Как сохранить мощность литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторные батареи стали неотъемлемой частью нашей жизни. У нас могут быть электрические мотоциклы, переносные электроинструменты и гибридные автомобили с подзарядкой от сети. Когда речь идет о электричестве, будут литий-ионные батареи. Никогда еще не был так важен тот факт, что литий-ионные аккумуляторные батареи создают схемы защиты для этих аккумуляторов.

Силовой полевой транзистор - это ключевая функция безопасности в системе управления батареями (BMS), основная цель которой - изолировать аккумуляторную батарею от нагрузки или зарядного устройства в ненормальных условиях. В этой статье мы обсудим, как применяется блок и как он применяется к силовому полевому транзистору, чтобы обеспечить безопасную работу литий-ионного аккумулятора.

Функциональный блок силового полевого транзистора не выглядит сложным: включите полевой транзистор при подключении зарядного устройства или нагрузки; выключите полевой транзистор при возникновении ошибки. Чтобы правильно функционировать в качестве силового полевого транзистора, инженерам-разработчикам необходимо понимать условия нагрузки, ограничения аккумуляторной батареи и схемы функциональных блоков.

В системах управления батареями силовые полевые транзисторы контролируются сравнениями напряжения элемента, тока батареи, температуры, нагрузки и заряда. Функциональные блоки в системе создаются тремя способами: (1) через дискретные компоненты, что требует дополнительного места на плате, а инженеру-конструктору необходимо глубокое понимание каждого подблока. (2) Интегрируйте силовой FETIC большинства под-функциональных блоков и используйте его в качестве сопутствующей ИС для многоядерных мониторов / эквалайзеров. Power FETIC очень полезны в приложениях с большим количеством ячеек («16 ячеек»), таких как солнечные фермы и интеллектуальные сети. (3) Функциональные блоки Power FET в полностью интегрированных BMSIC, таких как ISL94202, ISL94203 и ISL94208. Функции этих трех схем примерно одинаковы. В этой статье объясняются внутренние функции каждого подблока и соображения по проектированию для различных приложений.

Рассмотрим конфигурацию схемы на Рисунке 1. Система представляет собой конфигурацию последовательного полевого транзистора со стороны высокого напряжения, подключенного к двигателю. Состояние включения силового полевого транзистора зависит от напряжения ячеек аккумуляторной батареи, токов заряда и разряда, температуры и состояния контактов монитора. Любой сбой, о котором сообщает субблок, приведет к отключению одного или обоих полевых транзисторов.

Обнаружение Vcell

Обнаружение ячеек, которое не учитывает балансировку ячеек, представляет собой измерение напряжения, используемое для контроля перенапряжения, пониженного напряжения и состояния открытых ячеек. Состояние пониженного напряжения важно для обнаружения состояния холостого хода аккумуляторной батареи, чтобы предотвратить выход элемента из активной области напряжения (активной области). Активная область литий-ионного аккумулятора составляет 2,5-4,2 В. Активная область литий-полимерного аккумулятора составляет 2,5–3,6 В. В зависимости от химического состава и конструкции, предельное напряжение ячейки определяет пределы полной нагрузки и холостого хода ячейки. При зарядке аккумулятора не превышайте верхний предел напряжения. В противном случае аккумулятор может выйти из строя. Большинство BMSIC непрерывно отслеживают перенапряжение и пониженное напряжение независимо от уровня заряда батареи.

После измерения всех ячеек в аккумуляторной батарее полезно сообщить общую разницу напряжений между самым сильным и самым слабым элементом. Большая разница в напряжении аккумуляторной батареи может идентифицировать обрыв ячейки или обрыв линии. В большинстве систем есть проверка открытой линии, чтобы гарантировать, что измерительная система подключена к ячейкам с помощью проводов. Тест на обрыв линии не такой частый, как измерение напряжения элемента, и результат вычисления разности напряжений элемента может использоваться в качестве раннего предупреждения о сбое системы.

