Aufladbare Batterien sind die grundlegenden Bestandteile von Batterien-Energiespeichersystemen (BESS).,Für die Entwickler von Batteriemanagementsystemen (BMS) ist es wichtig, dass dieDiese Konstruktionsstruktur steht vor vielen Herausforderungen bei der Erreichung einer optimalen Leistung, Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit.
Zum Beispiel erfordert die Konzeption oder Auswahl von integrierten Schaltungen (ICs), die den Anwendungsanforderungen entsprechen, ein tiefes Verständnis der Batteriechemie, Lade, Überwachung, Lastbilanz, Isolierung,Sicherheit, und Kommunikationstechnologien, um eine effiziente Umsetzung zu gewährleisten.
Zu diesem Zweck haben die Lieferanten viele notwendige Funktionen in spezielle ICs integriert, die im Wesentlichen unabhängig von den Prozessoren sind.Viele Modelle dieser Art von IC unterstützen nicht nur mehrere Lithium-basierte Batteriechemie-SystemeDiese Art von IC sammelt Daten aus Batteriezellen und trifft optimale Entscheidungen und Aktionen im Echtzeitmanagement.Diese Arten von Schaltkreisen liefern dem Systemprozessor auch Daten über den Zustand der Batteriezelle und den Betriebszustand.
In diesem Artikel werden kurz die einzigartigen technischen Anforderungen an Mehrzellergruppen vorgestellt.Analog Devices' fortschrittliche spezialisierte optimierte Schaltungen einführen und erläutern, wie diese Schaltungen zur Erfüllung der oben genannten Anforderungen verwendet werden.
Mehrfache Batteriezellen werden weitere Herausforderungen mit sich bringen
Das grundlegende Schaltkreislaufdiagramm eines Akkupacks mag einfach erscheinen,aber es beinhaltet tatsächlich mehrere Batteriezellen, die höhere Spannung durch Serienanschluss und größeren Strom durch Parallelanschluss erhaltenDies bedeutet, dass solche Konfigurationen nur eine einfache Erweiterung von Einzelzellen-/Mehrzel-Batterienpaketen sind, die fast keine zusätzliche Verwaltung erfordern.Dieses Multi-Zell-Akku ist für Elektrowerkzeuge geeignet, die 18V oder 48V benötigen, Elektrofahrzeuge (EV), die 400V oder 800V benötigen, und BESS-Systeme, die typischerweise 1500V benötigen.
Die tatsächliche Situation dieser größeren Batteriepacks ist, daß ihre Details und Komplexität weit über das hinausgehen, was in ihren Schaltkreisdiagrammen gezeigt wird.Die Schwierigkeiten bei der Bewältigung dieser Herausforderungen wachsen exponentiell..
Zunächst ist es notwendig, die Batteriezelle zu überwachen, um ihre Endspannung, Ladenausladekurve, Ladestatus (SoC), Temperatur und Fehlervorläufermerkmale zu verfolgen.Es ist notwendig, die verschiedenen Batteriezellen einheitlich zu verwalten und ihre Unterschiede zu erfassen und zu berücksichtigen..
Wenn es keine universellen Regeln gibt, wird die Komplexität des Batteriezellmanagements weiter zunehmen.die Angemessenheit der gewählten Managementstrategie hängt von den chemischen Eigenschaften der Batteriezellen ab.Die für verschiedene chemische Hauptsysteme angewandten Managementstrategien sind unterschiedlich (wie z. B. Lithium-Ionen- (Li-Ionen-) und Blei-Säure-Batterien).und innerhalb desselben allgemeinen chemischen Systems (z. B. verschiedene Li-Ionen-Batterienformulierungen)Daher müssen fortgeschrittene BMS-Managementstrategien auf die chemischen Eigenschaften der gesteuerten Batteriezellen zugeschnitten werden.
Aufgrund der großen Anzahl von Batteriezellen in Hochspannungs- und Hochkapazitätsbatterien, die zahlreiche Sicherheitsstandards erfüllen müssen,Überwachung und Verwaltung lokaler Batteriezellen ist derzeit die praktikabelste technische LösungObwohl das System in der Regel mit einem Hauptprozessor ausgestattet ist,kann in der Regel nur fortgeschrittene Regulierungsanweisungen für die lokale Zellüberwachung und die Bewertung der Gesamtleistung des Batteriepacks ausstellen. The monitoring and management of a single battery cell is accomplished by an autonomous electronic system that provides real-time functionality and primarily operates without the need for system level processor intervention.
