Abstract
Kada je u pitanju sposobnost integrisanih kola sistema za upravljanje baterijama (BMS IC) da se odupru elektromagnetnim smetnjama (EMI), moramo govoriti o rasporedu ožičenja štampanih ploča (PCB) i eksternih komponenti (EC), koje su ključne uloge. . Ne zaboravite, impedansa samog BMS IC-a je također velika stvar. Zapravo, ova impedancija će pretrpjeti značajne promjene zbog funkcije balansiranja baterije BMS IC-a. Konkretno, većina BMS IC-a na tržištu integriše funkciju pasivnog balansiranja baterije, što uvelike smanjuje impedanciju koju predstavljaju BMS IC-ovi. Svrha našeg istraživanja je razumjeti utjecaj različitih metoda pasivnog balansiranja baterija na imunološki nivo BMS IC-a. Zatim smo također predložili novu BMS IC arhitekturu koja ne samo da smanjuje broj vanjskih komponenti, već i maksimizira utjecaj pasivnog balansiranja baterije na imunitet IC-a, odnosno nivo ubrizgavanja u testiranju direktnog ubrizgavanja snage (DPI). Na ovaj način, čak iu bučnim okruženjima, IC može održavati visoko precizna mjerenja visokog napona.
1. Uvod
Litijum-jonske (Li Ion) baterije i sistemi za upravljanje baterijama (BMS) su naširoko proučavani, sa ciljem da se utre put za novu generaciju električnih vozila (EV) i hibridnih električnih vozila (HEV). Na primjer, glavni aspekt razvoja je karakterizacija provodnih elektromagnetnih smetnji (EMI) od pogonskog pretvarača, koji je jedan od izvora buke koji može uzrokovati smetnje BMS IC-u. Na ovom putu buke, kablovi, PCB usmeravanje i eksterne komponente (EC) imaju značajan uticaj na otpornost BMS IC-a. EC-ovi na koje se ovdje fokusira su visokonaponski kondenzatori za automobile koji se koriste za sprječavanje elektrostatičkog pražnjenja (ESD). Kao što je pokazano u prethodnom radu, najjeftinija konfiguracija za ove EC je diferencijalno povezivanje baterija. Međutim, ovo će rezultirati povećanjem nivoa ubrizgavanja zbog uvođenja rezonancije unutar frekvencijskog opsega direktnog ubrizgavanja snage (DPI) ([150kHz; 1GHz]), što je uzrokovano konstruiranom CL ljestvičnom mrežom.
U ovom slučaju, pasivno balansiranje baterije će povezati otpornik za balansiranje baterije i neke parazitne komponente paralelno sa ESD kondenzatorom kada je aktiviran, što može promijeniti nivo slabljenja ovih rezonancija. Ova studija razmatra dvije metode balansiranja baterija. Prva metoda je da isključite bateriju koju trenutno mjeri BMS IC, kratko spojite sve baterije koje mogu biti kratko spojene, a zatim izdvojiti nivo ubrizgavanja izmjerene baterije tokom DPI-ja kako bi se procijenio uticaj ove metode na imunitet IC-a. Osim toga, ova studija je upoređivala dvije arhitekture koje koriste ovu prvu metodu balansiranja, a glavna razlika je u broju baterija koje se mogu balansirati istovremeno. Druga metoda balansiranja je kratki spoj iste baterije koju trenutno mjeri IC u posebno predloženoj arhitekturi. Osim toga, zbog novog postavljanja balansnih otpornika, predložena arhitektura pretvara ESD kondenzator u filter, što omogućava balansiranju da značajno smanji impedanciju koja se vidi na strani BMS, čime se smanjuje nivo ubrizgavanja. Osim toga, da bi se procijenio učinak parazitske induktivnosti, također je procijenjen utjecaj balansiranja baterije na različitim udaljenostima između ESD kondenzatora i IC-a.
Konačno, struktura ovog članka je sljedeća: Prvo, predstavljeno je modeliranje BMS IC okruženja; Drugo, koristeći prvi metod balansiranja baterije, uporedite uticaj balansiranja na nivo ubrizgavanja između dve BMS IC arhitekture tokom DPI; Treće, predstavite predloženu arhitekturu i procenite njen uticaj na balans nivoa ubrizgavanja tokom DPI koristeći drugu metodu balansiranja.
