ทำไมและวิธีการใช้ไอซีสำหรับการจัดการแบตเตอรี่สำหรับเซลล์แบบที่ซ้อนกัน

แบตเตอรี่แบบชาร์จได้มีการใช้มากขึ้นเพื่อส่งแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและพลังงานที่เพิ่มขึ้นในการใช้งาน เช่น รถยนต์ไฟฟ้า (EV) และยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริด (HEV) เครื่องมือไฟฟ้า อุปกรณ์สนามหญ้า และเครื่องสำรองไฟ แม้ว่าจะเป็นที่ทราบกันดีว่าเคมีทุกประเภทจำเป็นต้องมีการตรวจสอบและการจัดการอย่างรอบคอบเพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานมีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และปลอดภัย แต่สแต็กที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจำนวนหลายสิบเซลล์ขึ้นไปซึ่งจำเป็นต่อความต้องการด้านพลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้ต้องได้รับการเอาใจใส่มากขึ้น จากนักออกแบบโดยเฉพาะเมื่อจำนวนเซลล์ต่อแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น

การตรวจสอบและวัดค่าเซลล์เดียวหรือก้อนแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่มีเซลล์เพียงไม่กี่เซลล์เป็นความท้าทายเพียงเล็กน้อย และง่ายกว่าการทำแบบเดียวกันสำหรับเซลล์ในชุดสตริงแบบหลายเซลล์ นักออกแบบของการใช้งานแบบหลายเซลล์แบบเรียงซ้อนจำเป็นต้องพิจารณาประเด็นต่าง ๆ เช่น การวัดผลแม้จะมีแรงดันไฟฟ้าในโหมดทั่วไปสูง แรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย ผลกระทบของความล้มเหลวในเซลล์เดียว มัลติเพล็กซ์ในเซลล์จำนวนมาก การไม่ตรงกันของเซลล์และการปรับสมดุล และแบตเตอรี่ ความแตกต่างของอุณหภูมิ -stack เพื่ออ้างอิงเพียงไม่กี่ สิ่งเหล่านี้ต้องใช้ไอซีการจัดการแบตเตอรี่ขั้นสูง (BMIC) และระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เพื่อทำการวัดและควบคุมพารามิเตอร์ และความรู้ด้านวิศวกรรมบางอย่างเพื่อให้ใช้งานได้อย่างถูกต้อง

บทความนี้กล่าวถึงข้อมูลพื้นฐานและความท้าทายของการจัดการแบตเตอรี่โดยทั่วไป และโดยเฉพาะแบตเตอรี่แบบที่มีหลายเซลล์ จากนั้นจะแนะนำและแสดงวิธีการใช้ BMIC จาก Analog Devices ,Renesas Electronics Corp., และTexas Instruments ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับปัญหาเฉพาะของการจัดการสตริงของเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

สายซีรีย์แบตเตอรี่ก่อให้เกิดความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร

การตรวจสอบแบตเตอรี่โดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการวัดกระแสไหลเข้าและออกจากแบตเตอรี่ (การวัดเชื้อเพลิง) การตรวจสอบแรงดันขั้ว การประเมินความจุของแบตเตอรี่ การตรวจสอบอุณหภูมิของเซลล์ และการจัดการรอบการชาร์จ/การคายประจุเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเก็บพลังงานและเพิ่มจำนวนรอบดังกล่าวให้ได้มากที่สุดตลอดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ BMIC หรือ BMS ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมีฟังก์ชันเหล่านี้สำหรับชุดแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่ประกอบด้วยเซลล์หนึ่งหรือสองเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าหลักเดียว BMIC หรือ BMS ทำหน้าที่เป็นส่วนหน้าในการเก็บข้อมูล โดยมีการรายงานข้อมูลไปยังตัวควบคุมการจัดการเซลล์ (CMC) ในระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น CMC จะเชื่อมต่อกับฟังก์ชันที่มีลำดับสูงกว่าที่เรียกว่าตัวควบคุมการจัดการแบตเตอรี่ (BMC)

สำหรับวัตถุประสงค์ของบทความนี้ "เซลล์" คือหน่วยเก็บพลังงานส่วนบุคคล ในขณะที่ "แบตเตอรี่" คือชุดพลังงานทั้งหมด ซึ่งประกอบด้วยหลายเซลล์ในชุดค่าผสม/แบบขนาน แม้ว่าเซลล์แต่ละเซลล์จะผลิตไฟฟ้าได้เพียงไม่กี่โวลต์ แต่ชุดแบตเตอรี่สามารถสร้างขึ้นจากเซลล์ได้หลายสิบเซลล์ขึ้นไปและให้กระแสไฟฟ้าได้หลายสิบโวลต์ และชุดแบตเตอรี่ที่รวมกันจะยิ่งเพิ่มสูงขึ้นอีก