Событие обрыва ячейки - это внутренний разрыв цепи или повреждение внешнего соединения. Происшествие может быть медленным или внезапным. Возможными причинами возникновения открытых ячеек являются старение, низкое качество изготовления элементов или длительная работа в суровых условиях. Повреждение внешнего соединения обычно вызвано плохой конструкцией аккумуляторной батареи.

Когда аккумуляторная батарея подключена к нагрузке, генерируется большой пусковой ток, и может возникнуть ложное срабатывание сигнализации о максимальной разнице напряжений элементов. Пусковой ток, умноженный из-за несоответствия импеданса элемента, может вызвать серьезное несоответствие напряжения элемента. У некоторых чипов есть задержка в сообщении о событиях, а у других - нет.

Текущее обнаружение

Большинство аккумуляторных систем, используемых для измерения тока, имеют три компаратора тока: разряд при коротком замыкании (DSC), разряд при перегрузке по току (DOC) и заряд от сверхтока (COC). Каждый компаратор генерирует задержку, которая позволяет току превысить предел в течение определенного периода времени, прежде чем предпринимать какие-либо действия.

Нагрузка менее управляема, чем зарядное устройство, поэтому требуется быстрое обнаружение разряда тока, чтобы отключить силовой полевой транзистор и предотвратить повреждение батареи или самого силового полевого транзистора. Когда происходит событие DSC, силовой полевой транзистор часто отключается на десятки или сотни миллисекунд. Задержка DSC состоит из временной задержки и времени, необходимого для отключения силового полевого транзистора. Силовой полевой транзистор отключается, когда затвор и исток соединены изолирующим резистором. Резистор и конденсатор затвора образуют RC-цепь и определяют время выключения полевого транзистора.

При установке общей выдержки времени выключения DSC необходимо учитывать множество факторов. Время выключения DSC определяется временем, когда батарея и цепь повреждены, по сравнению со временем, в течение которого пусковой ток может пройти, когда нагрузка активирована или подключена. Время выключения DSC должно быть сбалансировано со временем выключения FET. Чрезмерная скорость выключения полевого транзистора может вызвать большие скачки напряжения на измерительных выводах ячейки. Контакт, ближайший к силовому полевому транзистору, наиболее подвержен сильным скачкам напряжения. Эти переходные процессы представляют собой индуктивную энергию, накопленную на трассе между силовым полевым транзистором и батареей, что является результатом отсутствия расхождения, когда батарейный блок внезапно отключается от нагрузки. Энергия индуктора расходится с разомкнутой нагрузкой до тех пор, пока напряжение не поднимется достаточно, чтобы активировать диод ESD подключенной цепи. Если энергии достаточно, компонент будет подвергаться чрезмерному электрическому напряжению. Количество энергии, хранящейся в дорожке, является произведением индуктивности дорожки и тока, протекающего в нагрузке. Энергия, накопленная в следе, является наибольшей в условиях разрядного короткого замыкания. Фильтрация на выводе напряжения ячейки помогает снизить вероятность событий EOS. На практике след должен быть как можно короче и как можно шире. Также следует тщательно выбирать размер и длину кабеля между нагрузкой и силовым полевым транзистором. Это еще один фактор, который может вызвать переходные процессы высокого напряжения.

Увеличение значения изолирующего резистора между затвором полевого транзистора и управляющим выводом полевого транзистора снижает величину переходного напряжения за счет увеличения времени выключения полевого транзистора. В то же время это увеличивает время включения силового полевого транзистора на постоянную времени RC, включающую емкость полевого транзистора. Обратите внимание, что в обоих случаях используются изолирующие резисторы.

Слишком низкая скорость отключения силового полевого транзистора может привести к повреждению или отключению питания силового полевого транзистора. Как показано на рисунке 2, большинство технических паспортов силовых полевых транзисторов содержат график зависимости между током полевого транзистора, VDS и длительностью. Рассмотрим аккумуляторную батарею на 20 В с током короткого замыкания 100 А. На рисунке ниже показано, что в этом состоянии полевой транзистор может работать в течение 1 миллисекунды.

