लिथियम आयन बैटरी के लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली बीएमएस

स्रोत: Electronicdesign.com

बैटरी-प्रबंधन-सिस्टम आर्किटेक्चर

एक बैटरी-प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) में आम तौर पर कई कार्यात्मक ब्लॉक होते हैं, जिनमें कटऑफ फील्ड-इफेक्ट ट्रांसमीटर (एफईटी), ईंधन-गेज मॉनिटर, सेल-वोल्टेज मॉनिटर, सेल-वोल्टेज बैलेंस, रीयल-टाइम घड़ी, तापमान मॉनीटर, और ए राज्य मशीन(चित्र .1). कई प्रकार के बीएमएस आईसी उपलब्ध हैं।

कार्यात्मक ब्लॉकों का समूह एक साधारण एनालॉग फ्रंट एंड से व्यापक रूप से भिन्न होता है, जैसे कि आईएसएल 94208 जो संतुलन और निगरानी प्रदान करता है और एक माइक्रोकंट्रोलर की आवश्यकता होती है, एक स्टैंडअलोन एकीकृत समाधान के लिए जो स्वायत्त रूप से चलता है (उदाहरण के लिए, आईएसएल 94203)। अब आइए प्रत्येक ब्लॉक के पीछे के उद्देश्य और प्रौद्योगिकी की जांच करें, साथ ही प्रत्येक प्रौद्योगिकी के पेशेवरों और विपक्षों की जांच करें।

कटऑफ एफईटी और एफईटी चालक

एक FET- ड्राइवर कार्यात्मक ब्लॉक बैटरी पैक के कनेक्शन और लोड और चार्जर के बीच अलगाव के लिए जिम्मेदार है। FET ड्राइवर का व्यवहार बैटरी-सेल वोल्टेज, वर्तमान माप और रीयल-टाइम डिटेक्शन सर्किटरी से माप पर आधारित होता है। चित्र 2 लोड और चार्जर और बैटरी पैक के बीच दो अलग-अलग प्रकार के FET कनेक्शन दिखाता है।

चित्र 2A को बैटरी पैक के लिए न्यूनतम संख्या में कनेक्शन की आवश्यकता होती है और बैटरी पैक ऑपरेटिंग मोड को चार्ज, डिस्चार्ज या स्लीप तक सीमित करता है। वर्तमान प्रवाह दिशा और एक विशिष्ट रीयल-टाइम परीक्षण का व्यवहार डिवाइस की स्थिति निर्धारित करता है।

2. लोड और चार्जर (ए) के बीच एकल कनेक्शन के लिए कटऑफ एफईटी स्कीमैटिक्स और एक दो-टर्मिनल कनेक्शन दिखाया गया है जो एक साथ चार्जिंग और डिस्चार्जिंग (बी) की अनुमति देता है।

उदाहरण के लिए, ISL94203 में एक चैनल मॉनिटर (CHMON) है जो कटऑफ FETs के दाईं ओर वोल्टेज की निगरानी करता है। यदि एक चार्जर जुड़ा हुआ है और बैटरी पैक इससे अलग है, तो बैटरी पैक की ओर इंजेक्ट किया गया करंट वोल्टेज को चार्जर की अधिकतम आपूर्ति वोल्टेज तक बढ़ा देगा। CHMON पर वोल्टेज स्तर ट्रिप हो गया है, जिससे BMS डिवाइस को पता चल जाता है कि चार्जर मौजूद है। लोड कनेक्शन निर्धारित करने के लिए, लोड मौजूद है या नहीं यह निर्धारित करने के लिए लोड में एक करंट इंजेक्ट किया जाता है। यदि करंट को इंजेक्ट करते समय पिन पर वोल्टेज महत्वपूर्ण रूप से नहीं बढ़ता है, तो परिणाम निर्धारित करता है कि एक लोड मौजूद है। FET ड्राइवर का DFET तब चालू होता है। चित्रा 2बी में कनेक्शन योजना बैटरी पैक को चार्ज करते समय संचालित करने की अनुमति देती है।