เพื่อการจัดการที่มีประสิทธิภาพ พารามิเตอร์ของเซลล์ที่สำคัญที่ต้องวัด ได้แก่ แรงดันขั้ว กระแสประจุ/ประจุไฟฟ้า และอุณหภูมิ ประสิทธิภาพการวัดที่จำเป็นสำหรับชุดแบตเตอรี่สมัยใหม่นั้นค่อนข้างสูง: แต่ละเซลล์จะต้องวัดภายในสองสามมิลลิโวลต์ (mV) และมิลลิแอมป์ (mA) และประมาณหนึ่งองศาเซนติเกรด (°C) สาเหตุของการเฝ้าติดตามเซลล์อย่างใกล้ชิด ได้แก่:

• การระบุสถานะการชาร์จของก้อนแบตเตอรี่ (SOC) และสภาวะสุขภาพ (SOH) เพื่อให้สามารถคาดการณ์ความจุของก้อนแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่ (เวลาใช้งาน) และอายุขัยโดยรวมได้อย่างแม่นยำ
• การให้ข้อมูลที่จำเป็นต่อการสร้างสมดุลของเซลล์ ซึ่งปรับแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่มีประจุด้วยความเคารพซึ่งกันและกัน แม้จะมีความแตกต่างภายใน เช่นเดียวกับตำแหน่ง อุณหภูมิ และอายุที่ต่างกัน ความล้มเหลวในการปรับสมดุลเซลล์ส่งผลให้ประสิทธิภาพของก้อนแบตเตอรี่ลดลงอย่างดีที่สุด และเซลล์ล้มเหลวอย่างเลวร้ายที่สุด การทรงตัวสามารถทำได้โดยใช้เทคนิคแบบพาสซีฟหรือแบบแอคทีฟ อย่างหลังให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างดีกว่า แต่มีราคาแพงและซับซ้อนกว่า
• ป้องกันสภาวะต่างๆ ที่อาจสร้างความเสียหายให้กับแบตเตอรี่และนำไปสู่ความกังวลด้านความปลอดภัยสำหรับผู้ใช้ (เช่น รถและผู้โดยสาร) ซึ่งรวมถึงสถานการณ์ที่ไม่พึงประสงค์เช่น:
• แรงดันไฟเกินหรือการชาร์จที่กระแสไฟมากเกินไป ซึ่งอาจนำไปสู่การหนีจากความร้อน
• แรงดันไฟตก: การคายประจุเกินเพียงครั้งเดียวจะไม่ทำให้เกิดความล้มเหลวอย่างร้ายแรง แต่อาจเริ่มละลายตัวนำแอโนดได้ รอบการคายประจุที่มากเกินไปซ้ำแล้วซ้ำเล่าสามารถนำไปสู่การชุบลิเธียมในเซลล์การชาร์จและอาจมีการระบายความร้อนด้วย
• อุณหภูมิที่สูงเกินไปส่งผลกระทบต่อวัสดุอิเล็กโทรไลต์ของเซลล์ ทำให้ SOC ลดลง นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มการก่อตัวของโซลิดอิเล็กโทรไลต์ระหว่างเฟส (SEI) ส่งผลให้มีความต้านทานเพิ่มขึ้นและไม่สม่ำเสมอและการสูญเสียพลังงาน
• ภายใต้อุณหภูมิก็เป็นปัญหาเช่นกันเนื่องจากอาจทำให้เกิดการสะสมของลิเธียมซึ่งส่งผลให้สูญเสียกำลังการผลิตเช่นกัน
• กระแสไฟเกินและความร้อนภายในที่เป็นผลลัพธ์อันเนื่องมาจากอิมพีแดนซ์ภายในที่ไม่สม่ำเสมอและรันอะเวย์จากความร้อนในที่สุด นี้สามารถเพิ่มชั้น SEI ในแบตเตอรี่และเพิ่มความต้านทาน

แต่ก็ยังคงมีข้อสงสัยอยู่ ตัวอย่างเช่น มันค่อนข้างตรงไปตรงมาในการวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์อย่างแม่นยำที่แท่นทดสอบหรือการตั้งค่าที่ไม่เป็นพิษเป็นภัยอื่น ๆ นักออกแบบเพียงแค่ต้องเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์แบบดิจิตอล (DVM) แบบลอย (ไม่ต่อสายดิน) หรือแบบใช้แบตเตอรี่ผ่านเซลล์ที่สนใจ (ภาพที่ 1)