2. Modeliranje okruženja integriranog kola BMS
BMS funkcija i DPI testiranje:Glavna svrha BMS-a je da osigura optimalan i siguran rad baterija u okruženjima s teškim elektromagnetnim smetnjama (EMI). Neke od glavnih funkcija BMS IC-a uključuju precizno mjerenje napona baterije i pasivno balansiranje baterije kako bi se spriječila degradacija baterije i postigla optimalna ekstrakcija snage iz baterije. Da bi se okarakterisala sposobnost IC-a da obavlja ove zadatke u teškim EMI okruženjima, testiranje direktnog ubrizgavanja snage (DPI) je sprovedeno spajanjem 30dBm snage u zajedničkom modu (CM) na sve IC ulaze povezane na bateriju.
Podešavanje DPI testa i povezane komponente:Slika 1 prikazuje DPI podešavanje korišteno u ovoj studiji, koristeći BMS IC proizvod koji može pratiti do 18 baterija. Ova postavka uvodi superkondenzatore za izradu paketa baterija sa naponom većim od 80V koristeći baterije od 12V i stabilizuje impedanciju na strani baterije. Sa slike 1 se može vidjeti da se trenutne metode modeliranja fokusiraju na elemente kao što su baterija i kablovi od 30 cm sa svake strane PCB-a, superkondenzatori, konektori, PCB ožičenje na superkondenzatorskoj ploči i BMS IC ploča, vanjske komponente (EC-ovi). ) na BMS IC ploči, i impedanciju koju predstavlja sam BMS.
BMS IC modeliranje okruženja:Sa slike 2, BMS IC ulaz je modeliran kondenzatorom C {L} (30pF) koji predstavlja interni pasivni prekidač za balansiranje baterije, sa prekidačem na otporu Ron=0.25 Ω. Kondenzator C {d} (47nF) koji se koristi za ESD svrhe je ECs od zabrinutosti, koji usvaja najjeftiniju konfiguraciju. Model također uključuje parazitski otpor i induktivnost C {d} (parazitski otpor R {d} uzima vrijednosti na frekvencijama od 100MHz i više), uzimajući u obzir parazitsko ponašanje ubrizganog kondenzatora C {i} (330pF). Zbog prisustva relativno visokih vrijednosti kapacitivnosti C {d}, efekat kapacitivnosti usmjeravanja kablova i PCB-a nije uzet u obzir. Baterija je modelirana korištenjem idealnog izvora napona jer su baterijski paket i kablovi kratko spojeni superkondenzatorima. Svi parametri 18 baterija na slici 2 su slični, zanemarujući neusklađenost u udaljenosti između svake baterije i IC pina. Ovaj model je efikasan u opsegu [150kHz, 200MHz].
IC pin i situacija vezana za arhitekturu:U arhitekturi 1 postoji C {Bx} pin koji se koristi za mjerenje napona baterije i pasivno balansiranje baterije, kao i C {Tx} pin koji se koristi samo za mjerenje napona redundancije baterije. Mjerenje preko C {Tx} pina se izvodi analogno-digitalnim pretvaračem s diskretnim vremenom (DT ADC), stoga je potreban anti-aliasing filter (AAF, tj. R {f} i C {f}); Mjerenje preko C {Bx} pina se izvodi analogno-digitalnim konvertorom kontinuiranog vremena (CT ADC) bez potrebe za AAF. Sljedeći odjeljak će predstaviti arhitekturu 2 i prvu metodu balansiranja korištenu u ovoj studiji za poboljšanje imuniteta BMS IC-a. Takođe će se uporediti slabljenje nivoa ubrizgavanja koje je donela prva pasivna metoda balansiranja baterije između arhitekture 1 i arhitekture 2. Osim toga, ova studija pretpostavlja da aktivacija ravnoteže baterije traje nekoliko stotina mikrosekundi, što je dovoljno za merenje napona zainteresovane baterije. , te stoga neće imati značajan utjecaj na stanje napunjenosti ravnotežne baterije.