FET ड्राइवरों को बैटरी पैक के उच्च या निम्न पक्ष से कनेक्ट करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। NMOS FETs को सक्रिय करने के लिए एक हाई-साइड कनेक्शन के लिए चार्ज-पंप ड्राइवर की आवश्यकता होती है। हाई-साइड ड्राइवर का उपयोग करते समय, यह बाकी सर्किटरी के लिए एक ठोस ग्राउंड रेफरेंस की अनुमति देता है। लागत कम करने के लिए कुछ एकीकृत समाधानों में लो-साइड FET ड्राइवर कनेक्शन पाए जाते हैं, क्योंकि उन्हें चार्ज पंप की आवश्यकता नहीं होती है। उन्हें उच्च-वोल्टेज उपकरणों की भी आवश्यकता नहीं होती है, जो एक बड़े मरने वाले क्षेत्र का उपभोग करते हैं। कटऑफ एफईटी का उपयोग कम तरफ बैटरी पैक के ग्राउंड कनेक्शन को तैरता है, जिससे इसे माप में इंजेक्ट किए गए शोर के लिए अधिक संवेदनशील बना दिया जाता है। यह कुछ आईसी के प्रदर्शन को प्रभावित करता है।

ईंधन-गेज / वर्तमान मापन

फ्यूल-गेज फंक्शनल ब्लॉक बैटरी पैक में प्रवेश करने और बाहर निकलने वाले चार्ज का ट्रैक रखता है। चार्ज वर्तमान और समय का उत्पाद है। ईंधन गेज को डिजाइन करते समय कई अलग-अलग तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है।

एक वर्तमान-संवेदी एम्पलीफायर और एक एम्बेडेड कम-रिज़ॉल्यूशन एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) के साथ एक एमसीयू एक वर्तमान-माप विधि है। करंट-सेंस एम्पलीफायर, जो उच्च सामान्य-मोड वातावरण में संचालित होता है, सिग्नल को बढ़ाता है, उच्च-रिज़ॉल्यूशन माप को सक्षम करता है। हालाँकि, यह डिज़ाइन तकनीक गतिशील रेंज का त्याग करती है।

अन्य तकनीकें एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन एडीसी, या एक महंगा ईंधन-गेज आईसी का उपयोग करती हैं। भार व्यवहार की वर्तमान खपत बनाम समय को समझना सर्वोत्तम प्रकार के ईंधन-गेज डिज़ाइन को निर्धारित करता है।

सबसे सटीक और लागत प्रभावी समाधान कम ऑफसेट और उच्च सामान्य-मोड रेटिंग वाले 16-बिट या उच्च एडीसी का उपयोग करके एक अर्थ प्रतिरोधी में वोल्टेज को मापना है। एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन एडीसी गति की कीमत पर एक बड़ी गतिशील रेंज प्रदान करता है। यदि बैटरी एक अनिश्चित भार से जुड़ी है, जैसे कि एक इलेक्ट्रिक वाहन, तो धीमी एडीसी लोड को वितरित उच्च-परिमाण और उच्च-आवृत्ति वाले वर्तमान स्पाइक्स को याद कर सकती है।

अनिश्चित भार के लिए, एक क्रमिक-अनुमानित-रजिस्टर (एसएआर) एडीसी शायद एक वर्तमान-बोध एम्पलीफायर फ्रंट एंड के साथ अधिक वांछनीय हो सकता है। कोई भी ऑफ़सेट त्रुटि बैटरी चार्ज की मात्रा में समग्र त्रुटि को प्रभावित करती है। समय के साथ मापन त्रुटियां महत्वपूर्ण चार्ज स्थिति बैटरी-पैक त्रुटियों का कारण बनेंगी। चार्ज को मापते समय 16-बिट रिज़ॉल्यूशन के साथ 50 μV या उससे कम की माप ऑफसेट पर्याप्त है।

