Absztrakt
Amikor az akkumulátor-felügyeleti rendszer integrált áramköreinek (BMS IC-k) elektromágneses interferenciának (EMI) való ellenálló képességéről van szó, beszélnünk kell a nyomtatott áramköri lapok (PCB) vezetékeinek és a külső alkatrészek (EC-k) elrendezéséről, amelyek kulcsszerepet játszanak. . Ne feledje, maga a BMS IC impedanciája is nagy baj. Valójában ez az impedancia jelentős változásokon megy keresztül a BMS IC elemkiegyenlítő funkciója miatt. Pontosabban, a legtöbb piacon lévő BMS IC integrálja a passzív akkumulátor-kiegyenlítő funkciót, ami nagymértékben csökkenti a BMS IC-k impedanciáját. Tanulmányunk célja, hogy megértsük a különböző passzív akkumulátor-kiegyenlítő módszerek hatását a BMS IC-k immunszintjére. Ezután egy új BMS IC architektúrát is javasoltunk, amely nemcsak a külső komponensek számát csökkenti, hanem maximalizálja a passzív akkumulátor-kiegyenlítés hatását az IC immunitására, azaz a közvetlen befecskendezési (DPI) tesztek befecskendezési szintjére. Ily módon az IC még zajos környezetben is képes nagy pontosságú nagyfeszültség méréseket végezni.
1. Bevezetés
A lítium-ionos (Li-Ion) akkumulátorokat és az akkumulátor-kezelő rendszereket (BMS) széles körben tanulmányozták, amelyek célja, hogy előkészítsék az utat az elektromos járművek (EV) és a hibrid elektromos járművek (HEV) új generációja előtt. Például a fejlesztés egyik fő szempontja a hajtásszabályozóból származó vezető elektromágneses interferencia (EMI) jellemzése, amely az egyik olyan zajforrás, amely interferenciát okozhat a BMS IC-ben. Ezen a zajúton a kábelek, a PCB-elvezetés és a külső komponensek (EC-k) jelentős hatással vannak a BMS IC immunitására. Az EC-k, amelyekre itt összpontosítunk, az elektrosztatikus kisülés (ESD) megelőzésére használt gépkocsik nagyfeszültségű névleges kondenzátorai. A korábbi munkákból látható, hogy ezeknek az EC-knek a legolcsóbb konfigurációja az akkumulátorok közötti differenciálcsatlakozás. Ez azonban a befecskendezési szint növekedését eredményezi a közvetlen teljesítménybefecskendezési (DPI) frekvenciatartományon ([150 kHz; 1 GHz]) belüli rezonancia bevezetése miatt, amelyet a megépített CL létrahálózat okoz.
Ebben az esetben a passzív akkumulátor-kiegyenlítés az akkumulátor-kiegyenlítő ellenállást és néhány parazita komponenst párhuzamosan kapcsolja az ESD kondenzátorral, amikor aktiválódik, ami megváltoztathatja ezen rezonanciák csillapítási szintjét. Ez a tanulmány két akkumulátor-kiegyenlítési módszert vizsgál. Az első módszer az, hogy kizárják a BMS IC által jelenleg mért akkumulátort, rövidre zárják az összes rövidre zárható akkumulátort, majd a DPI során kivonják a mért akkumulátor befecskendezési szintjét, hogy értékeljék ennek a módszernek az IC immunitására gyakorolt hatását. Ezenkívül ez a tanulmány két architektúrát hasonlított össze ezzel az első kiegyensúlyozási módszerrel, a fő különbség az egyidejűleg kiegyensúlyozható akkumulátorok száma. A második kiegyenlítési módszer az, hogy rövidre zárjuk ugyanazt az akkumulátort, amelyet jelenleg az IC mér, egy speciálisan javasolt architektúrában. Ezenkívül a kiegyenlítő ellenállások új elhelyezése miatt a javasolt architektúra az ESD kondenzátort szűrővé alakítja, amely lehetővé teszi a kiegyensúlyozást, amely jelentősen csökkenti a BMS oldalon látható impedanciát, ezáltal csökkenti a befecskendezési szintet. Ezen túlmenően, a parazita induktivitás hatásának értékeléséhez az ESD kondenzátorok és az IC-k közötti különböző távolságokon lévő akkumulátor-kiegyenlítés hatását is értékelték.
