Abstrakt
Når det gjelder evnen til batteristyringssystem integrerte kretser (BMS IC) til å motstå elektromagnetisk interferens (EMI), må vi snakke om utformingen av kretskort (PCB) ledninger og eksterne komponenter (EC), som er nøkkelroller . Ikke glem, selve impedansen til BMS IC er også en stor sak. Faktisk vil denne impedansen gjennomgå betydelige endringer på grunn av batteribalanseringsfunksjonen til BMS IC. Spesifikt integrerer de fleste BMS IC-er på markedet passiv batteribalanseringsfunksjon, noe som i stor grad reduserer impedansen presentert av BMS IC-er. Hensikten med studien vår er å forstå virkningen av forskjellige passive batteribalanseringsmetoder på immunnivået til BMS ICer. Deretter foreslo vi også en ny BMS IC-arkitektur som ikke bare reduserer antall eksterne komponenter, men som også maksimerer effekten av passiv batteribalansering på ICens immunitet, det vil si injeksjonsnivået i testing av direkte kraftinjeksjon (DPI). På denne måten, selv i støyende miljøer, kan IC opprettholde høypresisjons høyspenningsmålinger.
1. Introduksjon
Lithium ion (Li Ion) batterier og batteristyringssystemer (BMS) har blitt mye studert, med sikte på å bane vei for den nye generasjonen av elektriske kjøretøy (EV) og hybride elektriske kjøretøyer (HEV). For eksempel er et viktig aspekt ved utviklingen å karakterisere den ledede elektromagnetiske interferensen (EMI) fra omformeren, som er en av støykildene som kan forårsake interferens til BMS IC. I denne støybanen har kabler, PCB-ruting og eksterne komponenter (EC-er) en betydelig innvirkning på immuniteten til BMS IC. EC-ene som fokuseres på her er høyspentkondensatorer for biler som brukes for å forhindre elektrostatisk utladning (ESD). Som vist i tidligere arbeid, er den billigste konfigurasjonen for disse EC-ene differensialtilkoblinger på tvers av batterier. Dette vil imidlertid resultere i en økning i injeksjonsnivået på grunn av introduksjonen av resonans innenfor frekvensområdet for direkte kraftinjeksjon (DPI) ([150kHz; 1GHz]), som er forårsaket av det konstruerte CL-stigenettverket.
I dette tilfellet vil passiv batteribalansering koble batteribalanseringsmotstanden og noen parasittiske komponenter parallelt med ESD-kondensatoren når den aktiveres, noe som kan endre dempningsnivået til disse resonansene. Denne studien tar for seg to batteribalanseringsmetoder. Den første metoden er å utelukke batteriet som for øyeblikket måles av BMS IC, kortslutte alle batterier som kan kortsluttes, og deretter trekke ut injeksjonsnivået til det målte batteriet under DPI for å evaluere virkningen av denne metoden på ICs immunitet. I tillegg sammenlignet denne studien to arkitekturer ved å bruke denne første balansemetoden, med hovedforskjellen antallet batterier som kan balanseres samtidig. Den andre balanseringsmetoden er å kortslutte det samme batteriet som nå måles av IC i en spesielt foreslått arkitektur. I tillegg, på grunn av den nye plasseringen av balanseringsmotstander, gjør den foreslåtte arkitekturen ESD-kondensatoren til et filter, som gjør at balansering kan redusere impedansen på BMS-siden betydelig, og dermed senke injeksjonsnivået. I tillegg, for å evaluere effekten av parasittisk induktans, ble virkningen av batteribalansering ved forskjellige avstander mellom ESD-kondensatorer og IC-er også vurdert.
Til slutt er strukturen i denne artikkelen som følger: For det første introduseres modelleringen av BMS IC-miljøet; For det andre, ved å bruke den første batteribalanseringsmetoden, sammenligne virkningen av balansering på injeksjonsnivået mellom to BMS IC-arkitekturer under DPI; For det tredje, introduser den foreslåtte arkitekturen og evaluer dens innvirkning på injeksjonsnivåbalansen under DPI ved å bruke den andre balanseringsmetoden.
2. BMS integrert krets miljø modellering
BMS-funksjon og DPI-testing:Hovedformålet med BMS er å sikre optimal og sikker drift av batterier i miljøer med sterk elektromagnetisk interferens (EMI). Noen av hovedfunksjonene til BMS IC inkluderer presis måling av batterispenning og passiv batteribalansering for å forhindre batterinedbrytning og oppnå optimal kraftuttak fra batteripakken. For å karakterisere evnen til IC-er til å utføre disse oppgavene i tøffe EMI-miljøer, ble testing av direkte kraftinjeksjon (DPI) utført ved å koble 30dBm strøm i fellesmodus (CM) til alle IC-innganger koblet til batteriet.
DPI-testoppsett og relaterte komponenter:Figur 1 viser DPI-oppsettet brukt i denne studien, ved bruk av et BMS IC-produkt som kan overvåke opptil 18 batterier. Denne innstillingen introduserer superkondensatorer for å konstruere batteripakker med spenninger høyere enn 80V ved bruk av 12V-batterier og stabilisere impedansen på batteripakkesiden. Fra figur 1 kan man se at dagens modelleringsmetoder fokuserer på elementer som batteripakken og 30 cm kabler på hver side av PCB, superkondensatorer, kontakter, PCB ledninger på superkondensatorkortet og BMS IC-kort, eksterne komponenter (ECs). ) på BMS IC-kortet, og impedansen presentert av BMS selv.
