Abstrakts
Runājot par akumulatoru pārvaldības sistēmu integrēto shēmu (BMS IC) spēju pretoties elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI), mums ir jārunā par iespiedshēmas plates (PCB) vadu un ārējo komponentu (EC) izkārtojumu, kas ir galvenā loma. . Neaizmirstiet, ka pati BMS IC pretestība ir arī liela problēma. Faktiski šī pretestība tiks būtiski mainīta BMS IC akumulatora balansēšanas funkcijas dēļ. Konkrēti, lielākajā daļā tirgū pieejamo BMS IC ir integrēta pasīvā akumulatora balansēšanas funkcija, kas ievērojami samazina BMS IC radīto pretestību. Mūsu pētījuma mērķis ir izprast dažādu pasīvo bateriju balansēšanas metožu ietekmi uz BMS IC imūno līmeni. Pēc tam mēs arī ierosinājām jaunu BMS IC arhitektūru, kas ne tikai samazina ārējo komponentu skaitu, bet arī palielina pasīvās akumulatora balansēšanas ietekmi uz IC imunitāti, tas ir, iesmidzināšanas līmeni tiešās jaudas iesmidzināšanas (DPI) testēšanā. Tādā veidā IC var uzturēt augstas precizitātes augstsprieguma mērījumus pat trokšņainā vidē.
1. Ievads
Litija jonu (Litija jonu) akumulatori un akumulatoru pārvaldības sistēmas (BMS) ir plaši pētītas, lai pavērtu ceļu jaunās paaudzes elektriskajiem transportlīdzekļiem (EV) un hibrīdelektriskajiem transportlīdzekļiem (HEV). Piemēram, galvenais izstrādes aspekts ir raksturot vadītos elektromagnētiskos traucējumus (EMI) no piedziņas pārveidotāja, kas ir viens no trokšņa avotiem, kas var izraisīt traucējumus BMS IC. Šajā trokšņu ceļā kabeļi, PCB maršrutēšana un ārējie komponenti (EC) būtiski ietekmē BMS IC imunitāti. Šeit galvenā uzmanība tiek pievērsta augstsprieguma nominālajiem kondensatoriem automašīnām, ko izmanto, lai novērstu elektrostatisko izlādi (ESD). Kā parādīts iepriekšējā darbā, lētākā šo EC konfigurācija ir diferenciālie savienojumi starp baterijām. Tomēr tas izraisīs iesmidzināšanas līmeņa paaugstināšanos sakarā ar rezonanses ieviešanu tiešās jaudas iesmidzināšanas (DPI) frekvenču diapazonā ([150kHz; 1GHz]), ko izraisa konstruētais CL kāpņu tīkls.
Šādā gadījumā pasīvā akumulatora balansēšana savienos akumulatora balansēšanas rezistoru un dažus parazītu komponentus paralēli ESD kondensatoram, kad tas ir aktivizēts, kas var mainīt šo rezonanšu vājinājuma līmeni. Šajā pētījumā aplūkotas divas akumulatora balansēšanas metodes. Pirmā metode ir izslēgt akumulatoru, ko pašlaik mēra ar BMS IC, īssavienot visas baterijas, kurām var būt īssavienojums, un pēc tam iegūt izmērītā akumulatora iesmidzināšanas līmeni DPI laikā, lai novērtētu šīs metodes ietekmi uz IC imunitāti. Turklāt šajā pētījumā tika salīdzinātas divas arhitektūras, izmantojot šo pirmo balansēšanas metodi, un galvenā atšķirība ir vienlaikus līdzsvarojamo bateriju skaits. Otrā balansēšanas metode ir īssavienojums tam pašam akumulatoram, ko pašlaik mēra IC īpaši piedāvātā arhitektūrā. Turklāt, pateicoties jaunajam balansēšanas rezistoru izvietojumam, piedāvātā arhitektūra pārvērš ESD kondensatoru par filtru, kas ļauj balansēt, lai ievērojami samazinātu pretestību, kas redzama BMS pusē, tādējādi pazeminot iesmidzināšanas līmeni. Turklāt, lai novērtētu parazitārās induktivitātes ietekmi, tika novērtēta arī akumulatora balansēšanas ietekme dažādos attālumos starp ESD kondensatoriem un IC.
Visbeidzot, šī raksta struktūra ir šāda: Pirmkārt, tiek ieviesta BMS IC vides modelēšana; Otrkārt, izmantojot pirmo akumulatora balansēšanas metodi, salīdziniet balansēšanas ietekmi uz injekcijas līmeni starp divām BMS IC arhitektūrām DPI laikā; Treškārt, iepazīstieties ar piedāvāto arhitektūru un novērtējiet tās ietekmi uz injekcijas līmeņa līdzsvaru DPI laikā, izmantojot otro balansēšanas metodi.
