باتری های قابل شارژ اجزای اساسی سیستم های ذخیره انرژی باتری (BESS) هستند. امروزه، سیستمهای شیمیایی مختلف بیشتر و بیشتری در بستههای باتری متشکل از دهها، صدها یا حتی هزاران سلول ترکیب میشوند و به عملکرد کارآمدتری در ولتاژهای بالاتر دست مییابند. برای طراحان سیستم مدیریت باتری (BMS)، این ساختار طراحی در دستیابی به عملکرد بهینه، کارایی، قابلیت اطمینان و ایمنی با چالشهای زیادی مواجه است.
به عنوان مثال، طراحی یا انتخاب مدارهای مجتمع (IC) که الزامات برنامه را برآورده می کنند، نیازمند درک عمیق شیمی باتری، شارژ، نظارت، تعادل بار، جداسازی، ایمنی و فن آوری های ارتباطی است تا از اجرای کارآمد اطمینان حاصل شود.
برای این منظور، تامین کنندگان بسیاری از عملکردهای ضروری را در آی سی های اختصاصی که اساساً مستقل از پردازنده ها هستند، ادغام کرده اند. بسیاری از مدل های این نوع آی سی نه تنها از چندین سیستم شیمیایی باتری مبتنی بر لیتیوم پشتیبانی می کنند، بلکه با سلول های باتری غیر لیتیومی نیز سازگار هستند. این نوع آی سی داده ها را از سلول های باتری جمع آوری می کند و تصمیمات و اقدامات بهینه مدیریت باتری را در زمان واقعی انجام می دهد. علاوه بر این، این نوع آی سی ها همچنین داده هایی را در مورد وضعیت سلول باتری و وضعیت عملکرد به پردازنده سیستم ارائه می دهند.
این مقاله به طور مختصر به معرفی الزامات فنی منحصر به فرد گروه های چند سلولی می پردازد. سپس آی سی های بهینه سازی شده تخصصی پیشرفته دستگاه های آنالوگ را معرفی کنید و نحوه استفاده از این آی سی ها را برای برآورده ساختن الزامات فوق توضیح دهید.
چند سلول باتری چالش های بیشتری را به همراه خواهد داشت
نمودار مدار پایه یک بسته باتری ممکن است ساده به نظر برسد، اما در واقع شامل چندین سلول باتری است که ولتاژ بالاتری را از طریق اتصال سری و جریان بیشتری را از طریق اتصال موازی به دست می آورند. این بدان معناست که چنین پیکربندیهایی فقط یک توسعه ساده از بستههای باتری تک سلولی/چند سلولی هستند که تقریباً به هیچ مدیریت اضافی نیاز ندارند. این بسته باتری چند سلولی برای ابزارهای الکتریکی که به ولتاژ 18 یا 48 ولت نیاز دارند، وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) که به 400 ولت یا 800 ولت نیاز دارند و سیستم های BESS که معمولاً به ولتاژ 1500 ولت نیاز دارند، مناسب است.
وضعیت واقعی این بسته های باتری بزرگتر این است که جزئیات و پیچیدگی آنها بسیار بیشتر از آنچه در نمودار مدار آنها نشان داده شده است. با افزایش تعداد سلول ها و بسته های باتری، دشواری پرداختن به این چالش ها به طور تصاعدی افزایش می یابد.
در مرحله اول، لازم است سلول باتری را برای ردیابی ولتاژ پایانه، منحنی تخلیه شارژ، وضعیت شارژ (SoC)، دما و ویژگی های پیش ساز خطا بررسی کنید. علاوه بر این، لازم است سلول های مختلف باتری را به صورت یکسان مدیریت کرد و تفاوت های آنها را ثبت و در نظر گرفت.
اگر مجموعه ای از قوانین جهانی وجود نداشته باشد، پیچیدگی مدیریت سلول باتری را بیشتر می کند. علاوه بر این، مناسب بودن استراتژی مدیریت اتخاذ شده به ویژگی های شیمیایی سلول های باتری بستگی دارد. استراتژیهای مدیریتی اتخاذ شده برای سیستمهای مختلف شیمیایی مختلف متفاوت است (مانند باتریهای لیتیوم یون (یون لیتیوم) و باتریهای اسید سرب)، و در یک سیستم شیمیایی تعمیمیافته (مانند فرمولبندیهای مختلف باتری یون لیتیوم)، استراتژیهای مدیریتی مورد استفاده نیز متفاوت است. بنابراین، استراتژی های مدیریت پیشرفته BMS باید برای ویژگی های شیمیایی سلول های باتری مدیریت شده سفارشی شود.
با توجه به تعداد زیاد سلول های باتری موجود در بسته های باتری با ولتاژ بالا و ظرفیت بالا که باید استانداردهای ایمنی متعددی را رعایت کنند، نظارت و مدیریت سلول های باتری محلی در حال حاضر عملی ترین راه حل مهندسی است. اگرچه این سیستم معمولاً به یک پردازنده اصلی مجهز است، اما معمولاً فقط میتواند دستورالعملهای نظارتی پیشرفتهای را برای نظارت بر سلول محلی صادر کند و عملکرد کلی بسته باتری را ارزیابی کند. نظارت و مدیریت یک سلول باتری منفرد توسط یک سیستم الکترونیکی خودمختار انجام می شود که عملکرد بلادرنگ را فراهم می کند و در درجه اول بدون نیاز به دخالت پردازنده در سطح سیستم عمل می کند.
