Şarj edilebilir piller, Pil Enerji Depolama Sistemlerinin (BESS) temel bileşenleridir.,Yüzlerce hatta binlerce hücre, daha yüksek voltajlarda daha verimli çalışmayı sağlıyor.Bu tasarım yapısı en iyi performansı elde etmek için birçok zorlukla karşı karşıya, verimlilik, güvenilirlik ve güvenlik.
Örneğin, uygulama gereksinimlerini karşılayan entegre devrelerin (IC) tasarımı veya seçimi, pil kimyasal, şarj, izleme, yük dengeleme, izolasyon,Güvenlik, ve iletişim teknolojileri verimli bir uygulama sağlamak için.
Bu amaçla, tedarikçiler birçok gerekli fonksiyonu, esasen işlemcilerden bağımsız olan özel IC'lere entegre ettiler.Bu tip IC'lerin birçok modeli sadece birden fazla lityum tabanlı pil kimyasal sistemlerini desteklemez.Bu tip IC, pil hücrelerinden veri toplar ve en iyi gerçek zamanlı pil yönetimi kararlarını ve eylemlerini yapar.Bu tip IC'ler ayrıca sistem işlemcisine pil hücresi durumu ve işletim durumu ile ilgili veriler sağlar..
Bu makalede çok hücreli grupların benzersiz teknik gereksinimleri kısaca tanıtılacak.Analog Devices'in gelişmiş özel optimize edilmiş IC'lerini tanıtmak ve bu IC'leri yukarıdaki gereklilikleri karşılamak için nasıl kullanacağınızı açıklamak.
Çoklu pil hücreleri daha fazla zorluk getirecek
Bir pil paketinin temel devre diyagramı basit görünebilir,Ama aslında çoklu pil hücrelerini içerir. Seri bağlantısı yoluyla daha yüksek voltaj ve paralel bağlantı yoluyla daha büyük akım elde eder.Bu, bu tür konfigürasyonların, neredeyse ek bir yönetim gerektirmeyen tek hücreli / birkaç hücreli batarya paketlerinin basit bir uzantısı olduğu anlamına gelir.Bu çok hücreli pil paketi 18V veya 48V gerektiren elektrikli aletler için uygundur, 400V veya 800V gerektiren elektrikli araçlar (EV) ve tipik olarak 1500V gerektiren BESS sistemleri.
Bu daha büyük pil paketlerinin gerçek durumu, detaylarının ve karmaşıklıklarının devre diyagramlarında gösterilenleri çok fazla aşmasıdır.Bu zorlukların üstesinden gelmenin zorluğu katlanarak artıyor..
İlk olarak, terminal voltajını, şarj boşaltma eğrisini, şarj durumunu (SoC), sıcaklığı ve hata öncüsü özelliklerini takip etmek için pil hücresini izlemek gerekir.Farklı pil hücrelerini eşit bir şekilde yönetmek ve farklılıklarını kaydetmek ve dikkate almak gerekir..
Eğer evrensel bir kural seti yoksa, pil hücresi yönetiminin karmaşıklığını daha da artıracaktır.Alınan yönetim stratejisinin uygunluğu, pil hücrelerinin kimyasal özelliklerine bağlıdır.Farklı büyük kimyasal sistemler için kabul edilen yönetim stratejileri farklıdır (örneğin lityum iyon (Li-ion) ve kurşun asitli piller),ve aynı genel kimyasal sistem içinde (örneğin çeşitli Li-ion pil formülasyonları), kullanılan yönetim stratejileri de farklıdır. Bu nedenle, gelişmiş BMS yönetim stratejileri yönetilen pil hücrelerinin kimyasal özelliklerine göre uyarlanmalıdır.
Yüksek voltajlı ve yüksek kapasiteli batarya paketlerinde bulunan çok sayıda batarya hücresi nedeniyle, birçok güvenlik standardına uymak zorundadır.Yerel pil hücrelerinin izlenmesi ve yönetimi şu anda en uygulanabilir mühendislik çözümüdür.Sistem genellikle ana işlemci ile donatılmış olsa da,Genellikle sadece yerel hücre izleme ve pil paketinin genel performansını değerlendirmek için gelişmiş düzenleyici talimatlar verebilir.. 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.
Pasif ve aktif pil dengeleme
Hücre dengesi, çoklu hücre gruplarının bütünlüğünü korumak için özellikle önemlidir, bazı hücrelerin aşırı yüklenme nedeniyle hasar görmemesini sağlar.ve düşük kullanım nedeniyle diğer pillerin boş durmasını önlemekHücre dengeleme, hücrelerin ve pil paketlerinin hasar görmesini önleyebilir ve böylece performansı en üst düzeye çıkarır. Hücre dengeleme, pil paketindeki tüm hücrelerin aynı anda maksimum kapasiteye ulaşmasını sağlar.Aşırı ücretlendirmeyi önlemek, SoC dengesizliği, aşırı şarj ve erken yaşlanma, sonunda pil ömrünü uzatır.