2. BMS integrālās shēmas vides modelēšana
BMS funkciju un DPI pārbaude:BMS galvenais mērķis ir nodrošināt optimālu un drošu akumulatoru darbību skarbos elektromagnētisko traucējumu (EMI) vidēs. Dažas no galvenajām BMS IC funkcijām ietver precīzu akumulatora sprieguma mērīšanu un pasīvo akumulatora balansēšanu, lai novērstu akumulatora degradāciju un panāktu optimālu enerģijas ieguvi no akumulatora. Lai raksturotu IC spēju veikt šos uzdevumus skarbos EMI vidēs, tika veikta tiešās jaudas iesmidzināšanas (DPI) pārbaude, savienojot 30 dBm jaudu kopējā režīmā (CM) ar visām IC ieejām, kas savienotas ar akumulatoru.
DPI testa iestatīšana un saistītie komponenti:1. attēlā parādīta šajā pētījumā izmantotā DPI iestatīšana, izmantojot BMS IC produktu, kas var pārraudzīt līdz pat 18 baterijām. Šis iestatījums ievieš superkondensatorus, lai izveidotu akumulatoru blokus ar spriegumu virs 80 V, izmantojot 12 V akumulatorus, un stabilizētu pretestību akumulatora bloka pusē. No 1. attēla redzams, ka pašreizējās modelēšanas metodes koncentrējas uz tādiem elementiem kā akumulators un 30 cm kabeļi katrā PCB pusē, superkondensatori, savienotāji, PCB vadi uz superkondensatora plates un BMS IC plates, ārējie komponenti (EC) ) uz BMS IC plates un pašas BMS uzrādītā pretestība.
BMS IC vides modelēšana:No 2. attēla BMS IC ieeja ir modelēta ar kondensatoru C {L} (30pF), kas attēlo iekšējo pasīvo akumulatora balansēšanas slēdzi ar ieslēgšanas pretestību Ron=0.25 Ω. Kondensators C {d} (47nF), ko izmanto ESD vajadzībām, ir EC, kas izmanto lētāko konfigurāciju. Modelis ietver arī C {d} parazitāro pretestību un induktivitāti (parazitārā pretestība R {d} ņem vērtības 100 MHz un augstākas frekvencēs), vienlaikus ņemot vērā injicētā kondensatora C {i} (330 pF) parazitāro uzvedību. Tā kā kapacitātes C {d} ir salīdzinoši augstas, kabeļa un PCB maršrutēšanas kapacitātes efekts nav ņemts vērā. Akumulators ir modelēts, izmantojot ideālu sprieguma avotu, jo akumulatoru bloku un kabeļus īssavieno superkondensatori. Visi 2. attēlā redzamo 18 akumulatoru parametri ir līdzīgi, neņemot vērā neatbilstību attālumam starp katru akumulatoru un IC tapu. Šis modelis ir efektīvs diapazonā [150kHz, 200MHz].
Situācija saistībā ar IC tapu un arhitektūru:1. arhitektūrā ir C {Bx} tapa, ko izmanto akumulatora sprieguma mērīšanai un pasīvai akumulatora balansēšanai, kā arī C {Tx} tapa, ko izmanto tikai akumulatora dublēšanas sprieguma mērīšanai. Mērījumu caur C {Tx} tapu veic diskrēta laika analogā-digitālā pārveidotājs (DT ADC), tāpēc ir nepieciešams anti-aliasing filtrs (AAF, ti, R {f} un C {f}); Mērījumu, izmantojot C {Bx} tapu, veic nepārtraukta laika analogā-digitālā pārveidotājs (CT ADC), neizmantojot AAF. Nākamajā sadaļā tiks iepazīstināta ar arhitektūru 2 un pirmo šajā pētījumā izmantoto balansēšanas metodi, lai uzlabotu BMS IC imunitāti. Tas arī salīdzinās iesmidzināšanas līmeņa vājināšanos, ko radījusi pirmā pasīvā akumulatora balansēšanas metode starp arhitektūru 1 un arhitektūru 2. Turklāt šajā pētījumā pieņemts, ka akumulatora līdzsvara aktivizēšana ilgst vairākus simtus mikrosekunžu, kas ir pietiekama ieinteresētā akumulatora sprieguma mērīšanai. , un tāpēc tam nebūs būtiskas ietekmes uz līdzsvara akumulatora uzlādes stāvokli.