सेल वोल्टेज और बैटरी लाइफटाइम को अधिकतम करना

बैटरी पैक में प्रत्येक सेल के सेल वोल्टेज की निगरानी उसके समग्र स्वास्थ्य को निर्धारित करने के लिए आवश्यक है। सभी सेल में एक ऑपरेटिंग वोल्टेज विंडो होती है जहां उचित संचालन और बैटरी जीवन सुनिश्चित करने के लिए चार्जिंग/डिस्चार्जिंग होनी चाहिए। यदि कोई एप्लिकेशन लिथियम केमिस्ट्री वाली बैटरी का उपयोग कर रहा है, तो ऑपरेटिंग वोल्टेज आमतौर पर 2.5 और 4.2 V के बीच होता है। वोल्टेज रेंज रसायन विज्ञान पर निर्भर है। बैटरी को वोल्टेज रेंज से बाहर चलाने से सेल का जीवनकाल काफी कम हो जाता है और यह बेकार हो सकता है।

सेल एक बैटरी पैक बनाने के लिए श्रृंखला और समानांतर में जुड़े हुए हैं। एक समानांतर कनेक्शन बैटरी पैक की वर्तमान ड्राइव को बढ़ाता है, जबकि एक श्रृंखला कनेक्शन समग्र वोल्टेज को बढ़ाता है। सेल के प्रदर्शन का वितरण होता है: शून्य के बराबर समय पर, बैटरी-पैक सेल का चार्ज और डिस्चार्ज दरें समान होती हैं। जैसे ही प्रत्येक सेल चार्ज और डिस्चार्ज के बीच चक्र करता है, प्रत्येक सेल का चार्ज और डिस्चार्ज रेट बदल जाता है। इसका परिणाम बैटरी पैक में फैलाव वितरण में होता है।

यह निर्धारित करने का एक आसान तरीका है कि बैटरी पैक चार्ज किया गया है या नहीं, प्रत्येक सेल के वोल्टेज को एक सेट वोल्टेज स्तर पर मॉनिटर करना है। वोल्टेज सीमा तक पहुंचने वाला पहला सेल वोल्टेज बैटरी-पैक चार्ज सीमा तक जाता है। एक कमजोर-से-औसत सेल बैटरी पैक के परिणामस्वरूप सबसे कमजोर सेल पहले सीमा तक पहुंच जाती है, बाकी कोशिकाओं को पूरी तरह से चार्ज होने से बचाती है।

एक चार्जिंग योजना, जैसा कि वर्णित है, प्रति चार्ज समय पर बैटरी-पैक को अधिकतम नहीं करती है। चार्जिंग स्कीम बैटरी पैक के जीवनकाल को कम कर देती है क्योंकि इसे अधिक चार्ज और डिस्चार्ज चक्र की आवश्यकता होती है। एक कमजोर कोशिका तेजी से निर्वहन करती है। निर्वहन चक्र पर भी होता है; कमजोर सेल पहले डिस्चार्ज की सीमा को पार करता है, बाकी कोशिकाओं को चार्ज के साथ छोड़ देता है।

प्रति बैटरी पैक चार्ज पर ON टाइम को बेहतर बनाने के दो तरीके हैं। सबसे पहले चार्ज चक्र के दौरान सबसे कमजोर सेल में चार्ज को धीमा करना है। यह बाईपास FET को पूरे सेल में एक वर्तमान सीमित रोकनेवाला के साथ जोड़कर प्राप्त किया जाता है(चित्र 3ए). यह उच्चतम करंट वाले सेल से करंट लेता है, जिसके परिणामस्वरूप सेल चार्ज धीमा हो जाता है। नतीजतन, अन्य बैटरी पैक सेल पकड़ने में सक्षम हैं। अंतिम लक्ष्य सभी कोशिकाओं को एक साथ पूरी तरह चार्ज सीमा तक पहुंचकर बैटरी पैक की चार्ज क्षमता को अधिकतम करना है।

3. बायपास सेल बैलेंसिंग एफईटी चार्ज चक्र (ए) के दौरान सेल की चार्ज दर को धीमा करने में मदद करता है। एक मजबूत सेल से चार्ज चोरी करने और कमजोर सेल (बी) को चार्ज देने के लिए डिस्चार्ज चक्र के दौरान सक्रिय संतुलन का उपयोग किया जाता है।

दूसरी विधि चार्ज-विस्थापन योजना को लागू करके बैटरी पैक को डिस्चार्ज चक्र पर संतुलित करना है। यह अल्फा सेल से आगमनात्मक युग्मन या कैपेसिटिव स्टोरेज के माध्यम से चार्ज करके और संग्रहीत चार्ज को सबसे कमजोर सेल में इंजेक्ट करके प्राप्त किया जाता है। यह सबसे कमजोर सेल को डिस्चार्ज की सीमा तक पहुंचने में लगने वाले समय को धीमा कर देता है, अन्यथा सक्रिय संतुलन के रूप में जाना जाता है(चित्र 3बी).