Hücre dengeleme için iki yöntem vardır: aktif ve pasif dengeleme. Aktif eşitleme pasif eşitleme'den daha doğrudur ve daha hızlıdır, ancak uygulanması daha karmaşıktır.Aktif dengeleme, pil paketindeki her hücre arasında şarjı yeniden dağıtmak için aktif devre teknolojisini kullanır, tüm hücrelerin SoC'sinin tutarlı kalmasını sağlar.Bu devre, her bir pil hücresinin voltajını izler ve izleme sonuçlarına göre şarj ve boşaltma akımlarını buna göre ayarlar..
Buna karşılık, pasif dengeleme, hücreyi aynı SoC durumuna ayarlamak için Ohm yasasına ve dengeleme dirençlerine dayanır.Pasif dengeleme, yüksek pil hücrelerindeki fazla enerjiyi (atık) de dağıtabilir.
Çok hücreli izlemeden başlayalım.
Zaten piyasada çok sayıda ESS çözümü olmasına rağmen, BMS'nin iki temel ön uç fonksiyonu hala pil hücrelerinin izlenmesi ve dengelenmesinde yatıyor.Şekil 1'de gösterilen ADES1830CCSZ IC, 16 kanallı, çok hücreli, çok kimyasal sistemli batarya monitörü olarak, sadece yukarıdaki işlevleri gerçekleştirmez,aynı zamanda genel sistem tasarımını ve işleyişini basitleştirmeye yardımcı olan birçok önemli özelliği de entegre eder..
Analog Aygıtlar'ın ADES1830CCSZ Hücre Monitörü Çoklu Hücre ve Kimyasal Sistemlerle (Büyütmek için tıklayın)
Şekil 1: Çoklu hücre ve çoklu kimyasal sistemli ADES1830CCSZ hücre monitörü, kapsamlı bir BMS için temel yapı bloğu olarak kullanılır.
Bu çok hücreli grup monitörü, tüm sıcaklık aralığında toplam ölçüm hatası (TME) 2 mV'den daha az olan 16 seriye bağlı hücreyi ölçebilir.Aynı özelliklere sahip diğer ADES1831CCSZ'lerin TME'si biraz daha yüksektir.2 V'den 5.5 V'ye kadar olan ölçüm giriş aralığı, ADES1830 ve ADES1831'i çoğu pil kimyasal malzemesi için uygun kılar.
Çok sayıda hücre içeren pil paketlerini izlerken tutarlılık sağlamak için,Tüm hücreler, ikili entegre analog-dijital dönüştürücü (ADC) ile eşzamanlı olarak ölçülebilir.Bu analog-dijital dönüştürücüler (ADC) saniyede 4.096 megasample (MSPS) yüksek örnekleme hızında sürekli çalışmaktadır.Bu şekilde dış analog filtrelerin kullanımını azaltmak ve aliasing serbest ölçüm sonuçlarına ulaşmakGerekirse, aşağıda programlanabilir sonsuz dürtü tepkisi (IIR) filtreleri ile ek gürültü azaltımı sağlanabilir.ADES1830 ve ADES1831 ayrıca pasif dengeleme fonksiyonuna sahiptir - bağımsız atım genişliği modülasyonu (PWM) ile görev döngüsü kontrolü ile elde edilir, ve hücre başına 300 mA'ya kadar bir boşaltma akımını destekler.
Tek bir ADES1830 veya ADES1831 cihazı sadece 16 hücreyi seri olarak desteklemiş olsa da, birden fazla cihaz aynı anda uzun bir ip yüksek voltajlı pil paketinin hücrelerini izlemek için kaskadlı olarak kullanılabilir.IC çipleri arasındaki bağlantıyı elde etmek için, her cihaz izole bir seri port arayüzü (isoSPI) ile donatılmıştır.Kullanıcı tarafından seçilen kondansatörler veya transformatörler aracılığıyla radyo frekans müdahalelerine karşı koyabilen uzun mesafeli yüksek hızlı iletişim elde etmek için elektrikle izole edilmiş.
Bu yöntemle tek bir ana işlemci bağlantısı verileri okuyabilir ve tüm pil dizinini izleyebilir.İletişim yolu hataları durumunda bile veri bütünlüğünü sağlamak.
Bu çok hücreli dedektörlerin uygulanabilirliğini optimize etmek için, Analog Devices, EV-ADES1830CCSZ değerlendirme tablosunu (Şekil 2, sol) piyasaya sürdü.Akü paketindeki uzun bir hücre dizisini izlemek için isoSPI arayüzü üzerinden birden fazla değerlendirme panosu bağlanabilir (Şekil 2'nin sağ tarafında).