3. Atšķirības BMS IC arhitektūrā, rezonanses problēmas un pirmās balansēšanas metodes ietekme
Arhitektūras atšķirības un rezonanses parādības:BMS IC tapu izvietojums, izmantoto analogo-digitālo pārveidotāju (ADC) skaits un veids, kā arī citi arhitektūras aspekti tieši ietekmē ārējās sastāvdaļas. 1. arhitektūrā (2. attēls), izņemot C_{B0} un C_{B19}, katru C_{Bx} spraudni koplieto divi. baterijas. Tā kā DPI testēšanā ir jāiestata R_ {b} katrā PCB trasē, kas ved uz C{{10}}{Bx} tapu, lai ierobežotu pārveidošanu no kopējā režīma (CM) uz diferenciālo režīmu (DM), blakus esošās baterijas nevar balansēt vienlaicīgi, un nepāra un pāra baterijas ir jābalansē dažādos periodos. 2. arhitektūrai (3. attēls) ir papildu C {Bx \ _ H} tapa, kas var vienlaikus līdzsvarot blakus esošās baterijas, taču tas palielinās mikroshēmas izmēru, tapu skaitu un ārējos komponentus (R {b}). CL trapecveida tīkls, kas sastāv no L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) un C_d} radīs vairākas rezonanses, kurām ir salīdzinoši zemas frekvences (zem 10 MHz). Praktiskā pielietojumā kabelis, kas savieno BMS IC un akumulatoru, var sasniegt 2 metrus, kas samazinās rezonanses frekvenci un augstāku kvalitātes koeficientu. Lai gan R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) var zināmā mērā vājināt rezonansi, efekts ir nepietiekams.
Pirmā balansēšanas metode un tās ietekme uz injekcijas līmeni:Pirmā šajā pētījumā aplūkotā balansēšanas metode ir pirmā akumulatora (C_{L1}) sprieguma iegūšana no maksimuma līdz maksimumam DPI simulācijā, vienlaikus balansējot citas baterijas. 1. arhitektūrai tiek līdzsvarotas tikai nepāra numuru baterijas (izņemot 1. akumulatoru), jo akumulatoru ar pāra numuriem balansēšana (sākot no 2. akumulatora) mainītu 1. akumulatora līdzstrāvu (DC), kas neatbilst faktiskajiem mērījumu scenārijiem. 2. arhitektūrai visas baterijas, izņemot 1. akumulatoru, var būt līdzsvarotas. Novērtējiet, veicot pārejas simulācijas spices vidē (nodrošinot signālam pietiekamu perioda stabilitāti, iegūstot noteikta perioda vidējo spriegumu no maksimuma līdz maksimumam un ņemot pietiekami daudz punktu diapazonā [150kHz; 200MHz]). Rezultāti parādīja, ka pasīvā akumulatora izlīdzināšana samazināja rezonanses amplitūdu, kā gaidīts zemās frekvencēs, bet palielināja injekcijas līmeni augstās frekvencēs (aptuveni 150 MHz). Arhitektūrai 2 ir lielāka ietekme uz iesmidzināšanas līmeni, pateicoties akumulatora balansēšanai zemās frekvencēs, jo tā var vienlaikus līdzsvarot vairāk akumulatoru un radīt lielāku amortizāciju; Augstās frekvencēs tam raksturīgais iesmidzināšanas līmenis ir zemāks nekā 1. arhitektūrai, un pēc akumulatora bilances aktivizēšanas augstās frekvences ir tikai nedaudz uzlabojušās. Turklāt pastāv kompromiss starp akumulatora balansēšanas rezistora $R_ {b} $ vērtību un injekcijas līmeni. R_ {b} samazināšana uzlabos zemfrekvences rezonanses vājināšanos, bet vājinās augstfrekvences rezonanses vājināšanos, savukārt R_ {b} palielināšana radīs pretēju efektu.
4. Otrā līdzsvara metodes analīze un jaunas arhitektūras piedāvājums
Analizējiet ideālos scenārijus un uzlabošanas stratēģijas:Lai novērtētu akumulatora balansēšanas ietekmi uz zemas frekvences rezonansi, analizējiet ideālu un vienkāršotu scenāriju (līdzīgs 1. arhitektūrai, bet vienkāršots). Frekvencēs zem 5MHz superkondensatorus var uzskatīt par īssavienojumiem, jo tiem šajā diapazonā ir zema kapacitātes vērtība (10F) un parazītiskie parametri (ekvivalenta virknes pretestība ESR, ekvivalenta virknes induktivitāte ESL); Apsverot zemas frekvences rezonansi, C {L} var ignorēt; Analizēšanai ir ērti izmantot vienkāršu trapecveida tīklu bez ārējās slodzes. Kopējai pretestībai šajā scenārijā (1. formula) rezonanses frekvence tika aprēķināta, izmantojot īpašu izteiksmi (2. formula). Konstatēts, ka pie dotajiem parametriem Formulas 2 diskriminants ir negatīvs, ar divām iedomātām saknēm, un reālā daļa atspoguļo rezonanses vājināšanos (pseidoperiodiskais stāvoklis, Formula 3). Vienkāršotajam akumulatora balansēšanas scenārijam 7.b attēlā tika aprēķināts rezonanses polinoms (4. formula). Tika konstatēts, ka, cik vien iespējams samazinot pretestību R, var padarīt rezonanses indeksa izteiksmīgākas diskriminējošākas, ievērojami samazinot rezonanses frekvenci, taču dažas rezonanses joprojām ir pseidoperiodiskā stāvoklī. Vājināšanās koeficients (Formula 5) norāda, ka, ja R ir pietiekami zems, akumulatora balansēšana var būtiski ietekmēt iesmidzināšanas līmeni. Lai gan pretestības palielināšana var uzlabot R_ {T}, 1. un 2. arhitektūrai tas nav iespējams, jo akumulatora balansēšanas laikā samazinās C_ {Tx} tapas mērījumu precizitāte.