Passive und aktive Batteriebilanz
Der Zellhaushalt ist besonders wichtig, um die Integrität mehrerer Zellgruppen aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass einige Zellen nicht durch Überlastung beschädigt werden.und verhindert, dass andere Batterien aufgrund geringer Auslastung in Leerlauf gehenDie Zellbilanz kann Schäden an Zellen und Batteriepacks verhindern und somit die Leistung maximieren.Verhinderung von Überlastungen, SoC-Ungleichgewicht, Überentladung und vorzeitiges Altern, was letztendlich die Lebensdauer der Batterie verlängert.
Es gibt zwei Methoden für die Zellbilanz: aktive und passive Balanzierung.Aktives Balancieren verwendet die Technologie des aktiven Schaltkreises, um die Ladung zwischen den einzelnen Zellen des Akkupakets umzuverteilen, um sicherzustellen, dass die SoC aller Zellen konsistent bleibt.Dieser Schaltkreis überwacht die Spannung jeder Batteriezelle und passt die Lade- und Entladeströme entsprechend an die Ergebnisse der Überwachung an.
Im Gegensatz dazu setzt das passive Balancing auf Ohms Gesetz und Balancewiderstände, um die Zelle auf denselben SoC-Zustand einzustellen.Passive Balancing kann auch überschüssige Energie in Batteriezellen mit hohem Batteriegehalt (Ausfall) absondern.
Beginnend mit der Überwachung mehrerer Zellen
Obwohl es bereits eine Vielzahl von ESS-Lösungen auf dem Markt gibt, liegen die beiden wichtigsten Frontend-Funktionen von BMS immer noch in der Überwachung und Balancierung von Batteriezellen.Das in Abbildung 1 dargestellte ADES1830CCSZ-IC, als 16-Kanal-Mehrzellen-Mehrchemie-System-Batteriemonitor nicht nur die oben genannten Funktionen erreicht,Sie enthält jedoch auch zahlreiche Schlüsselfunktionen, die dazu beitragen, das Gesamtsystemdesign und -betrieb zu vereinfachen..
ADES1830CCSZ-Zellmonitor von Analoggeräten mit mehreren Zellen und chemischen Systemen (Klicken, um zu vergrößern)
Abbildung 1: ADES1830CCSZ-Zellmonitor mit mehreren Zellen und mehreren chemischen Systemen wird als Grundbaustein für ein umfassendes BMS verwendet. (Bildquelle: Analog Devices)
Dieser Mehrzellengruppenmonitor kann bis zu 16 seriell angeschlossene Zellen mit einem Gesamtmessfehler (TME) von weniger als 2 mV im gesamten Temperaturbereich messen.während die TME anderer ADES1831CCSZ mit denselben Spezifikationen etwas höher istDer Mess-Eingangsbereich von -2 V bis 5,5 V macht ADES1830 und ADES1831 für die meisten batteriechemischen Materialien geeignet.
Um bei der Überwachung von Batteriepaketen mit einer großen Anzahl von Zellen die Konsistenz zu gewährleisten,alle Zellen können über doppelte integrierte analoge-digitale Konverter (ADC) redundant synchron gemessen werdenDiese Analog-Digital-Wandler (ADCs) arbeiten kontinuierlich mit einer hohen Probenahmenrate von 4,096 Mega-Samples pro Sekunde (MSPS).so den Einsatz externer analoger Filter reduziert und aliasingfreie Messwerte erzielt werdenBei Bedarf kann eine zusätzliche Lärmreduktion durch nachgelagerte, programmierbare Filter mit unendlicher Impulsrespondenz (IIR) erreicht werden.ADES1830 und ADES1831 verfügen auch über eine passive Ausgleichsfunktion - durch unabhängige Impulsbreitenmodulation (PWM), und unterstützen einen Entladestrom von bis zu 300 mA pro Zelle.
Obwohl ein einzelnes ADES1830- oder ADES1831-Gerät nur 16 Zellen in Serie unterstützt, können mehrere Geräte kaskadiert verwendet werden, um gleichzeitig die Zellen eines langen Strang-Hochvolt-Akkupakets zu überwachen.Um eine Verbindung zwischen den IC-Chips herzustellen, jedes Gerät mit einer isolierten seriellen Port-Schnittstelle (isoSPI) ausgestattet ist,mit einer Leistung von mehr als 50 W und einer Leistung von mehr als 100 W,.
Durch diese Methode kann eine einzige Hauptprozessorverbindung Daten ablesen und die gesamte Batteriekette überwachen.Gewährleistung der Datenintegrität auch bei Ausfällen des Kommunikationsweges.
Um die Anwendbarkeit dieser Mehrzelldetektoren zu optimieren, hat Analog Devices das Evaluationsbrett EV-ADES1830CCSZ (Abbildung 2 links) auf den Markt gebracht.Mehrfache Auswertungsplatten können über die IsoSPI-Schnittstelle angeschlossen werden, um eine lange Zellkette im Batteriepaket zu überwachen (rechte Seite Abbildung 2).