3. Razlike u BMS IC arhitekturi, problemi rezonancije i uticaj prve metode balansiranja
Arhitektonske razlike i rezonantni fenomeni:Raspored pinova BMS IC-a, broj i tip analogno-digitalnih pretvarača (ADC) koji se koriste i drugi arhitektonski aspekti direktno utiču na eksterne komponente. U arhitekturi 1 (slika 2), osim za C_{B0} i C_{B19}, svaki pin C_{Bx} dijele dva baterije. Zbog potrebe za postavljanjem R_ {b} na svakom tragu PCB-a koji vodi do C{{10}}{Bx} pina u DPI testiranju kako bi se ograničila konverzija iz uobičajenog načina rada (CM) na diferencijalni način rada (DM), susjedne baterije se ne mogu balansirati istovremeno, a parne i neparne baterije moraju biti balansirane u različitim periodima. Arhitektura 2 (slika 3) ima dodatni C {Bx \ _ H} pin koji može istovremeno balansirati susjedne baterije, ali će povećati veličinu čipa, broj pinova i vanjske komponente (R {b}). CL trapezna mreža sastavljena od L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) i C_d} će generisati višestruke rezonancije, koje imaju relativno niske frekvencije (ispod 10MHz). U praktičnim primjenama, kabel koji povezuje BMS IC i bateriju može doseći 2 metra, što će smanjiti rezonantnu frekvenciju i povećati faktor kvalitete. Iako R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) može ublažiti rezonanciju do određene mjere, efekat je nedovoljan.
Prva metoda balansiranja i njen uticaj na nivo ubrizgavanja:Prva metoda balansiranja koja se razmatra u ovoj studiji je izdvajanje vršnog do vršnog napona prve baterije (C_{L1}) u DPI simulaciji uz balansiranje drugih baterija. Za arhitekturu 1, balansirane su samo baterije s neparnim brojem (osim baterije 1), jer bi balansiranje baterija s parnim brojem (počevši od baterije 2) promijenilo jednosmjernu struju (DC) baterije 1, što nije u skladu sa stvarnim scenarijima mjerenja. Za arhitekturu 2, sve baterije osim baterije 1 mogu biti izbalansirane. Procijenite provođenjem prolaznih simulacija u spice okruženju (obezbeđivanje dovoljne periodne stabilnosti signala, izdvajanje srednjeg perioda od vršnog do vršnog napona i uzimanje dovoljnih tačaka u opsegu od [150kHz; 200MHz]). Rezultati su pokazali da pasivno izjednačavanje baterije smanjuje amplitudu rezonancije kao što se očekivalo na niskim frekvencijama, ali povećava nivo ubrizgavanja na visokim frekvencijama (približno 150MHz). Arhitektura 2 ima veći uticaj na nivo ubrizgavanja zbog balansiranja baterije na niskim frekvencijama, jer može balansirati više baterija istovremeno i uvesti više prigušenja; Na visokim frekvencijama, njegov inherentni nivo ubrizgavanja je niži od onog kod arhitekture 1, a nakon aktiviranja balansa baterije, postoji samo neznatno poboljšanje u visokim frekvencijama. Osim toga, postoji kompromis između vrijednosti otpornika za balansiranje baterije $R_ {b} $ i nivoa ubrizgavanja. Smanjenje R_ {b} će poboljšati slabljenje rezonancije niske frekvencije, ali će oslabiti slabljenje visokofrekventne rezonancije, dok će povećanje R_ {b} imati suprotan efekat.
4. Analiza druge ravnotežne metode i prijedlog nove arhitekture
Analizirajte idealne scenarije i strategije poboljšanja:Da biste procijenili utjecaj balansiranja baterije na niskofrekventnu rezonanciju, analizirajte idealan i pojednostavljen scenarij (slično arhitekturi 1, ali pojednostavljeno). Na frekvencijama ispod 5MHz, superkondenzatori se mogu smatrati kratkim spojevima zbog njihove visoke vrijednosti kapacitivnosti (10F) i parazitskih parametara (ekvivalentni serijski otpor ESR, ekvivalentna serijska induktivnost ESL) niskih u ovom opsegu; Kada se razmatra niskofrekventna rezonanca, C {L} se može zanemariti; Usvajanje jednostavne trapezoidne mreže bez vanjskog opterećenja je pogodno za analizu. Za ukupnu impedanciju u ovom scenariju (Formula 1), rezonantna frekvencija je izračunata korištenjem specifičnog izraza (Formula 2). Utvrđeno je da je pod datim parametrima diskriminanta Formule 2 negativna, sa dva imaginarna korijena, a realni dio odražava slabljenje rezonancije (pseudoperiodično stanje, Formula 3). Za pojednostavljeni scenario implementacije balansiranja baterije na slici 7b izračunat je polinom rezonancije (Formula 4). Utvrđeno je da smanjenje otpora R koliko god je to moguće može učiniti diskriminativnije izraze indeksa rezonancije pozitivnim, značajno umanjujući rezonantnu frekvenciju, ali su neke rezonancije još uvijek u pseudoperiodičnom stanju. Faktor slabljenja (Formula 5) pokazuje da ako je R dovoljno nizak, balansiranje baterije može značajno uticati na nivo ubrizgavanja. Iako povećanje otpora može poboljšati R_ {T}, to nije izvodljivo za arhitekture 1 i 2 jer će smanjiti tačnost mjerenja C_ {Tx} pina tokom balansiranja baterije.
