Абстрактный
Когда речь идет о способности интегральных схем системы управления батареями (ИС BMS) противостоять электромагнитным помехам (EMI), нам необходимо поговорить о расположении проводки печатной платы (PCB) и внешних компонентах (EC), которые играют ключевую роль. . Не забывайте, что импеданс самой BMS IC также имеет большое значение. Фактически, это сопротивление претерпит значительные изменения из-за функции балансировки батареи микросхемы BMS. В частности, большинство микросхем BMS, представленных на рынке, имеют функцию пассивной балансировки батареи, которая значительно снижает импеданс, представленный микросхемами BMS. Цель нашего исследования — понять влияние различных методов пассивной балансировки батарей на уровень иммунитета микросхем BMS. Затем мы также предложили новую архитектуру ИС BMS, которая не только уменьшает количество внешних компонентов, но и максимизирует влияние пассивной балансировки батареи на устойчивость ИС, то есть уровень ввода при тестировании с прямым впрыском мощности (DPI). Таким образом, даже в шумной среде микросхема может поддерживать высокоточные измерения высокого напряжения.
1. Введение
Литий-ионные (Li Ion) аккумуляторы и системы управления аккумуляторами (BMS) широко изучались с целью проложить путь новому поколению электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV). Например, основным аспектом разработки является определение характеристик кондуктивных электромагнитных помех (EMI) от приводного инвертора, которые являются одним из источников шума, которые могут вызывать помехи в ИС BMS. В этом пути помех кабели, прокладка печатной платы и внешние компоненты (EC) оказывают существенное влияние на помехоустойчивость микросхемы BMS. В данном случае речь идет о высоковольтных конденсаторах для автомобилей, используемых для предотвращения электростатических разрядов (ESD). Как показано в предыдущей работе, самая дешевая конфигурация этих EC — это дифференциальное соединение между батареями. Однако это приведет к увеличению уровня инжекции из-за появления резонанса в диапазоне частот прямой подачи мощности (DPI) ([150 кГц; 1 ГГц]), что вызвано построенной лестничной схемой CL.
В этом случае пассивная балансировка батареи подключит балансировочный резистор батареи и некоторые паразитные компоненты параллельно с конденсатором ESD при активации, что может изменить уровень затухания этих резонансов. В этом исследовании рассматриваются два метода балансировки аккумуляторов. Первый метод состоит в том, чтобы исключить батарею, измеряемую в данный момент ИС BMS, закоротить все батареи, которые могут быть закорочены, а затем извлечь уровень впрыска измеряемой батареи во время DPI, чтобы оценить влияние этого метода на устойчивость ИС. Кроме того, в этом исследовании сравнивались две архитектуры, использующие этот первый метод балансировки, при этом основное различие заключалось в количестве батарей, которые можно балансировать одновременно. Второй метод балансировки заключается в коротком замыкании той же батареи, которую в настоящее время измеряет ИС в специально предложенной архитектуре. Кроме того, благодаря новому размещению балансировочных резисторов предлагаемая архитектура превращает конденсатор ESD в фильтр, что позволяет балансировать значительно уменьшить сопротивление, наблюдаемое на стороне BMS, тем самым снижая уровень инжекции. Кроме того, для оценки влияния паразитной индуктивности также оценивалось влияние балансировки батареи на разных расстояниях между ESD-конденсаторами и микросхемами.
Наконец, структура этой статьи следующая: во-первых, представлено моделирование среды BMS IC; Во-вторых, используя первый метод балансировки батареи, сравните влияние балансировки на уровень ввода между двумя архитектурами микросхем BMS во время DPI; В-третьих, представим предлагаемую архитектуру и оценим ее влияние на баланс уровня впрыска во время DPI, используя второй метод балансировки.
2. Моделирование среды интегральной схемы BMS.
Функция BMS и тестирование DPI:Основная цель BMS — обеспечить оптимальную и безопасную работу аккумуляторов в условиях жестких электромагнитных помех (EMI). Некоторые из основных функций BMS IC включают точное измерение напряжения батареи и пассивную балансировку батареи для предотвращения деградации батареи и достижения оптимального извлечения энергии из аккумуляторного блока. Чтобы охарактеризовать способность микросхем выполнять эти задачи в условиях жестких электромагнитных помех, было проведено тестирование прямой подачи мощности (DPI) путем подачи мощности 30 дБм в синфазном режиме (CM) на все входы микросхемы, подключенные к батарее.
Настройка теста DPI и связанные с ней компоненты:На рисунке 1 показана установка DPI, использованная в этом исследовании, с использованием микросхемы BMS, которая может контролировать до 18 батарей. В этом параметре используются суперконденсаторы для создания аккумуляторных блоков с напряжением выше 80 В с использованием аккумуляторов на 12 В и стабилизации импеданса на стороне аккумуляторного блока. На рисунке 1 видно, что текущие методы моделирования сосредоточены на таких элементах, как аккумуляторная батарея и кабели длиной 30 см с каждой стороны печатной платы, суперконденсаторы, разъемы, проводка печатной платы на плате суперконденсатора и плате BMS IC, внешние компоненты (EC). ) на плате микросхемы BMS и полное сопротивление самой BMS.