รูปที่ 1: การวัดแรงดันไฟฟ้าในเซลล์เดียวของสตริงอนุกรมนั้นง่ายในแนวคิด โดยต้องใช้โวลต์มิเตอร์แบบดิจิตอลลอยน้ำเท่านั้น (ที่มาของภาพ: Bill Schweber)

อย่างไรก็ตาม ด้วยความมั่นใจและความปลอดภัยในสถานการณ์ที่รุนแรงทางไฟฟ้าและสิ่งแวดล้อม เช่น ในรถยนต์ไฟฟ้าหรือ HEV นั้นยากกว่ามากด้วยเหตุผลหลายประการ สิ่งนี้ชัดเจนโดยตัวอย่างชุดจ่ายไฟ EV ที่เป็นตัวแทนซึ่งประกอบด้วยเซลล์ 6720 Li+ ซึ่งจัดการโดยโมดูลควบคุมแปดชุด (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ชุดแบตเตอรี่ในโลกแห่งความเป็นจริงคืออาร์เรย์ของอนุกรมและเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบขนานในโมดูล โดยมีพลังงานสะสมอยู่เป็นจำนวนมาก ปัจจัยเหล่านี้เป็นปัจจัยที่ทำให้งานวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์มีความซับซ้อนมาก (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

แต่ละเซลล์มีความจุ 3.54 แอมแปร์-ชั่วโมง (Ah) ส่งผลให้มีการจัดเก็บพลังงานโดยรวมที่ 100 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) (3.54 Ah x 4.2 โวลต์ x 6720 เซลล์) แถวที่เชื่อมต่อ 96 แถวแต่ละแถวประกอบด้วย 70 เซลล์แบบขนาน สำหรับแรงดันแบตเตอรี่ 403.2 โวลต์ (96 แถว × 4.2 โวลต์) ที่มีความจุ 248 Ah (100 kWh/403.2 โวลต์ หรือ 3.54 Ah × 70 คอลัมน์)

ท่ามกลางปัญหาคือ:

• การให้ความละเอียดและความแม่นยำที่จำเป็นเมื่อทำการวัดแรงดันไฟต่ำที่มีตัวเลขหลักเดียวเพื่อให้ได้ความแม่นยำที่มีความหมายในหลายมิลลิโวลต์ เนื่องจากการมีอยู่ของแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปสูง (CMV) ซึ่งอาจทำให้ระบบการวัดทำงานหนักเกินไปหรือส่งผลกระทบ ความถูกต้องในการอ่าน CMV นี้คือผลรวมของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมทั้งหมด จนถึงเซลล์ที่กำลังวัด โดยเทียบกับระบบทั่วไป (เรียกอีกอย่างว่า "กราวด์" แม้ว่าจะเป็นการเรียกชื่อผิดก็ตาม) โปรดทราบว่าในรถยนต์ EV สามารถมีเซลล์แบตเตอรี่ได้มากถึง 96 หรือ 128 เซลล์ต่ออนุกรมกัน ทำให้ได้ CMV ในหน่วยโวลต์หลายร้อย
• เนื่องจาก CMV สูง จึงจำเป็นต้องแยกเซลล์ออกจากส่วนที่เหลือของระบบด้วยไฟฟ้า เพื่อความสมบูรณ์ทางไฟฟ้าและความปลอดภัยของผู้ใช้/ระบบ เนื่องจากทั้งสองไม่ควรสัมผัสกับ CMV แบบเต็ม
• สัญญาณรบกวนและไฟกระชากอาจทำให้การอ่านค่าช่วงมิลลิโวลต์เสียหายได้ง่าย
• ต้องวัดหลายเซลล์เกือบพร้อมกันภายในเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีเพื่อสร้างภาพรวมที่ถูกต้องของเซลล์และสถานะของก้อนแบตเตอรี่ มิฉะนั้น เวลาเบี่ยงเบนระหว่างการวัดเซลล์อาจส่งผลให้เกิดข้อสรุปที่ทำให้เข้าใจผิดและการดำเนินการที่เป็นผลลัพธ์
• เซลล์จำนวนมากหมายความว่าจำเป็นต้องมีการจัดเรียงมัลติเพล็กซ์บางประเภทระหว่างเซลล์กับส่วนที่เหลือของระบบย่อยการรับข้อมูล มิฉะนั้นขนาด น้ำหนัก และต้นทุนของการเดินสายเชื่อมต่อโครงข่ายจะกลายเป็นสิ่งต้องห้าม