تعادل باتری غیرفعال و فعال
تعادل سلولی به ویژه برای حفظ یکپارچگی گروه های سلولی متعدد، حصول اطمینان از اینکه برخی سلول ها به دلیل بار اضافی آسیب نمی بینند، و جلوگیری از بیکار ماندن باتری های دیگر به دلیل استفاده کم، مهم است. تعادل سلولی می تواند از آسیب به سلول ها و بسته های باتری جلوگیری کند و در نتیجه عملکرد را به حداکثر برساند. تعادل سلولی تضمین می کند که تمام سلول های بسته باتری به طور همزمان به حداکثر ظرفیت خود می رسند و از شارژ بیش از حد، عدم تعادل SoC، تخلیه بیش از حد و پیری زودرس جلوگیری می کند و در نهایت طول عمر باتری را افزایش می دهد.
دو روش برای تعادل سلولی وجود دارد: تعادل فعال و غیرفعال. تساوی فعال دقیق تر و سریعتر از تساوی غیرفعال است، اما اجرای آن پیچیده تر است. متعادلسازی فعال از فناوری مدار فعال برای توزیع مجدد شارژ بین هر سلول در بسته باتری استفاده میکند و تضمین میکند که SoC همه سلولها ثابت میماند. این مدار ولتاژ هر سلول باتری را کنترل می کند و جریان های شارژ و دشارژ را بر اساس نتایج مانیتورینگ تنظیم می کند.
در مقابل، تعادل غیرفعال بر قانون اهم و مقاومت های متعادل کننده برای تنظیم سلول در همان حالت SoC متکی است. تعادل غیرفعال علاوه بر دقت کم و سرعت کم، می تواند انرژی اضافی را در سلول های باتری بالا هدر دهد.
شروع از نظارت چند سلولی
اگرچه در حال حاضر تعداد زیادی راه حل ESS در بازار وجود دارد، دو عملکرد اصلی BMS همچنان در نظارت و تعادل سلول های باتری نهفته است. آی سی ADES1830CCSZ که در شکل 1 نشان داده شده است، به عنوان یک مانیتور باتری 16 کانالی، چند سلولی و چند سلولی، نه تنها به عملکردهای بالا دست می یابد، بلکه ویژگی های کلیدی متعددی را که به ساده سازی طراحی و عملکرد سیستم کمک می کند، ادغام می کند.
مانیتور سلولی دستگاه های آنالوگ ADES1830CCSZ با سلول های چندگانه و سیستم های شیمیایی (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
شکل 1: مانیتور سلولی ADES1830CCSZ با سلول های متعدد و سیستم های شیمیایی متعدد به عنوان بلوک اصلی برای یک BMS جامع استفاده می شود. (منبع تصویر: دستگاه های آنالوگ)
این مانیتور گروه چند سلولی می تواند تا 16 سلول متصل به سری را با خطای کل اندازه گیری (TME) کمتر از 2 میلی ولت در کل محدوده دما اندازه گیری کند. در حالی که TME سایر ADES1831CCSZ با مشخصات مشابه کمی بالاتر است، در 5 میلی ولت. محدوده ورودی اندازه گیری -2 ولت تا 5.5 ولت ADES1830 و ADES1831 را برای اکثر مواد شیمیایی باتری مناسب می کند.
به منظور حفظ ثبات در هنگام نظارت بر بستههای باتری حاوی تعداد زیادی سلول، همه سلولها میتوانند به طور همزمان از طریق مبدلهای آنالوگ به دیجیتال دوگانه یکپارچه (ADC) اندازهگیری شوند. این مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (ADC) بهطور پیوسته با نرخ نمونهبرداری بالای 4.096 مگا نمونه در ثانیه (MSPS) کار میکنند، بنابراین استفاده از فیلترهای آنالوگ خارجی را کاهش میدهند و به نتایج اندازهگیری رایگان میرسند. در صورت لزوم، کاهش نویز اضافی را می توان از طریق فیلترهای پاسخ ضربه نامحدود قابل برنامه ریزی پایین دست (IIR) به دست آورد. ADES1830 و ADES1831 همچنین دارای عملکرد متعادل کننده غیرفعال هستند - که از طریق کنترل سیکل وظیفه مدولاسیون عرض پالس مستقل (PWM) به دست می آید و جریان تخلیه تا 300 میلی آمپر در هر سلول را پشتیبانی می کند.
اگرچه یک دستگاه ADES1830 یا ADES1831 تنها از 16 سلول به صورت سری پشتیبانی میکند، چندین دستگاه را میتوان برای نظارت همزمان سلولهای یک بسته باتری با ولتاژ بالا با رشتههای طولانی، آبشار کرد. برای دستیابی به اتصال بین تراشه های آی سی، هر دستگاه مجهز به یک رابط پورت سریال ایزوله (isoSPI) است که از طریق خازن ها یا ترانسفورماتورهای انتخاب شده توسط کاربر برای دستیابی به ارتباطات پرسرعت در مسافت طولانی که می تواند در برابر تداخل فرکانس رادیویی مقاومت کند، به صورت الکتریکی ایزوله می شود.
از طریق این روش، یک اتصال پردازنده اصلی می تواند داده ها را بخواند و کل رشته باتری را نظارت کند. این پیوند پورت سریال ارتباط دو طرفه را امکان پذیر می کند و از یکپارچگی داده ها حتی در صورت خرابی مسیر ارتباطی اطمینان می دهد.
برای بهینه سازی کاربرد این آشکارسازهای چند سلولی، دستگاه های آنالوگ برد ارزیابی EV-ADES1830CCSZ را راه اندازی کرده است (شکل 2، سمت چپ). برای نزدیکتر شدن به واقعیت، میتوان چندین برد ارزیابی از طریق رابط isoSPI برای نظارت بر یک رشته طولانی از سلولها در بسته باتری (در سمت راست شکل 2) متصل کرد.