Моделирование среды BMS IC:На рисунке 2 вход IC BMS моделируется конденсатором C {L} (30 пФ), представляющим собой внутренний балансировочный переключатель пассивной батареи с сопротивлением включения Ron=0,25 Ом. Конденсатор C {d} (47 нФ), используемый для целей электростатического разряда, является рассматриваемым EC, который имеет самую дешевую конфигурацию. Модель также учитывает паразитное сопротивление и индуктивность C {d} (паразитное сопротивление R {d} принимает значения на частотах 100 МГц и выше), при этом учитывается паразитное поведение инжектируемого конденсатора C {i} (330 пФ). Из-за наличия относительно высоких значений емкости C {d} влияние емкости при прокладке кабеля и печатной платы не учитывалось. Батарея моделируется с использованием идеального источника напряжения, поскольку аккумуляторная батарея и кабели закорочены суперконденсаторами. Все параметры 18 батарей на рисунке 2 аналогичны, если не учитывать несоответствие расстояния между каждой батареей и выводом микросхемы. Данная модель эффективна в диапазоне [150кГц, 200МГц].
Ситуация, связанная с выводом IC и архитектурой:В архитектуре 1 имеется вывод C {Bx}, используемый для измерения напряжения батареи и пассивной балансировки батареи, а также вывод C {Tx}, используемый только для измерения напряжения резервирования батареи. Измерение через вывод C {Tx} выполняется аналого-цифровым преобразователем с дискретным временем (DT ADC), поэтому требуется фильтр сглаживания (AAF, т. е. R {f} и C {f}); Измерение через вывод C {Bx} выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя непрерывного времени (CT ADC) без необходимости использования AAF. В следующем разделе будет представлена архитектура 2 и первый метод балансировки, использованный в этом исследовании для повышения устойчивости микросхем BMS. Также будет сравниваться затухание уровня впрыска, вызванное первым методом пассивной балансировки батареи между Архитектурой 1 и Архитектурой 2. Кроме того, в этом исследовании предполагается, что активация равновесия батареи длится несколько сотен микросекунд, что достаточно для измерения напряжения интересующей батареи. , и поэтому не окажет существенного влияния на состояние заряда равновесной батареи.
3. Различия в архитектуре микросхем BMS, проблемы резонанса и влияние первого метода балансировки.
Архитектурные различия и резонансные явления:Расположение выводов микросхем BMS, количество и тип используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и другие архитектурные аспекты напрямую влияют на внешние компоненты. В архитектуре 1 (рис. 2), за исключением C_{B0} и C_{B19}, каждый вывод C_{Bx} используется двумя батареи. Из-за необходимости установить R_ {b} на каждой дорожке печатной платы, ведущей к выводу C{{10}}{Bx} при тестировании DPI, чтобы ограничить преобразование из общего режима (CM). В дифференциальном режиме (DM) соседние батареи не могут быть сбалансированы одновременно, а нечетные и четные батареи необходимо балансировать в разные периоды времени. Архитектура 2 (рис. 3) имеет дополнительный вывод C {Bx \ _ H}, который может одновременно балансировать соседние батареи, но при этом увеличивается размер микросхемы, количество контактов и количество внешних компонентов (R {b}). Трапециевидная сеть CL, составленная из L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) и C_d} будут генерировать несколько резонансов с относительно низкими частотами (ниже 10 МГц). В практических приложениях длина кабеля, соединяющего микросхему BMS и аккумуляторную батарею, может достигать 2 метров, что снижает резонансную частоту и повышает добротность. Хотя R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) может в определенной степени ослабить резонанс, эффект недостаточный.
Первый метод балансировки и его влияние на уровень впрыска:Первый метод балансировки, рассматриваемый в этом исследовании, заключается в извлечении пикового напряжения первой батареи (C_{L1}) при моделировании DPI при балансировке других батарей. Для архитектуры 1 балансируются только батареи с нечетными номерами (исключая батарею 1), поскольку балансировка батарей с четными номерами (начиная с батареи 2) приведет к изменению постоянного тока (DC) батареи 1, что не соответствует реальным сценариям измерения. Для архитектуры 2 все батареи, кроме батареи 1, могут быть сбалансированы. Оцените, проведя моделирование переходных процессов в среде Spice (обеспечив достаточную стабильность периода сигнала, извлекая среднее значение напряжения за определенный период от пика до пика и получая достаточное количество точек в диапазоне [150 кГц; 200 МГц]). Результаты показали, что пассивное выравнивание батареи снижает амплитуду резонанса, как и ожидалось, на низких частотах, но увеличивает уровень инжекции на высоких частотах (приблизительно 150 МГц). Архитектура 2 оказывает большее влияние на уровень впрыска благодаря балансировке батарей на низких частотах, поскольку она может одновременно балансировать больше батарей и обеспечивать большее демпфирование; На высоких частотах свойственный ей уровень инжекции ниже, чем у архитектуры 1, а после активации баланса батареи наблюдается лишь незначительное улучшение на высоких частотах. Кроме того, существует компромисс между номиналом балансировочного резистора батареи $R_ {b} $ и уровнем инжекции. Уменьшение R_ {b} увеличит затухание низкочастотного резонанса, но ослабит затухание высокочастотного резонанса, тогда как увеличение R_ {b} будет иметь противоположный эффект.