สุดท้าย มีข้อควรพิจารณาที่สำคัญและจำเป็นเกี่ยวกับความปลอดภัย ความซ้ำซ้อน และการรายงานข้อผิดพลาดที่ต้องได้รับการตอบสนอง มาตรฐานแตกต่างกันไปในแต่ละอุตสาหกรรม เครื่องมืออุตสาหกรรมและเครื่องมือไฟฟ้าต่างจากรถยนต์อย่างมาก และเครื่องมือรุ่นหลังนั้นเข้มงวดที่สุด ในระบบยานยนต์ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เช่น ระบบที่เกี่ยวข้องกับการจัดการแบตเตอรี่ การสูญเสียฟังก์ชันการทำงานจะต้องไม่นำไปสู่สถานการณ์ที่เป็นอันตราย ในกรณีที่เกิดความผิดปกติภายในระบบ สถานะ "ปลอดภัย" กำหนดให้ปิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และต้องแจ้งเตือนผู้ขับขี่รถยนต์ผ่านไฟแดชบอร์ดหรือไฟแสดงสถานะอื่น ๆ

อย่างไรก็ตาม สำหรับบางระบบ การทำงานผิดพลาดหรือสูญเสียการทำงานอาจนำไปสู่เหตุการณ์ที่เป็นอันตรายและไม่สามารถปิดได้ง่ายๆ ดังนั้นเป้าหมายด้านความปลอดภัยอาจรวมถึงข้อกำหนด "ความพร้อมใช้งานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย" ที่กำหนดไว้ ในกรณีดังกล่าว อาจต้องมีความทนทานต่อความผิดพลาดบางประเภทในระบบเพื่อหลีกเลี่ยงเหตุการณ์ที่เป็นอันตราย

ความพร้อมใช้งานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยดังกล่าวจำเป็นต้องมีการจัดเตรียมฟังก์ชันการทำงานพื้นฐานหรือเส้นทาง "ทางออก" ที่กำหนดไว้สำหรับช่วงเวลาที่กำหนด—แม้จะมีเงื่อนไขความผิดปกติที่กำหนดไว้—และระบบความปลอดภัยจะต้องทนต่อความผิดพลาดในช่วงเวลานั้น ความทนทานต่อข้อผิดพลาดนี้ช่วยให้ระบบทำงานต่อไปได้นานขึ้นโดยมีระดับความปลอดภัยที่ยอมรับได้ ส่วนสำคัญของ ISO 26262 “Functional Safety for Road Vehicles” เป็นแนวทางสำหรับนักพัฒนาระบบเกี่ยวกับข้อกำหนดด้านความพร้อมใช้งานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย

ICs ก้าวขึ้นเพื่อให้บริการโซลูชั่น

ผู้จำหน่ายได้พัฒนา BMS IC ที่ออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาการอ่านเซลล์เดียวในชุดสตริงที่มีความแม่นยำ แม้จะมี CMV สูงและสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่รุนแรง ไอซีเหล่านี้ไม่เพียงแต่ให้การอ่านพื้นฐานเท่านั้น แต่ยังระบุถึงปัญหาทางเทคนิคมัลติเพล็กซ์ การแยก และการบิดเบือนเวลา เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง และหากเหมาะสม จะได้รับการรับรอง ASIL-D สำหรับการใช้งานในยานยนต์ ซึ่งเป็นระดับสูงสุดและเข้มงวดที่สุด

ระดับความสมบูรณ์ของความปลอดภัยในยานยนต์ (ASIL) เป็นรูปแบบการจำแนกความเสี่ยงที่กำหนดโดย ISO 26262 – มาตรฐานความปลอดภัยในการใช้งานสำหรับยานพาหนะทางถนน นี่คือการปรับตัวของ Safety Integrity Level{ (SIL) ซึ่งใช้ในมาตรฐาน IEC 61508 สำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์

แม้ว่าฟังก์ชัน "broad-brush" ของอุปกรณ์ BMS เหล่านี้จะคล้ายคลึงกัน แต่ก็แตกต่างกันในระดับหนึ่งในด้านสถาปัตยกรรม จำนวนเซลล์ที่จัดการได้ ความเร็วในการสแกน ความละเอียด คุณลักษณะเฉพาะ และวิธีการเชื่อมต่อโครงข่าย:

• สถาปัตยกรรม CAN แบบแยกได้ อิงตามการกำหนดค่าแบบดาวและมีความทนทาน เนื่องจากการแตกของสายสื่อสารในสถาปัตยกรรม CAN แบบแยกเดี่ยวจะรบกวน IC เพียงตัวเดียว ในขณะที่ก้อนแบตเตอรี่ที่เหลือยังคงปลอดภัย อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรม CAN ต้องใช้ไมโครโปรเซสเซอร์และ CAN สำหรับ IC แต่ละตัว ทำให้วิธีนี้มีค่าใช้จ่ายสูงขึ้น ในขณะที่ให้ความเร็วในการสื่อสารที่ค่อนข้างช้า

• สถาปัตยกรรม daisy-chain โดยทั่วไปแล้วจะคุ้มค่าใช้จ่ายมากกว่า เนื่องจาก daisy-chain ที่ใช้ตัวรับ/ส่งสัญญาณแบบอะซิงโครนัสสากล (UART) สามารถให้การสื่อสารที่เชื่อถือได้และรวดเร็วโดยไม่มีความซับซ้อนของ CAN ส่วนใหญ่มักใช้การแยกแบบคาปาซิทีฟ แต่อาจรองรับการแยกแบบใช้หม้อแปลงไฟฟ้าด้วย อย่างไรก็ตาม การแตกหักของสายไฟในสถาปัตยกรรมแบบเดซี่เชนสามารถขัดขวางการสื่อสาร ดังนั้นระบบเดซี่เชนบางระบบจึงมี "วิธีแก้ปัญหา" และสนับสนุนการทำงานบางอย่างในระหว่างการขาดสาย

ในบรรดาตัวแทน BMS ICs ได้แก่:

• MAX17843 BMS จาก Analog Devices: MAX17843 เป็นอินเทอร์เฟซสำหรับตรวจสอบข้อมูลแบตเตอรี่แบบตั้งโปรแกรมได้ 12 ช่องสัญญาณ พร้อมคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ครอบคลุม (รูปที่ 3) เหมาะสำหรับใช้กับแบตเตอรี่สำหรับระบบยานยนต์, ชุดแบตเตอรี่ HEV, EVs และระบบใด ๆ ที่ซ้อนแบตเตอรี่โลหะทุติยภูมิแบบยาวเป็นชุด ๆ ได้ถึง 48 โวลต์

รูปที่ 3: อินเทอร์เฟซการรับข้อมูลการตรวจสอบแบตเตอรี่ 12 ช่องของ MAX17843 รวมคุณสมบัติด้านความปลอดภัยหลายอย่าง ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานยานยนต์และข้อบังคับ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

MAX17843 รวมบัส UART ที่แตกต่างกันความเร็วสูงสำหรับการสื่อสารซีเรียลแบบเดซี่เชนที่ทนทาน รองรับไอซีสูงสุด 32 ตัวที่เชื่อมต่อใน daisy-chain เดียว (รูปที่ 4) UART ใช้การแยกประจุไฟฟ้าซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนรายการวัสดุ (BOM) แต่ยังปรับปรุงอัตราความล้มเหลวในเวลา (FIT) อีกด้วย

รูปที่ 4: MAX17843 12 ช่องสัญญาณใช้การแยกกระแสไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟในการกำหนดค่า UART แบบ daisy-chain ซึ่งรองรับอุปกรณ์สูงสุด 32 เครื่องในสายโซ่เดียว (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ส่วนหน้าแบบแอนะล็อกรวมระบบรับข้อมูลการวัดแรงดันไฟฟ้า 12 ช่องสัญญาณเข้ากับอินพุตสวิตช์ธนาคารไฟฟ้าแรงสูง การวัดทั้งหมดทำแตกต่างกันในแต่ละเซลล์ ช่วงการวัดแบบเต็มสเกลอยู่ระหว่าง 0 ถึง 5.0 โวลต์ โดยมีช่วงที่ใช้งานได้ 0.2 ถึง 4.8 โวลต์ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) แบบประมาณต่อเนื่องความเร็วสูง (SAR) ใช้เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ให้เป็นดิจิตอลที่ความละเอียด 14 บิตด้วยการสุ่มตัวอย่างเกิน เซลล์ทั้งสิบสองเซลล์สามารถวัดได้ภายใน 142 ไมโครวินาที (μs)

