Anotacija
Kalbant apie baterijų valdymo sistemos integrinių grandynų (BMS IC) gebėjimą atsispirti elektromagnetiniams trukdžiams (EMI), turime kalbėti apie spausdintinės plokštės (PCB) laidų ir išorinių komponentų (EC) išdėstymą, kurie yra pagrindiniai vaidmenys. . Nepamirškite, kad pati BMS IC varža taip pat yra didelė problema. Tiesą sakant, ši varža smarkiai pasikeis dėl BMS IC akumuliatoriaus balansavimo funkcijos. Konkrečiai kalbant, dauguma rinkoje esančių BMS IC integruoja pasyvią baterijos balansavimo funkciją, kuri labai sumažina BMS IC rodomą varžą. Mūsų tyrimo tikslas – suprasti skirtingų pasyviųjų baterijų balansavimo metodų įtaką BMS IC imuniniam lygiui. Tada mes taip pat pasiūlėme naują BMS IC architektūrą, kuri ne tik sumažina išorinių komponentų skaičių, bet ir maksimaliai padidina pasyvaus akumuliatoriaus balansavimo poveikį IC atsparumui, ty įpurškimo lygiui atliekant tiesioginės galios įpurškimo (DPI) testavimą. Tokiu būdu, net ir triukšmingoje aplinkoje, IC gali palaikyti didelio tikslumo aukštos įtampos matavimus.
1. Įvadas
Ličio jonų baterijos ir baterijų valdymo sistemos (BMS) buvo plačiai ištirtos, siekiant sudaryti sąlygas naujos kartos elektromobiliams (EV) ir hibridinėms elektrinėms transporto priemonėms (HEV). Pavyzdžiui, pagrindinis kūrimo aspektas yra apibūdinti laidus elektromagnetinius trukdžius (EMI) iš pavaros keitiklio, kuris yra vienas iš triukšmo šaltinių, galinčių trikdyti BMS IC. Šiame triukšmo kelyje kabeliai, PCB maršrutai ir išoriniai komponentai (EC) turi didelę įtaką BMS IC atsparumui. Čia daugiausia dėmesio skiriama EC yra aukštos įtampos vardiniai automobilių kondensatoriai, naudojami elektrostatinės iškrovos (ESD) prevencijai. Kaip parodyta ankstesniame darbe, pigiausia šių EC konfigūracija yra diferencinės jungtys tarp baterijų. Tačiau tai padidins įpurškimo lygį dėl rezonanso įvedimo tiesioginės galios įpurškimo (DPI) dažnių diapazone ([150 kHz; 1 GHz]), kurį sukelia sukonstruotas CL kopėčių tinklas.
Tokiu atveju pasyvus akumuliatoriaus balansavimas sujungs akumuliatoriaus balansavimo rezistorių ir kai kuriuos parazitinius komponentus lygiagrečiai su ESD kondensatoriumi, kai bus įjungtas, o tai gali pakeisti šių rezonansų slopinimo lygį. Šiame tyrime nagrinėjami du akumuliatoriaus balansavimo metodai. Pirmasis metodas yra pašalinti šiuo metu BMS IC matuojamą bateriją, sutrumpinti visas baterijas, kurias galima sutrumpinti, o tada išmatuoti išmatuoto akumuliatoriaus įpurškimo lygį DPI metu, kad įvertintumėte šio metodo poveikį IC atsparumui. Be to, šiame tyrime buvo palygintos dvi architektūros naudojant šį pirmąjį balansavimo metodą, o pagrindinis skirtumas yra baterijų, kurias galima balansuoti vienu metu, skaičius. Antrasis balansavimo būdas yra trumpasis jungimas toje pačioje baterijoje, kurią šiuo metu matuoja IC pagal specialiai pasiūlytą architektūrą. Be to, dėl naujos balansavimo rezistorių išdėstymo siūlomos architektūros ESD kondensatorius paverčiamas filtru, kuris leidžia balansuojant žymiai sumažinti BMS pusėje matomą varžą, taip sumažinant įpurškimo lygį. Be to, norint įvertinti parazitinio induktyvumo poveikį, taip pat buvo įvertintas akumuliatoriaus balansavimo skirtingais atstumais tarp ESD kondensatorių ir IC poveikis.
Galiausiai šio straipsnio struktūra yra tokia: Pirma, pristatomas BMS IC aplinkos modeliavimas; Antra, naudodami pirmąjį baterijos balansavimo metodą, palyginkite dviejų BMS IC architektūrų balansavimo poveikį įpurškimo lygiui DPI metu; Trečia, pristatykite siūlomą architektūrą ir įvertinkite jos poveikį įpurškimo lygio balansui DPI metu, naudodami antrąjį balansavimo metodą.
