paralelo para formar uma bateria. Uma conexão paralela aumenta a unidade de corrente do pacote de bateria, enquanto uma conexão em série aumenta a tensão geral. O desempenho de uma célula tem uma distribuição: no tempo igual a zero, as taxas de carga e descarga da célula da bateria são as mesmas. À medida que cada célula circula entre a carga e a descarga, as taxas de carga e descarga de cada célula mudam. Isso resulta em uma distribuição espalhada pela bateria.
Uma maneira simples de determinar se uma bateria está carregada é monitorar a tensão de cada célula até um determinado nível de tensão. A tensão da primeira célula a atingir o limite de tensão desarma o limite carregado da bateria. Uma bateria de células mais fracas do que a média resulta na célula mais fraca atingindo o limite primeiro, evitando que o restante das células carregue totalmente.
Um esquema de carga, conforme descrito, não maximiza o tempo de ativação da bateria por carga. O esquema de carga reduz a vida útil da bateria porque ela precisa de mais ciclos de carga e descarga. Uma célula mais fraca descarrega mais rápido. O também ocorre no ciclo de alta; a célula mais fraca aciona o limite de descarga primeiro, deixando o resto das células com carga restante.
Existem duas maneiras de melhorar o tempo de ativação por carga da bateria. A primeira é diminuir a velocidade da carga para a célula mais fraca durante o ciclo de carga. Isso é conseguido conectando um FET de desvio com um resistor limitador de corrente através da célula(Fig. 3A). Ele retira corrente da célula com a corrente mais alta, resultando em uma diminuição da carga da célula. Como resultado, as outras células da bateria conseguem se recuperar. O objetivo final é maximizar a capacidade de carga da bateria, fazendo com que todas as células atinjam simultaneamente o limite de carga total.
3. Os FETs de equilíbrio da célula de desvio ajudam a diminuir a taxa de carga de uma célula durante o ciclo de carga (A). O equilíbrio ativo é usado durante o ciclo de descarga para roubar carga de uma célula forte e dar carga a uma célula fraca (B).
O segundo método é equilibrar a bateria no ciclo de descarga, implementando um esquema de deslocamento de carga. É conseguido assumindo a carga por meio de acoplamento indutivo ou armazenamento capacitivo da célula alfa e injetando a carga armazenada na célula mais fraca. Isso diminui o tempo que a célula mais fraca leva para atingir o limite de descarga, também conhecido como equilíbrio ativo(Fig. 3B).
Monitoramento de temperatura
As baterias atuais fornecem muita corrente enquanto mantêm uma tensão constante. Isso pode levar a uma condição de descontrole que faz com que a bateria pegue fogo. Os produtos químicos usados para construir uma bateria são altamente voláteis - uma bateria empalada com o objeto certo também pode fazer a bateria pegar fogo. As medições de temperatura não são usadas apenas por segurança, mas também podem determinar se é desejável carregar ou descarregar uma bateria.
Sensores de temperatura monitoram cada célula para aplicativos de sistema de armazenamento de energia (ESS) ou um agrupamento de células para aplicativos menores e mais portáteis. Termistores alimentados por uma referência de tensão ADC interna são comumente usados para monitorar a temperatura de cada circuito. Além disso, uma referência de tensão interna ajuda a reduzir as imprecisões da leitura da temperatura em comparação com as mudanças de temperatura do ambiente.
Máquinas ou algoritmos de estado
A maioria dos sistemas BMS requer um microcontrolador (MCU) ou um field-programmable gate array (FPGA) para gerenciar as informações do circuito de detecção e, em seguida, tomar decisões com as informações recebidas. Em certos dispositivos, como o ISL94203, um algoritmo codificado digitalmente permite uma solução independente com um chip. Soluções independentes também são valiosas quando acopladas a um MCU, porque a máquina de estado independente pode ser usada para liberar ciclos de clock do MCU e espaço de memória.
Outros blocos de construção da BMS
Outros blocos BMS funcionais podem incluir autenticação de bateria, relógio em tempo real (RTC), memória e ligação em cadeia. O RTC e a memória são usados para aplicativos de caixa preta - o RTC é usado como um carimbo de data / hora e a memória é usada para armazenar dados. Isso permite que o usuário saiba o comportamento da bateria antes de um evento catastrófico. O bloco de autenticação da bateria evita que os componentes eletrônicos do BMS sejam conectados a uma bateria de terceiros. O regulador / referência de tensão é usado para alimentar os circuitos periféricos ao redor do sistema BMS. Finalmente, o circuito em cadeia é usado para simplificar a conexão entre dispositivos empilhados. O bloco daisy-chain substitui a necessidade de acopladores ópticos ou outro circuito de mudança de nível.