MAX17843 ใช้วิธีการสแกนสองครั้งเพื่อรวบรวมการวัดเซลล์และแก้ไขข้อผิดพลาด ซึ่งให้ความแม่นยำที่ยอดเยี่ยมตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงาน ความแม่นยำของการวัดค่าความแตกต่างของเซลล์อยู่ที่ ±2 มิลลิโวลต์ (mV) ที่ +25°C และ 3.6 โวลต์ เพื่อความสะดวกในการออกแบบด้วย IC นี้ Analog Devices ขอเสนอMAX17843EVKIT# ชุดประเมินผลพร้อมอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) บนพีซี สำหรับการตั้งค่า การกำหนดค่า และการประเมิน

• ISL78714ANZ-T จาก Renesas: ISL78714 Li-ion BMS IC ที่ดูแลเซลล์ที่เชื่อมต่อถึง 14 เซลล์ และให้การตรวจสอบแรงดันและอุณหภูมิของเซลล์ที่แม่นยำ การปรับสมดุลของเซลล์ และการวินิจฉัยระบบที่ครอบคลุม ในการกำหนดค่าทั่วไป ISL78714 หลักจะสื่อสารกับไมโครคอนโทรลเลอร์ของโฮสต์ผ่านพอร์ตซีเรียลอุปกรณ์ต่อพ่วง (SPI) และอุปกรณ์ ISL78714 เพิ่มเติมอีก 29 ตัวที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันด้วย daisy-chain แบบสองสายที่แข็งแกร่งและเป็นกรรมสิทธิ์ (รูปที่ 5) ระบบการสื่อสารนี้มีความยืดหยุ่นสูงและสามารถใช้การแยกตัวเก็บประจุ การแยกหม้อแปลงไฟฟ้า หรือทั้งสองอย่างรวมกันได้สูงถึง 1 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s)

รูปที่ 5: ISL78714 ใช้พอร์ต SPI เพื่อเชื่อมโยงอุปกรณ์หลายเครื่องในสายโซ่เดซี่แบบสองสายที่สามารถใช้การแยกตัวเก็บประจุหรือหม้อแปลงไฟฟ้า (แหล่งรูปภาพ: Renesas Electronics Corp.)

ความแม่นยำในการวัดแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นคือ ±2 mV พร้อมความละเอียด 14 บิต ในช่วง 1.65 ถึง 4.28 โวลต์ ตั้งแต่ 20°C ถึง +85°C; ความแม่นยำของอุปกรณ์หลังการประกอบบอร์ดคือ ±2.5 mV ที่แน่นหนาในช่วงอินพุตของเซลล์ที่ ±5.0 โวลต์ (มักจะต้องใช้ช่วงแรงดันลบสำหรับบัสบาร์)

BMS นี้ประกอบด้วยโหมดการปรับสมดุลเซลล์สามโหมด: โหมดสมดุลด้วยตนเอง โหมดสมดุลหมดเวลา และโหมดสมดุลอัตโนมัติ โหมดสมดุลอัตโนมัติจะยุติการปรับสมดุลหลังจากลบจำนวนประจุที่ระบุโดยโฮสต์ออกจากทุกเซลล์ ในบรรดาการวินิจฉัยระบบแบบบูรณาการสำหรับฟังก์ชันหลักทั้งหมดคืออุปกรณ์ปิดเครื่องเฝ้าระวังหากขาดการสื่อสาร

• BQ76PL455APFCR (และ BQ79616PAPRQ1) จาก Texas Instruments: bq76PL455A เป็นอุปกรณ์ตรวจสอบและป้องกันแบตเตอรี่ 16 เซลล์ในตัวที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่มีความน่าเชื่อถือสูงและแรงดันสูง อินเทอร์เฟซแยกตัวเก็บประจุความเร็วสูงแบบแยกส่วนความเร็วสูงในตัวรองรับอุปกรณ์ bq76PL455A สูงสุดสิบหกเครื่อง สื่อสารกับโฮสต์ผ่านอินเทอร์เฟซ UART ความเร็วสูงเดียวผ่าน daisy-chain พร้อมสายเคเบิลคู่บิดที่สูงถึง 1 Mbits/s (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: IC จัดการแบตเตอรี่ 16 เซลล์ bq76PL455A มุ่งเป้าไปที่การใช้งานในอุตสาหกรรม โดยใช้การแยกตัวเก็บประจุเพื่อเชื่อมโยงอุปกรณ์สูงสุด 16 เครื่องด้วยสายเคเบิลคู่บิดเกลียวที่สื่อสารได้สูงถึง 1 Mbits/s ผ่านการจัดเรียงแบบเดซี่เชน (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