Predložite novu arhitekturu i procjenu performansi:Predložite novu arhitekturu u kojoj mjerenje C {Tx} pina koristi kontinuirani analogno-digitalni pretvarač (CT ADC) bez potrebe za antialiasing filterima (AAF, tj. R {f} i C {f}) , mjerenje pina C {Bx} koristi analogno-digitalni pretvarač diskretnog vremena (DT ADC), a balansni otpornik R {b} se pomjera prije ESD kondenzatora C {d}, štedeći komponente i poboljšavajući slabljenje niskofrekventne rezonancije. Da bi se spriječile greške u mjerenju tokom balansiranja baterije, mjerenje C {Tx} se izvodi prije R {b}. Druga metoda balansiranja balansira bateriju koja se mjeri (kao što je ćelija x, slika 8) kako bi se smanjio nivo ubrizgavanja C {Tx} pina. Nova arhitektura maksimizira uticaj balansiranja baterije na nivo ubrizgavanja DPI postavljajući R {b} prije C {d} i približavajući C {d} IC-u. Rezultati simulacije pokazuju da nova arhitektura ima niži inherentni nivo ubrizgavanja od stare arhitekture kada balansiranje baterije nije aktivirano (slika 5), a značajno slabljenje se može dobiti kada je C {d} postavljen na razumnoj udaljenosti od IC-a ( 0.5cm ili 1cm) (Slika 9). Međutim, postoji kompromis u ESD performansama u novoj arhitekturi. U arhitekturi 1 i 2, kada dođe do ESD događaja, C {d} obezbjeđuje put uzemljenja niske impedancije za pin, dok u novoj arhitekturi, R {b} predstavlja rizik visokog napona za pin C {Tx}. Stoga, R {b} mora odabrati odgovarajuću vrijednost ili postaviti unutrašnji uređaj za stezanje na C {Tx} da ublaži problem. Budući rad će se fokusirati na poboljšanje ESD performansi nove arhitekture.
5. Sažetak
Ova studija predlaže model integrisanog kola sistema upravljanja baterijom (BMS IC) za praktičnu simulaciju direktnog ubrizgavanja energije (DPI), predlaže prvu metodu balansiranja baterije za smanjenje nivoa ubrizgavanja tokom DPI i upoređuje performanse dve arhitekture prema ovoj metodi. Uspostavljanjem jednostavnog modela analize, istraživanjem uticaja balansiranja baterije na nivo slabljenja niskofrekventne rezonancije i određivanjem strategija za smanjenje povezanosti niskofrekventne važne buke. Predložite novu arhitekturu koja smanjuje broj vanjskih komponenti i nivoe ubrizgavanja, čineći balansiranje baterije važnijim za imunitet IC-a.
Nova arhitektura ima kompromise vezane za performanse elektrostatičkog pražnjenja (ESD). Budući rad će se fokusirati na procjenu ESD performansi nove arhitekture i istraživanje mogućih mjera poboljšanja bez pretjeranog povećanja broja vanjskih komponenti, kako bi se optimizirale ukupne performanse nove arhitekture, bolje je primijeniti na praktične sisteme upravljanja baterijama, poboljšati performanse sistema u elektromagnetnoj kompatibilnosti, osiguravaju stabilan rad sistema upravljanja baterijom u složenim elektromagnetnim okruženjima i balansiraju troškove i performanse.