Ierosiniet jaunu arhitektūru un veiktspējas novērtējumu:Ierosiniet jaunu arhitektūru, kurā C {Tx} tapas mērīšanai tiek izmantots nepārtraukta laika analogā-digitālā pārveidotājs (CT ADC) bez nepieciešamības pēc antialiasing filtriem (AAF, ti, R {f} un C {f}). , C {Bx} tapas mērīšanai izmanto diskrēta laika analogo-digitālo pārveidotāju (DT ADC), un līdzsvara rezistors R {b} tiek pārvietots pirms ESD kondensatora C. {d}, ietaupot komponentus un uzlabojot zemfrekvences rezonanses vājināšanos. Lai novērstu mērījumu kļūdas akumulatora balansēšanas laikā, C {Tx} mērījums tiek veikts pirms R {b}. Otrā balansēšanas metode līdzsvaro izmērīto akumulatoru (piemēram, šūnu x, 8. attēls), lai samazinātu C {Tx} tapas iesmidzināšanas līmeni. Jaunā arhitektūra maksimāli palielina akumulatora balansēšanas ietekmi uz DPI injekcijas līmeni, novietojot R {b} pirms C {d} un tuvinot C {d} IC. Simulācijas rezultāti liecina, ka jaunajai arhitektūrai ir zemāks raksturīgais injekcijas līmenis nekā vecajai arhitektūrai, kad akumulatora balansēšana nav aktivizēta (5. attēls), un ievērojamu vājināšanos var iegūt, ja C {d} ir novietots saprātīgā attālumā no IC ( 0,5 cm vai 1 cm) (9. attēls). Tomēr jaunajā arhitektūrā ESD veiktspējā ir kompromiss. 1. un 2. arhitektūrā, kad notiek ESD notikums, C {d} nodrošina kontaktam zemas pretestības zemējuma ceļu, savukārt jaunajā arhitektūrā R {b} rada augsta sprieguma risku kontaktam C {Tx}. Tāpēc R {b} ir jāizvēlas piemērota vērtība vai jāuzliek iekšēja iespīlēšanas ierīce uz C {Tx}, lai novērstu problēmu. Turpmākais darbs būs vērsts uz jaunās arhitektūras ESD veiktspējas uzlabošanu.
5. Kopsavilkums
Šis pētījums piedāvā akumulatora vadības sistēmas integrētās shēmas (BMS IC) modeli praktiskai tiešās jaudas iesmidzināšanas (DPI) simulācijai, piedāvā pirmo akumulatora balansēšanas metodi, lai samazinātu iesmidzināšanas līmeni DPI laikā, un salīdzina divu arhitektūru veiktspēju saskaņā ar šo metodi. Izveidojot vienkāršu analīzes modeli, izpētot akumulatora balansēšanas ietekmi uz zemfrekvences rezonanses vājinājuma līmeni un nosakot stratēģijas, lai samazinātu zemfrekvences svarīgu trokšņu savienojumu. Ierosiniet jaunu arhitektūru, kas samazina ārējo komponentu skaitu un iesmidzināšanas līmeņus, padarot akumulatora balansēšanu svarīgāku IC imunitātei.
Jaunajai arhitektūrai ir kompromisi, kas saistīti ar elektrostatiskās izlādes (ESD) veiktspēju. Turpmākais darbs tiks vērsts uz jaunās arhitektūras ESD veiktspējas novērtēšanu un iespējamo uzlabošanas pasākumu izpēti, pārmērīgi nepalielinot ārējo komponentu skaitu, lai optimizētu jaunās arhitektūras kopējo veiktspēju, labāk piemērotu to praktiskām akumulatoru pārvaldības sistēmām, uzlabotu sistēmas veiktspēju elektromagnētiskajā saderībā, nodrošināt stabilu akumulatora vadības sistēmas darbību sarežģītā elektromagnētiskā vidē un līdzsvarot izmaksas un veiktspēju.