2. BMS integrinių grandynų aplinkos modeliavimas
BMS funkcijos ir DPI testavimas:Pagrindinis BMS tikslas – užtikrinti optimalų ir saugų baterijų veikimą atšiaurių elektromagnetinių trukdžių (EMI) aplinkoje. Kai kurios pagrindinės BMS IC funkcijos apima tikslų akumuliatoriaus įtampos matavimą ir pasyvų akumuliatoriaus balansavimą, kad būtų išvengta akumuliatoriaus nusidėvėjimo ir būtų pasiektas optimalus energijos ištraukimas iš akumuliatoriaus bloko. Siekiant apibūdinti IC gebėjimą atlikti šias užduotis atšiaurioje EMI aplinkoje, buvo atliktas tiesioginio maitinimo įpurškimo (DPI) bandymas, prijungiant 30 dBm galią bendruoju režimu (CM) prie visų prie akumuliatoriaus prijungtų IC įėjimų.
DPI bandymo sąranka ir susiję komponentai:1 paveiksle parodyta šiame tyrime naudota DPI sąranka naudojant BMS IC produktą, galintį stebėti iki 18 baterijų. Šis nustatymas pristato superkondensatorius, kad būtų galima konstruoti akumuliatorių blokus, kurių įtampa didesnė nei 80 V, naudojant 12 V baterijas ir stabilizuoti varžą akumuliatoriaus bloko pusėje. Iš 1 paveikslo matyti, kad dabartiniai modeliavimo metodai orientuoti į tokius elementus kaip akumuliatorius ir 30 cm kabeliai kiekvienoje PCB pusėje, superkondensatoriai, jungtys, PCB laidai superkondensatoriaus plokštėje ir BMS IC plokštė, išoriniai komponentai (EC). ) ant BMS IC plokštės, o varža, kurią pateikia pati BMS.
BMS IC aplinkos modeliavimas:Pagal 2 paveikslą BMS IC įvestis modeliuojama kondensatoriumi C {L} (30pF), vaizduojančiu vidinį pasyvų akumuliatoriaus balansavimo jungiklį, kurio įjungimo varža Ron=0.25 Ω. Kondensatorius C {d} (47nF), naudojamas ESD tikslais, yra susirūpinimą keliantys EC, kurie naudoja pigiausią konfigūraciją. Modelis taip pat apima parazitinį atsparumą ir C {d} induktyvumą (parazitinė varža R {d} įgyja 100 MHz ir didesnių dažnių vertes), kartu atsižvelgiant į įpurkšto kondensatoriaus C {i} (330 pF) parazitinį elgesį. Dėl santykinai didelių talpos C {d} reikšmių nebuvo atsižvelgta į kabelio ir PCB nukreipimo talpos efektą. Akumuliatorius modeliuojamas naudojant idealų įtampos šaltinį, nes akumuliatorių bloką ir kabelius trumpai jungia superkondensatoriai. Visi 18 baterijų parametrai 2 paveiksle yra panašūs, neatsižvelgiant į atstumą tarp kiekvienos baterijos ir IC kaiščio. Šis modelis efektyvus [150kHz, 200MHz] diapazone.
Su IC kaiščiu ir architektūra susijusi situacija:1 architektūroje yra C {Bx} kaištis, naudojamas akumuliatoriaus įtampai matuoti ir pasyviam akumuliatoriaus balansavimui, taip pat C {Tx} kaištis, naudojamas tik akumuliatoriaus atleidimo įtampai matuoti. Matavimą per C {Tx} kaištį atlieka diskretinio laiko analoginis-skaitmeninis keitiklis (DT ADC), todėl reikalingas anti-aliasing filtras (AAF, ty R {f} ir C {f}); Matavimas per C {Bx} kaištį atliekamas nepertraukiamo laiko analoginio į skaitmeninį keitiklį (CT ADC) be AAF. Kitame skyriuje bus pristatyta 2 architektūra ir pirmasis balansavimo metodas, naudojamas šiame tyrime, siekiant pagerinti BMS IC atsparumą. Taip pat bus lyginamas įpurškimo lygio susilpnėjimas, kurį sukelia pirmasis pasyvus akumuliatoriaus balansavimo metodas tarp 1 ir 2 architektūros. Be to, šiame tyrime daroma prielaida, kad akumuliatoriaus pusiausvyros įjungimas trunka kelis šimtus mikrosekundžių, o to pakanka norint išmatuoti suinteresuoto akumuliatoriaus įtampą. , todėl neturės didelės įtakos pusiausvyros akumuliatoriaus įkrovos būsenai.