तापमान निगरानी

आज की बैटरी निरंतर वोल्टेज बनाए रखते हुए बहुत अधिक करंट देती है। इससे एक भगोड़ा स्थिति हो सकती है जिसके कारण बैटरी में आग लग सकती है। बैटरी बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले रसायन अत्यधिक अस्थिर होते हैं - सही वस्तु से लगी बैटरी भी बैटरी को आग पकड़ सकती है। तापमान माप का उपयोग केवल सुरक्षा के लिए नहीं किया जाता है, वे यह भी निर्धारित कर सकते हैं कि बैटरी चार्ज करना या डिस्चार्ज करना वांछनीय है या नहीं।

तापमान सेंसर ऊर्जा-भंडारण-प्रणाली (ईएसएस) अनुप्रयोगों या छोटे और अधिक पोर्टेबल अनुप्रयोगों के लिए कोशिकाओं के समूह के लिए प्रत्येक सेल की निगरानी करते हैं। आंतरिक एडीसी वोल्टेज संदर्भ द्वारा संचालित थर्मिस्टर्स आमतौर पर प्रत्येक सर्किट के तापमान की निगरानी के लिए उपयोग किए जाते हैं। इसके अलावा, एक आंतरिक वोल्टेज संदर्भ तापमान रीडिंग बनाम पर्यावरणीय तापमान परिवर्तनों की अशुद्धियों को कम करने में मदद करता है।

राज्य मशीनें या एल्गोरिदम

अधिकांश बीएमएस सिस्टम को सेंसिंग सर्किटरी से जानकारी का प्रबंधन करने के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर (एमसीयू) या एक फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट ऐरे (एफपीजीए) की आवश्यकता होती है, और फिर प्राप्त जानकारी के साथ निर्णय लेते हैं। कुछ उपकरणों में, जैसे कि ISL94203, एक एल्गोरिथम जो डिजिटल रूप से एन्कोडेड है, एक चिप के साथ एक स्टैंडअलोन समाधान सक्षम करता है। एमसीयू के साथ मिल जाने पर स्टैंडअलोन समाधान भी मूल्यवान होते हैं, क्योंकि स्टैंडअलोन की स्टेट मशीन का उपयोग एमसीयू घड़ी चक्र और मेमोरी स्पेस को खाली करने के लिए किया जा सकता है।

अन्य बीएमएस बिल्डिंग ब्लॉक्स

अन्य कार्यात्मक बीएमएस ब्लॉक में बैटरी प्रमाणीकरण, रीयल-टाइम क्लॉक (आरटीसी), मेमोरी और डेज़ी चेन शामिल हो सकते हैं। RTC और मेमोरी का उपयोग ब्लैक-बॉक्स अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है - RTC का उपयोग टाइम स्टैम्प के रूप में किया जाता है और मेमोरी का उपयोग डेटा संग्रहीत करने के लिए किया जाता है। यह उपयोगकर्ता को एक भयावह घटना से पहले बैटरी पैक के व्यवहार को जानने देता है। बैटरी प्रमाणीकरण ब्लॉक BMS इलेक्ट्रॉनिक्स को किसी तृतीय-पक्ष बैटरी पैक से कनेक्ट होने से रोकता है। वोल्टेज संदर्भ / नियामक का उपयोग बीएमएस सिस्टम के आसपास परिधीय सर्किटरी को शक्ति देने के लिए किया जाता है। अंत में, डेज़ी-श्रृंखला सर्किट्री का उपयोग स्टैक्ड उपकरणों के बीच कनेक्शन को सरल बनाने के लिए किया जाता है। डेज़ी-चेन ब्लॉक ऑप्टिकल कप्लर्स या अन्य स्तर-स्थानांतरण सर्किटरी की आवश्यकता को प्रतिस्थापित करता है।