Végül ennek a cikknek a felépítése a következő: Először is bemutatjuk a BMS IC környezet modellezését; Másodszor, az első akkumulátor-kiegyenlítési módszerrel hasonlítsa össze a kiegyensúlyozás hatását a befecskendezési szintre két BMS IC architektúra között a DPI során; Harmadszor, mutassa be a javasolt architektúrát, és értékelje a befecskendezési szint egyensúlyára gyakorolt hatását a DPI során a második kiegyenlítési módszerrel.
2. BMS integrált áramköri környezet modellezése
BMS funkció és DPI tesztelés:A BMS fő célja az akkumulátorok optimális és biztonságos működésének biztosítása durva elektromágneses interferencia (EMI) környezetben. A BMS IC néhány fő funkciója magában foglalja az akkumulátor feszültségének pontos mérését és az akkumulátor passzív kiegyensúlyozását, hogy megakadályozzák az akkumulátor leromlását és az akkumulátorcsomagból az optimális energiaelvonást. Annak jellemzésére, hogy az IC-k képesek-e ellátni ezeket a feladatokat durva EMI-környezetekben, közvetlen teljesítménybefecskendezési (DPI) tesztet végeztek úgy, hogy 30 dBm-es teljesítményt közös módban (CM) kapcsoltak az akkumulátorhoz csatlakoztatott összes IC-bemenethez.
DPI-teszt beállítása és a kapcsolódó összetevők:Az 1. ábra a jelen tanulmányban használt DPI-beállítást mutatja egy BMS IC-termék használatával, amely akár 18 akkumulátort is képes felügyelni. Ez a beállítás szuperkondenzátorokat vezet be a 80 V-nál magasabb feszültségű akkumulátorcsomagok létrehozásához 12 V-os akkumulátorok használatával, és stabilizálja az impedanciát az akkumulátoregység oldalán. Az 1. ábrán látható, hogy a jelenlegi modellezési módszerek olyan elemekre fókuszálnak, mint az akkumulátorcsomag és a NYÁK mindkét oldalán 30 cm-es kábelek, szuperkondenzátorok, csatlakozók, a szuperkondenzátor kártyán és a BMS IC kártyán lévő PCB vezetékek, külső komponensek (EC-k). ) a BMS IC táblán, és maga a BMS által bemutatott impedancia.
BMS IC környezetmodellezés:A 2. ábrán a BMS IC bemenetét a C {L} (30pF) kondenzátor modellezi, amely a belső passzív akkumulátor-kiegyenlítő kapcsolót képviseli, Ron=0,25 Ω bekapcsolási ellenállással. Az ESD célokra használt C {d} (47nF) kondenzátor az aggodalomra okot adó EC, amely a legolcsóbb konfigurációt alkalmazza. A modell tartalmazza a C {d} parazita ellenállását és induktivitását is (az R {d} parazita ellenállás 100 MHz-es és nagyobb frekvenciákon vesz fel értékeket), miközben figyelembe veszi a befecskendezett C {i} (330 pF) kondenzátor parazita viselkedését. A C {d} kapacitás viszonylag magas értékei miatt a kábel és a NYÁK-elvezetés kapacitáshatását nem vették figyelembe. Az akkumulátor modellezése ideális feszültségforrással történik, mivel az akkumulátorcsomagot és a kábeleket szuperkondenzátorok rövidre zárják. A 2. ábrán látható 18 akkumulátor összes paramétere hasonló, figyelmen kívül hagyva az egyes akkumulátorok és az IC érintkezők közötti távolság eltérését. Ez a modell a [150kHz, 200MHz] tartományban hatékony.