ADC 14 บิตใช้การอ้างอิงภายในกับเอาต์พุตเซลล์ทั้งหมดที่แปลงเป็น 2.4 มิลลิวินาที (ms) bq76PL455A ตรวจสอบและตรวจจับสภาวะความผิดปกติต่างๆ ซึ่งรวมถึงแรงดันไฟเกิน แรงดันไฟต่ำ อุณหภูมิเกิน และความผิดพลาดในการสื่อสาร รองรับการปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟด้วย n-FET ภายนอก เช่นเดียวกับการปรับสมดุลแบบแอ็คทีฟผ่านไดรเวอร์สวิตช์เมทริกซ์เกทภายนอก

BMS นี้จัดการสตริงได้อย่างง่ายดายด้วยเซลล์ที่น้อยกว่าสูงสุด 16 เซลล์ ข้อจำกัดเพียงอย่างเดียวเมื่อทำเช่นนั้นคือต้องใช้อินพุตตามลำดับจากน้อยไปมาก โดยอินพุตที่ไม่ได้ใช้ทั้งหมดเชื่อมต่อเข้าด้วยกันกับอินพุตไปยัง VSENSE_input ที่ใช้สูงสุด ตัวอย่างเช่น ในการออกแบบ 13 เซลล์ จะไม่มีการใช้อินพุต VSENSE14, VSENSE15 และ VSENSE16 (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: bq76PL455A สามารถใช้ได้กับเซลล์น้อยกว่า 16 เซลล์ ในกรณีเช่นนี้ เซลล์ที่ไม่ได้ใช้จะต้องมีค่าสูงสุดในห่วงโซ่ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

IC อื่น ๆ เช่น Texas Instruments bq79616PAPRQ1 รวมถึงการสนับสนุนการกำหนดค่าวงแหวนและการสื่อสารแบบสองทิศทาง ทำให้ระบบสามารถตรวจสอบสถานะสุขภาพและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้ต่อไป (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: bq79616PAPRQ1 รองรับโทโพโลยีวงแหวนแบบสองทิศทางสำหรับพาธการเชื่อมต่อลิงค์เพิ่มเติมในกรณีที่สายไฟขาดหรือโหนดล้มเหลว (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

หากมีข้อผิดพลาด, การ open หรือลัดวงจรระหว่าง ASIC การตรวจสอบแบตเตอรี่สองตัวในการกำหนดค่านี้ โปรเซสเซอร์ควบคุมจะสามารถสื่อสารกับ ASIC การตรวจสอบแบตเตอรี่ทั้งหมดต่อไปได้โดยเปลี่ยนทิศทางของการส่งข้อความย้อนกลับและไปข้างหน้า ดังนั้น หากการสื่อสารตามปกติพบความผิดปกติ ระบบสามารถคงความพร้อมใช้งานได้โดยใช้ความทนทานต่อข้อผิดพลาดของคุณสมบัติการสื่อสารแบบวงแหวน และดำเนินการได้โดยไม่สูญเสียข้อมูลแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิจากโมดูลแบตเตอรี่ สำหรับนักออกแบบที่ต้องการทดลองกับ bq79616PAPRQ1 Texas Instruments ได้จัดเตรียมBQ79616EVM บอร์ดทดสอบ

• LTC6813-1 จาก Analog Devices, Inc.: LTC6813-1 เป็นเครื่องตรวจสอบกองแบตเตอรี่แบบหลายเซลล์ที่ผ่านการรับรองสำหรับยานยนต์ ซึ่งวัดเซลล์แบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อซีรีส์ได้มากถึง 18 เซลล์ โดยมีข้อผิดพลาดในการวัดรวมน้อยกว่า 2.2 mV ผ่าน ADC แบบเดลต้า-ซิกมา 16 บิตพร้อมตัวกรองสัญญาณรบกวนที่ตั้งโปรแกรมได้ (รูปที่ 9) โปรดทราบว่านี่เป็นจำนวนเซลล์ที่สูงกว่า IC อื่น ๆ ที่สามารถรองรับได้โดยตรง เซลล์ทั้งหมด 18 เซลล์สามารถวัดได้ภายใน 290 ไมโครวินาที (μs) และสามารถเลือกอัตราการรับข้อมูลที่ต่ำกว่าเพื่อลดเสียงรบกวนได้สูงขึ้น