3. BMS IC architektūros skirtumai, rezonanso problemos ir pirmojo balansavimo metodo poveikis
Architektūriniai skirtumai ir rezonanso reiškiniai:BMS IC kaiščių išdėstymas, naudojamų analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) skaičius ir tipas bei kiti architektūriniai aspektai tiesiogiai veikia išorinius komponentus. 1 architektūroje (2 pav.), išskyrus C_{B0} ir C_{B19}, kiekvieną C_{Bx} kaištį dalijasi du baterijos. Dėl būtinybės nustatyti R_ {b} kiekviename PCB pėdsake, vedančiame į C{{10}}{Bx} kaištį atliekant DPI bandymą, kad būtų apribota konversija iš bendro režimo (CM) į diferencialinį režimą (DM), gretimos baterijos negali būti subalansuotos vienu metu, o nelyginės ir lyginės baterijos turi būti balansuojamos skirtingais laikotarpiais. 2 architektūra (3 pav.) turi papildomą C {Bx \ _ H} kaištį, kuris vienu metu gali subalansuoti gretimas baterijas, tačiau padidins lusto dydį, kontaktų skaičių ir išorinius komponentus (R {b}). CL trapecijos tinklas, sudarytas iš L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) ir C_d} generuos kelis rezonansus, kurių dažnis yra palyginti žemas (žemiau 10 MHz). Praktikoje kabelis, jungiantis BMS IC ir akumuliatorių, gali siekti 2 metrus, o tai sumažins rezonanso dažnį ir padidins kokybės koeficientą. Nors R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) gali tam tikru mastu susilpninti rezonansą, poveikis yra nepakankamas.
Pirmasis balansavimo būdas ir jo įtaka įpurškimo lygiui:Pirmasis šiame tyrime nagrinėjamas balansavimo metodas yra pirmosios baterijos (C_{L1}) nuo didžiausios iki didžiausios įtampos išskyrimas atliekant DPI modeliavimą ir balansuojant kitas baterijas. 1 architektūroje subalansuojamos tik nelyginio numerio baterijos (išskyrus 1 bateriją), nes subalansavus porinius akumuliatorius (pradedant nuo 2 akumuliatoriaus), pasikeistų 1 akumuliatoriaus nuolatinė srovė (DC), o tai neatitinka faktinių matavimo scenarijų. 2 architektūrai visas baterijas, išskyrus 1 bateriją, galima subalansuoti. Įvertinkite atlikdami trumpalaikius modeliavimus prieskonių aplinkoje (suteikdami pakankamą periodo stabilumą signalui, išskirdami tam tikro laikotarpio vidutinę nuo smailės iki smailės įtampą ir paimdami pakankamai taškų diapazone [150kHz; 200MHz]). Rezultatai parodė, kad pasyvus akumuliatoriaus išlyginimas sumažino rezonanso amplitudę, kaip tikėtasi esant žemiems dažniams, tačiau padidino įpurškimo lygį esant aukštiems dažniams (apie 150 MHz). Architektūra 2 turi didesnį poveikį įpurškimo lygiui dėl akumuliatoriaus balansavimo žemais dažniais, nes vienu metu gali subalansuoti daugiau baterijų ir daugiau slopinti; Esant aukštiems dažniams, jo būdingas įpurškimo lygis yra žemesnis nei 1 architektūros, o suaktyvinus akumuliatoriaus balansą, aukšti dažniai pagerėjo tik šiek tiek. Be to, yra kompromisas tarp akumuliatoriaus balansavimo rezistoriaus $R_ {b} $ vertės ir įpurškimo lygio. R_ {b} sumažinimas padidins žemo dažnio rezonanso slopinimą, bet susilpnins aukšto dažnio rezonanso slopinimą, o padidinus R_ {b} bus priešingas poveikis.
4. Antrojo pusiausvyros metodo analizė ir naujos architektūros pasiūlymas
Išanalizuokite idealius scenarijus ir tobulinimo strategijas:Norėdami įvertinti akumuliatoriaus balansavimo įtaką žemo dažnio rezonansui, išanalizuokite idealų ir supaprastintą scenarijų (panašų į 1 architektūrą, bet supaprastintą). Esant dažniams, mažesniems nei 5MHz, superkondensatoriai gali būti laikomi trumpaisiais jungimais, nes jų didelė talpa (10F) ir parazitiniai parametrai (ekvivalentinė nuoseklioji varža ESR, lygiavertė nuoseklioji induktyvumas ESL) yra žemi šiame diapazone; Svarstant žemo dažnio rezonansą, C {L} galima nepaisyti; Analizei patogu pritaikyti paprastą trapecinį tinklą be išorinės apkrovos. Šiame scenarijuje (1 formulė) bendrai varžai rezonanso dažnis buvo apskaičiuotas naudojant konkrečią išraišką (2 formulė). Nustatyta, kad pagal pateiktus parametrus formulės 2 diskriminantas yra neigiamas, su dviem įsivaizduojamomis šaknimis, o realioji dalis atspindi rezonanso slopinimą (pseudo periodinė būsena, 3 formulė). 7b paveiksle pavaizduotam supaprastintam akumuliatoriaus balansavimo scenarijui buvo apskaičiuotas rezonanso polinomas (4 formulė). Nustatyta, kad kiek įmanoma sumažinus varžą R, rezonanso indekso išraiškos gali būti teigiamos, o tai žymiai sumažina rezonanso dažnį, tačiau kai kurie rezonansai vis dar yra pseudo periodinės būsenos. Silpninimo koeficientas (5 formulė) rodo, kad jei R yra pakankamai žemas, akumuliatoriaus balansavimas gali reikšmingai paveikti įpurškimo lygį. Nors pasipriešinimo padidinimas gali pagerinti R_ {T}, 1 ir 2 architektūrose tai neįmanoma, nes sumažės C_ {Tx} kaiščio matavimo tikslumas akumuliatoriaus balansavimo metu.