4. Анализ второго метода равновесия и предложение новой архитектуры.
Анализ идеальных сценариев и стратегий улучшения:Чтобы оценить влияние балансировки батарей на низкочастотный резонанс, проанализируйте идеальный и упрощенный сценарий (похожий на архитектуру 1, но упрощенный). На частотах ниже 5 МГц суперконденсаторы можно рассматривать как устройства короткого замыкания из-за их высокого значения емкости (10 Ф) и низких в этом диапазоне паразитных параметров (эквивалентное последовательное сопротивление ESR, эквивалентная последовательная индуктивность ESL); При рассмотрении низкочастотного резонанса C {L} можно пренебречь; Для анализа удобно принять простую трапециевидную сеть без внешней нагрузки. Для общего импеданса в этом сценарии (формула 1) резонансная частота рассчитывалась с использованием специального выражения (формула 2). Установлено, что при заданных параметрах дискриминант формулы 2 отрицательный, имеет два мнимых корня, а действительная часть отражает затухание резонанса (псевдопериодическое состояние, формула 3). Для упрощенного сценария реализации балансировки батареи на рисунке 7б был рассчитан полином резонанса (формула 4). Было обнаружено, что максимальное уменьшение сопротивления R может сделать более дискриминационное выражение резонансного индекса положительным, значительно уменьшая резонансную частоту, но некоторые резонансы все еще находятся в псевдопериодическом состоянии. Коэффициент затухания (формула 5) показывает, что если R достаточно низкое, балансировка батареи может существенно повлиять на уровень впрыска. Хотя увеличение сопротивления может улучшить R_ {T}, это невозможно для архитектур 1 и 2, поскольку это снизит точность измерения вывода C_ {Tx} во время балансировки батареи.
Предложите новую архитектуру и оценку производительности:Предложите новую архитектуру, в которой для измерения вывода C {Tx} используется аналого-цифровой преобразователь непрерывного времени (CT ADC) без необходимости использования фильтров сглаживания (AAF, т. е. R {f} и C {f}). При измерении на выводе C {Bx} используется аналого-цифровой преобразователь с дискретным временем (DT ADC), а балансовый резистор R {b} перемещается перед конденсатором ESD C {d}, что экономит компоненты и повышает низкочастотные характеристики. частотный резонанс затухание. Чтобы предотвратить ошибки измерения во время балансировки батареи, измерение C {Tx} выполняется до R {b}. Второй метод балансировки балансирует измеряемую батарею (например, элемент x, рисунок 8), чтобы уменьшить уровень подачи сигнала на вывод C {Tx}. Новая архитектура максимизирует влияние балансировки батареи на уровень ввода DPI, помещая R {b} перед C {d} и приближая C {d} к IC. Результаты моделирования показывают, что новая архитектура имеет более низкий уровень инжекции, чем старая архитектура, когда балансировка батареи не активирована (рис. 5), и значительное затухание может быть получено, когда C {d} размещен на разумном расстоянии от микросхемы (рис. 5). 0.5 см или 1 см) (рис. 9). Однако в новой архитектуре существует компромисс в отношении производительности ESD. В архитектурах 1 и 2, когда происходит событие электростатического разряда, C {d} обеспечивает путь заземления с низким импедансом для вывода, тогда как в новой архитектуре R {b} представляет риск высокого напряжения для вывода C {Tx}. Следовательно, R {b} необходимо выбрать подходящее значение или разместить внутреннее фиксирующее устройство на C {Tx}, чтобы решить проблему. Будущая работа будет сосредоточена на улучшении характеристик ESD новой архитектуры.
5. Резюме
В этом исследовании предлагается модель интегральной схемы системы управления аккумулятором (BMS IC) для практического моделирования прямого впрыска мощности (DPI), предлагается первый метод балансировки аккумулятора для снижения уровня впрыска во время DPI и сравнивается производительность двух архитектур в рамках этого метода. Путем создания простой модели анализа, изучения влияния балансировки батареи на уровень затухания низкочастотного резонанса и определения стратегий по уменьшению влияния важного низкочастотного шума. Предложите новую архитектуру, которая уменьшает количество внешних компонентов и уровень ввода, что делает балансировку батареи более важной для устойчивости ИС.
Новая архитектура имеет компромиссы, связанные с характеристиками электростатического разряда (ESD). Будущая работа будет сосредоточена на оценке характеристик ESD новой архитектуры и изучении возможных мер по улучшению без чрезмерного увеличения количества внешних компонентов, чтобы оптимизировать общую производительность новой архитектуры, лучше применить ее к практическим системам управления батареями, улучшить производительность системы в области электромагнитной совместимости, обеспечить стабильную работу системы управления батареями в сложных электромагнитных условиях и сбалансировать стоимость и производительность.