IC tűvel és architektúrával kapcsolatos helyzet:Az 1. architektúrában van egy C {Bx} érintkező, amelyet az akkumulátorfeszültség mérésére és a passzív akkumulátor-kiegyenlítésre használnak, valamint egy C {Tx} tűt, amelyet csak az akkumulátor redundancia feszültségének mérésére használnak. A C {Tx} tűn keresztül történő mérést egy diszkrét idejű analóg-digitális átalakító (DT ADC) végzi, ezért anti-aliasing szűrőre (AAF, azaz R {f} és C {f}) van szükség; A C {Bx} tűn keresztüli mérést egy folyamatos idejű analóg-digitális konverter (CT ADC) végzi AAF nélkül. A következő rész bemutatja az Architecture 2-t és a tanulmányban használt első kiegyensúlyozási módszert a BMS IC immunitásának javítására. Összehasonlítja továbbá az első passzív akkumulátor-kiegyenlítési módszer által az 1. architektúra és a 2. architektúra között elért befecskendezési szintű csillapítást. Ezenkívül ez a tanulmány feltételezi, hogy az akkumulátor egyensúlyi aktiválása több száz mikroszekundumig tart, ami elegendő az érdeklődő akkumulátor feszültségméréséhez. , és ezért nem lesz jelentős hatással az egyensúlyi akkumulátor töltöttségi állapotára.
3. Különbségek a BMS IC architektúrában, rezonanciaproblémák és az első kiegyensúlyozási módszer hatása
Építészeti különbségek és rezonanciajelenségek:A BMS IC-k érintkezős elrendezése, a használt analóg-digitális átalakítók (ADC-k) száma és típusa, valamint egyéb építészeti szempontok közvetlenül befolyásolják a külső alkatrészeket. Az 1. architektúrában (2. ábra) a C_{B0} és C_{B19} kivételével mindegyik C_{Bx} tűt ketten osztják meg akkumulátorok. Mivel a DPI-teszt során az R_ {b} értéket be kell állítani minden egyes C{{10}}{Bx} lábhoz vezető PCB-nyomon, hogy korlátozzák a közös módból (CM) való átalakítást differenciál üzemmódra (DM), a szomszédos akkumulátorokat nem lehet egyszerre kiegyensúlyozni, és a páratlan és páros elemeket különböző időszakokban kell kiegyensúlyozni. A 2. architektúra (3. ábra) rendelkezik egy további C {Bx \ _ H} tűvel, amely képes egyidejűleg kiegyensúlyozni a szomszédos akkumulátorokat, de növeli a chip méretét, a tűk számát és a külső alkatrészeket (R {b}). Az L_ {T}-ből álló CL trapézhálózat (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) és C_d} többszörös rezonanciát generál, amelyeknek viszonylag alacsony a frekvenciája (10 MHz alatt). A gyakorlati alkalmazásokban a BMS IC-t és az akkumulátorcsomagot összekötő kábel elérheti a 2 métert, ami csökkenti a rezonanciafrekvenciát és magasabb minőségi tényezőt. Bár az R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) bizonyos mértékig csillapíthatja a rezonanciát, a hatás nem elegendő.