Pasiūlykite naują architektūrą ir veiklos įvertinimą:Pasiūlykite naują architektūrą, kurioje matuojant C {Tx} kaištį būtų naudojamas nuolatinis analoginio-skaitmeninio keitiklis (CT ADC), nereikalaujant anti-aliasing filtrų (AAF, ty R {f} ir C {f}). , C {Bx} kaiščio matavimui naudojamas diskretinio laiko analoginis-skaitmeninis keitiklis (DT ADC), o balansinis rezistorius R {b} perkeliamas prieš ESD kondensatorių C. {d}, taupant komponentus ir didinant žemo dažnio rezonanso slopinimą. Siekiant išvengti matavimo klaidų balansuojant akumuliatorių, C {Tx} matavimas atliekamas prieš R {b}. Antrasis balansavimo metodas subalansuoja matuojamą bateriją (pvz., elementas x, 8 pav.), kad sumažintų C {Tx} kaiščio įpurškimo lygį. Naujoji architektūra maksimaliai padidina baterijos balansavimo įtaką DPI įpurškimo lygiui, pateikdama R {b} prieš C {d} ir priartindama C {d} prie IC. Modeliavimo rezultatai rodo, kad naujos architektūros būdingas įpurškimo lygis yra žemesnis nei senosios architektūros, kai akumuliatoriaus balansavimas nėra aktyvuotas (5 pav.), o reikšmingas slopinimas gali būti pasiektas, kai C {d} yra pagrįstu atstumu nuo IC ( 0,5 cm arba 1 cm) (9 pav.). Tačiau naujojoje architektūroje yra kompromisas dėl ESD veikimo. 1 ir 2 architektūrose, kai įvyksta ESD įvykis, C {d} užtikrina mažos varžos įžeminimo kelią kontaktui, o naujoje architektūroje R {b} kelia didelės įtampos riziką C {Tx} kaiščiui. Todėl R {b} turi pasirinkti tinkamą reikšmę arba įdėti vidinį suspaudimo įtaisą ant C {Tx}, kad išspręstų problemą. Būsimas darbas bus skirtas naujos architektūros ESD našumui gerinti.
5. Santrauka
Šiame tyrime siūlomas akumuliatoriaus valdymo sistemos integrinio grandyno (BMS IC) modelis praktiniam tiesioginio maitinimo įpurškimo (DPI) modeliavimui, siūlomas pirmasis baterijos balansavimo metodas, skirtas sumažinti įpurškimo lygį DPI metu, ir palyginamas dviejų architektūrų veikimas pagal šį metodą. Sukūrus paprastą analizės modelį, tiriant akumuliatoriaus balansavimo įtaką žemo dažnio rezonanso slopinimo lygiui ir nustatant strategijas, kaip sumažinti žemo dažnio svarbaus triukšmo ryšį. Pasiūlykite naują architektūrą, kuri sumažintų išorinių komponentų skaičių ir įpurškimo lygius, todėl baterijos balansavimas tampa svarbesnis IC imunitetui.
Naujoji architektūra turi kompromisų, susijusių su elektrostatinės iškrovos (ESD) veikimu. Ateityje daugiausia dėmesio bus skiriama naujosios architektūros ESD veikimo įvertinimui ir galimų tobulinimo priemonių išnagrinėjimui, pernelyg nedidinant išorinių komponentų skaičiaus, siekiant optimizuoti bendrą naujosios architektūros našumą, geriau pritaikyti ją praktinėms baterijų valdymo sistemoms, tobulinti sistemos veikimą elektromagnetinio suderinamumo srityje, užtikrinti stabilų akumuliatoriaus valdymo sistemos veikimą sudėtingoje elektromagnetinėje aplinkoje ir subalansuoti išlaidas bei našumą.