На практике предел DSC обычно уравновешивается продолжительностью пускового тока. Пусковой ток может превышать рабочий ток в 100 или более раз. На рисунке 3 показан пример переходного процесса при пусковом токе с пиком пускового тока 270А и потребляемым рабочим током 8А. Если пусковой ток может превысить предел DSC, полевой транзистор будет переключаться между включенным и выключенным состояниями.

Предел превышения тока разряда и задержка являются вторичными ограничениями, которые определяют поврежденную нагрузку или систему (все еще работающую после повреждения) или неправильную нагрузку, подключенную к аккумуляторной батарее. Условия DOC существуют намного дольше и требуют меньше факторов, чем DSC.

Ограничение по току заряда предотвращает перезарядку аккумулятора и зарядку аккумулятора с помощью неправильного зарядного устройства. Задержка COC позволяет нерегулируемому заряду поступать в аккумулятор за короткое время. На рисунке 5 показана кривая нагрузки самоката. Двигатель заряжает аккумулятор при отрицательном токе. Рекуперативный ток от двигателя может быть значительно больше, чем ток зарядки. Настройка предела COC близка к току зарядного устройства, чтобы предотвратить зарядку аккумулятора с помощью неправильного зарядного устройства. Большинство рекуперативных токов непродолжительны. На рис. 5 ток рекуперации, зарегистрированный через 250 секунд, относится к случаю, когда мотоцикл едет под уклон. Рекуперативный ток примерно за 280 секунд - это случай, когда мотоцикл останавливается выбегом. Зарядный ток этого аккумуляторного блока составляет 2А.

Установка зарядного тока включает множество факторов. Основным фактором является прием заряда самой ячейки. Другие факторы включают время зарядки, нагрев элемента и старение аккумулятора.

Проверка температуры

Основная причина определения температуры элемента - убедиться, что аккумулятор не достигает теплового разгона. Условиями, которые могут вызвать тепловой разгон, являются перезаряд элемента, короткое замыкание на аккумуляторную батарею или внутреннее короткое замыкание самого элемента. Некоторые химические батареи относительно чувствительны к тепловому разгоне.

Помимо обнаружения теплового разгона, на практике также используется тепловое обнаружение, чтобы определить, безопасно ли заряжается или разряжается аккумулятор. Большинство литиевых батарей обеспечивают рекомендуемый диапазон температур заряда / разряда. В таких приложениях, как портативные компьютеры, может быть желательно заряжать в единственной допустимой температурной зоне разряда. JEITA - это стандарт зарядки литиевых батарей. Стандарт рекомендует уменьшить зарядный ток в температурной зоне, где элемент не очень стабилен или менее способен принимать заряд.

Для автономных BMSIC важно понимать функциональные блоки и силовые полевые транзисторы, выполняющие свои действия в рабочей области. Некоторые микросхемы позволяют заряжать, когда включены и зарядный полевой транзистор (CFET), и разрядный полевой транзистор (DFET). Другие микросхемы отключают CFET. CFET никогда не должен отключаться в конфигурации с последовательным силовым полевым транзистором, если температурный профиль элемента позволяет работать только в области разряда. Работа нагрузки при выключенном CFET позволяет току проходить через внутренний диод CFET. Это увеличивает рассеиваемую мощность полевого транзистора, вызывая повышение температуры полевого транзистора. Если не принять никаких мер для устранения тепла, выделяемого полевым транзистором, например, из-за разводки схемы или использования радиатора, компоненты могут быть повреждены. Отключение CFET при работе в последовательной конфигурации также снижает энергопотребление нагрузки, которое может повлиять на производительность приложений.

В большинстве малых и средних аккумуляторных батарей используются два термистора для контроля температуры. Один из термисторов расположен в центре аккумуляторной батареи, и температура здесь выше из-за изоляции от аккумуляторных элементов. Эти элементы стареют быстрее из-за более высоких рабочих температур. Второй термистор расположен вне аккумуляторной батареи и в основном используется для измерения температуры окружающей среды. Правильное определение температуры предотвращает термическую утечку батареи и обеспечивает безопасную зарядку или разрядку.

Страница содержит содержимое машинного перевода.