Az első kiegyensúlyozási módszer és hatása a befecskendezési szintre:Az ebben a tanulmányban vizsgált első kiegyenlítési módszer az első akkumulátor (C_{L1}) csúcstól csúcsig terjedő feszültségének kinyerése DPI-szimulációban, miközben más akkumulátorokat is kiegyenlítenek. Az 1. architektúra esetében csak a páratlan számú akkumulátorok (az 1. akkumulátor kivételével) vannak kiegyensúlyozva, mivel a páros számú akkumulátorok kiegyensúlyozása (a 2. akkumulátortól kezdve) megváltoztatná az 1. akkumulátor egyenáramát (DC), ami nincs összhangban a tényleges mérési forgatókönyvekkel. A 2. architektúra esetén az 1. akkumulátor kivételével minden akkumulátor kiegyensúlyozható. Értékelje a fűszerkörnyezetben végzett tranziens szimulációkat (kellő periódusstabilitás biztosítása a jelnek, specifikus periódus átlagos csúcs-csúcs feszültség kinyerése és elegendő pont felvétele [150kHz; 200MHz] tartományban). Az eredmények azt mutatták, hogy a passzív akkumulátorkiegyenlítés csökkentette a rezonancia amplitúdóját a várt módon alacsony frekvenciákon, de növelte a befecskendezési szintet magas frekvenciákon (körülbelül 150 MHz). Az Architecture 2 nagyobb hatással van a befecskendezési szintre az alacsony frekvenciákon történő akkumulátorkiegyenlítés miatt, mivel egyszerre több akkumulátort képes kiegyensúlyozni, és több csillapítást is bevezethet; Magas frekvenciákon az inherens befecskendezési szintje alacsonyabb, mint az 1-es architektúrában, és az akkumulátor egyensúly aktiválása után csak kismértékű javulás tapasztalható a magas frekvenciákon. Ezenkívül kompromisszum van az akkumulátor kiegyenlítő ellenállásának $R_ {b} $értéke és a befecskendezési szint között. Az R_ {b} csökkentése fokozza az alacsony frekvenciájú rezonancia csillapítást, de gyengíti a nagyfrekvenciás rezonancia csillapítást, míg az R_ {b} növelése az ellenkező hatást eredményezi.
4. A második egyensúlyi módszer elemzése és egy új architektúra javaslata
Elemezze az ideális forgatókönyveket és fejlesztési stratégiákat:Az akkumulátor kiegyensúlyozásának az alacsony frekvenciájú rezonanciára gyakorolt hatásának értékeléséhez elemezzen egy ideális és egyszerűsített forgatókönyvet (hasonló az 1. architektúrához, de egyszerűsített). 5 MHz alatti frekvenciákon a szuperkondenzátorok rövidzárlatnak tekinthetők, mivel nagy kapacitásuk (10F) és parazita paramétereik (ekvivalens soros ellenállás ESR, ekvivalens soros induktivitás ESL) alacsonyak ebben a tartományban; Az alacsony frekvenciájú rezonancia számításánál a C {L} figyelmen kívül hagyható; Egy egyszerű trapéz alakú hálózat alkalmazása külső terhelés nélkül kényelmes az elemzéshez. A teljes impedanciához ebben a forgatókönyvben (1. képlet) a rezonanciafrekvenciát egy adott kifejezéssel (2. képlet) számítottuk ki. Megállapítást nyert, hogy a megadott paraméterek mellett a 2. képlet diszkriminánsa negatív, két képzeletbeli gyökkel, a valós rész pedig rezonanciacsillapítást (pszeudo periodikus állapot, 3. képlet) tükröz. A 7b. ábrán látható akkumulátor-kiegyenlítés egyszerűsített megvalósítási forgatókönyvéhez a rezonancia polinomját számítottuk ki (4. képlet). Megállapították, hogy az R ellenállás lehetőség szerinti csökkentése a rezonanciaindex diszkriminatívabb kifejezéseit pozitívvá teheti, jelentősen gyengítve a rezonanciafrekvenciát, de néhány rezonancia még mindig pszeudo periodikus állapotban van. A csillapítási tényező (Formula 5) azt jelzi, hogy ha az R elég alacsony, az akkumulátor kiegyensúlyozása jelentősen befolyásolhatja a befecskendezési szintet. Bár az ellenállás növelése javíthatja az R_ {T} értéket, ez nem kivitelezhető az 1. és 2. architektúránál, mert csökkenti a C_ {Tx} érintkező mérési pontosságát az akkumulátor kiegyensúlyozása során.