รูปที่ 9: LTC6813-1 รองรับจำนวนเซลล์สูงสุด (18) และใช้ ADC 16 บิตเพื่อให้ได้ความแม่นยำ 2.2 mV และการสแกนเซลล์ด้วยความเร็วสูง (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ LTC6813-1 หลายเครื่องเป็นชุด ซึ่งช่วยให้ตรวจสอบเซลล์ของสายแบตเตอรี่แรงดันสูงและยาวได้พร้อมกัน LTC6813-1 รองรับพอร์ตอนุกรมสองประเภท: SPI สี่สายมาตรฐานและอินเทอร์เฟซแยก 2 สาย (isoSPI) พอร์ตสี่สายที่ไม่แยกนี้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อระยะทางที่สั้นกว่าและการใช้งานที่ไม่ใช่ยานยนต์ (ภาพที่ 10)

รูปที่ 10: LTC6813-1 รองรับการเชื่อมต่อ SPI สี่สายมาตรฐานสำหรับการเชื่อมโยงระยะทางที่สั้นกว่าและแอพพลิเคชั่นที่ไม่ใช่ยานยนต์ (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

พอร์ตการสื่อสารอนุกรมแบบแยก 1 Mbit/s ใช้คู่บิดเกลียวเดียวสำหรับระยะทางสูงสุด 100 เมตร (ม.) โดยมีความอ่อนไหวและการปล่อยสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำ (EMI) เนื่องจากอินเทอร์เฟซได้รับการออกแบบให้มีอัตราความผิดพลาดของแพ็กเก็ตต่ำแม้ในขณะที่เดินสาย ภายใต้สนาม RF สูง ความสามารถแบบสองทิศทางของเดซี่เชนนี้ช่วยให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของการสื่อสารแม้ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด เช่น สายไฟขาดตามเส้นทางการสื่อสาร

ในโหมดการกำหนดค่าแบบสองสาย การแยกทำได้ผ่านหม้อแปลงภายนอก โดยมีสัญญาณ SPI มาตรฐานเข้ารหัสเป็นพัลส์ส่วนต่าง ความแรงของพัลส์การส่งและระดับเกณฑ์ของเครื่องรับถูกกำหนดโดยตัวต้านทานภายนอกสองตัว R_B1 และ R_B2 (รูปที่ 11) ค่าของตัวต้านทานจะถูกเลือกโดยนักออกแบบเพื่อให้สามารถแลกเปลี่ยนระหว่างการกระจายพลังงานและการป้องกันเสียงรบกวน

รูปที่ 11: LTC6813-1 ยังมีพอร์ตการสื่อสารซีเรียลแบบแยกสาย 2 สาย 1 Mbit/s ผ่านคู่บิดเกลียวเดียวสำหรับระยะทางสูงสุด 100 ม. โดยมีทั้งค่าความไวและการปล่อย EMI ต่ำ (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1 สามารถจ่ายไฟได้โดยตรงจากกองแบตเตอรี่ที่กำลังตรวจสอบหรือจากแหล่งจ่ายแยกต่างหาก นอกจากนี้ยังรวมถึงการปรับสมดุลแบบพาสซีฟสำหรับแต่ละเซลล์ พร้อมด้วยการควบคุมรอบการทำงานแต่ละรายการโดยใช้การปรับความกว้างพัลส์ (PWM)

บทสรุป

การวัดแรงดัน กระแสไฟ และอุณหภูมิของเซลล์เดียวหรือแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่มีเซลล์เพียงไม่กี่เซลล์ได้อย่างแม่นยำถือเป็นความท้าทายทางเทคนิคเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การวัดค่าพารามิเตอร์เดียวกันเหล่านี้อย่างแม่นยำในแต่ละเซลล์ในอนุกรมสตริง และการทำเช่นนี้ในสภาพแวดล้อมยานยนต์และอุตสาหกรรมที่สมบุกสมบันโดยมีเวลาเบ้ระหว่างเซลล์ต่อเซลล์เพียงเล็กน้อย—ถือเป็นความท้าทายเนื่องจากเซลล์จำนวนมาก CMV สูง สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า, ข้อบังคับด้านกฎระเบียบ และประเด็นอื่น ๆ

ดังที่แสดงไว้ นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ IC ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้ รองรับการแยกกระแสไฟฟ้าที่ต้องการ ความแม่นยำ และเวลาในการสแกนที่รวดเร็วเพื่อแก้ไขปัญหา ผลลัพธ์ที่ได้คือผลลัพธ์ที่แม่นยำและนำไปใช้ได้จริง ซึ่งช่วยให้ตัดสินใจจัดการแบตเตอรี่ในระดับสูงได้อย่างมีวิจารณญาณ