Új architektúra és teljesítményértékelés javaslata:Javasoljon egy új architektúrát, amelyben a C {Tx} érintkező mérése folyamatos idejű analóg-digitális átalakítót (CT ADC) használ anélkül, hogy anti-aliasing szűrőkre (AAF, azaz R {f} és C {f}) lenne szükség. , a C {Bx} érintkező mérése diszkrét idejű analóg-digitális átalakítót (DT ADC) használ, és az R {b} egyensúlyi ellenállást a C ESD kondenzátor elé mozgatja. {d}, komponensek megtakarítása és az alacsony frekvenciájú rezonancia csillapítás fokozása. Az akkumulátor kiegyensúlyozása során a mérési hibák elkerülése érdekében a C {Tx} mérését R {b} előtt kell elvégezni. A második kiegyensúlyozási módszer kiegyensúlyozza a mért akkumulátort (például x cella, 8. ábra), hogy csökkentse a C {Tx} tű befecskendezési szintjét. Az új architektúra maximalizálja az akkumulátor kiegyensúlyozásának a DPI befecskendezési szintjére gyakorolt hatását azáltal, hogy R {b}-t C {d} elé helyezi, és C {d}-t közelebb viszi az IC-hez. A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy az új architektúra inherens befecskendezési szintje alacsonyabb, mint a régi architektúra, amikor az akkumulátor kiegyensúlyozása nincs aktiválva (5. ábra), és jelentős csillapítás érhető el, ha a C {d} ésszerű távolságra van az IC-től ( 0,5 cm vagy 1 cm) (9. ábra). Azonban az új architektúra ESD-teljesítményének kompromisszuma van. Az 1. és 2. architektúrában ESD esemény esetén a C {d} alacsony impedanciájú földelési utat biztosít a lábnak, míg az új architektúrában az R {b} nagy feszültségkockázatot jelent a C {Tx} érintkezőre. Ezért az R {b}-nak megfelelő értéket kell választania, vagy belső szorítóeszközt kell elhelyeznie a C {Tx}-on a probléma enyhítése érdekében. A jövőbeni munka az új architektúra ESD teljesítményének javítására fog összpontosítani.
5. Összegzés
Ez a tanulmány egy akkumulátor-menedzsment rendszer integrált áramköri (BMS IC) modelljét javasolja a gyakorlati közvetlen befecskendezési (DPI) szimulációhoz, javasolja az első akkumulátor-kiegyenlítési módszert a befecskendezési szint csökkentésére a DPI során, és összehasonlítja két architektúra teljesítményét ezzel a módszerrel. Egy egyszerű elemzési modell felállításával, az akkumulátor kiegyensúlyozásának az alacsony frekvenciájú rezonancia csillapítási szintjére gyakorolt hatásának feltárásával, és stratégiák meghatározásával az alacsony frekvenciájú fontos zajok csatolásának csökkentésére. Javasoljon egy új architektúrát, amely csökkenti a külső alkatrészek számát és a befecskendezési szinteket, így az akkumulátorok kiegyensúlyozása fontosabbá válik az IC immunitása szempontjából.
Az új architektúra kompromisszumokat tartalmaz az elektrosztatikus kisülés (ESD) teljesítményével kapcsolatban. A jövőbeni munka az új architektúra ESD-teljesítményének értékelésére és a lehetséges javítási intézkedések feltárására fog összpontosítani a külső komponensek számának túlzott növelése nélkül az új architektúra általános teljesítményének optimalizálása, a gyakorlati akkumulátor-felügyeleti rendszerekben való jobb alkalmazása, valamint a a rendszer teljesítménye az elektromágneses kompatibilitás terén, biztosítja az akkumulátorkezelő rendszer stabil működését összetett elektromágneses környezetben, és egyensúlyban tartja a költségeket és a teljesítményt.