BMS IC-miljømodellering:Fra figur 2 er BMS IC-inngangen modellert av kondensator C {L} (30pF) som representerer den interne passive batteribalanseringsbryteren, med bryter på motstand Ron=0.25 Ω. Kondensatoren C {d} (47nF) som brukes til ESD-formål er EC-ene av bekymring, som bruker den billigste konfigurasjonen. Modellen inkluderer også den parasittiske motstanden og induktansen til C {d} (parasittisk motstand R {d} tar verdier ved frekvenser på 100MHz og over), mens den tar i betraktning den parasittiske oppførselen til injisert kondensator C {i} (330pF). På grunn av tilstedeværelsen av relativt høye verdier av kapasitans C {d}, har ikke kapasitanseffekten av kabel- og PCB-ruting blitt vurdert. Batteriet er modellert med en ideell spenningskilde fordi batteripakken og kablene er kortsluttet av superkondensatorer. Alle parametrene til de 18 batteriene i figur 2 er like, og ignorerer misforholdet i avstanden mellom hvert batteri og IC-pinnen. Denne modellen er effektiv i området [150kHz, 200MHz].
IC-pin og arkitekturrelatert situasjon:I arkitektur 1 er det en C {Bx}-pinne som brukes til batterispenningsmåling og passiv batteribalansering, samt en C {Tx}-pinne som kun brukes til batteriredundansspenningsmåling. Målingen gjennom C {Tx}-pinnen utføres av en diskret-tids analog-til-digital-omformer (DT ADC), derfor er et anti-aliasing-filter (AAF, dvs. R {f} og C {f}) nødvendig; Målingen gjennom C {Bx}-pinnen utføres av en kontinuerlig tids analog-til-digital-omformer (CT ADC) uten behov for AAF. Den neste delen vil introdusere Arkitektur 2 og den første balansemetoden brukt i denne studien for å forbedre immuniteten til BMS IC. Den vil også sammenligne injeksjonsnivådempingen brakt av den første passive batteribalanseringsmetoden mellom Arkitektur 1 og Arkitektur 2. I tillegg antar denne studien at batterilikevektsaktiveringen varer i flere hundre mikrosekunder, noe som er tilstrekkelig for spenningsmåling av det interesserte batteriet , og vil derfor ikke ha noen vesentlig innvirkning på ladetilstanden til likevektsbatteriet.
3. Forskjeller i BMS IC-arkitektur, resonansproblemer og virkningen av den første balansemetoden
Arkitektoniske forskjeller og resonansfenomener:Pin-arrangementet til BMS IC-er, antall og type analog-til-digital-omformere (ADC) som brukes, og andre arkitektoniske aspekter påvirker direkte eksterne komponenter. I arkitektur 1 (figur 2), bortsett fra C_{B0} og C_{B19}, deles hver C_{Bx} pinne av to batterier. På grunn av behovet for å sette R_ {b} på hver PCB-sporing som fører til C{{10}}{Bx}-pinnen i DPI-testing for å begrense konverteringen fra vanlig modus (CM) til differensialmodus (DM), kan tilstøtende batterier ikke balanseres samtidig, og oddetalls- og partallsbatterier må balanseres ved forskjellige perioder. Arkitektur 2 (figur 3) har en ekstra C {Bx \ _ H} pinne som kan balansere tilstøtende batterier samtidig, men den vil øke brikkestørrelsen, antall pinner og eksterne komponenter (R {b}). CL-trapesnettverket består av L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) og C_d} vil generere flere resonanser, som har relativt lave frekvenser (under 10MHz). I praktiske applikasjoner kan kabelen som forbinder BMS IC og batteripakke nå 2 meter, noe som vil senke resonansfrekvensen og høyere kvalitetsfaktor. Selv om R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) kan dempe resonansen til en viss grad, effekten er utilstrekkelig.
Den første balansemetoden og dens innvirkning på injeksjonsnivået:Den første balansemetoden som vurderes i denne studien er å trekke ut topp-til-toppspenningen til det første batteriet (C_{L1}) i DPI-simulering mens andre batterier balanseres. For arkitektur 1 er bare batterier med oddetall (unntatt batteri 1) balansert, da balansering av batterier med partall (fra batteri 2) vil endre likestrømmen (DC) til batteri 1, som ikke er i tråd med faktiske målescenarier. For arkitektur 2 kan alle batterier unntatt batteri 1 balanseres. Evaluer ved å utføre forbigående simuleringer i kryddermiljøet (gi tilstrekkelig periodestabilitet til signalet, trekke ut spesifikk periode gjennomsnittlig topp-til-toppspenning, og ta tilstrekkelige punkter i området [150kHz; 200MHz]). Resultatene viste at passiv batteriutjevning reduserte resonansamplituden som forventet ved lave frekvenser, men økte injeksjonsnivået ved høye frekvenser (ca. 150MHz). Arkitektur 2 har større innvirkning på injeksjonsnivået på grunn av batteribalansering ved lave frekvenser, da den kan balansere flere batterier samtidig og introdusere mer demping; Ved høye frekvenser er dets iboende injeksjonsnivå lavere enn for arkitektur 1, og etter aktivering av batteribalansen er det bare en liten forbedring i høye frekvenser. I tillegg er det en avveining mellom verdien av batteribalanseringsmotstanden $R_ {b} $ og injeksjonsnivået. Å redusere R_ {b} vil forbedre lavfrekvent resonansdempning, men svekke høyfrekvent resonansdempning, mens økning av R_ {b} vil ha motsatt effekt.
4. Analyse av den andre likevektsmetoden og forslag til en ny arkitektur
Analyser ideelle scenarier og forbedringsstrategier:For å evaluere virkningen av batteribalansering på lavfrekvent resonans, analyser et ideelt og forenklet scenario (lik arkitektur 1, men forenklet). Ved frekvenser under 5MHz kan superkondensatorer betraktes som kortslutninger på grunn av at deres høye kapasitansverdi (10F) og parasittiske parametere (ekvivalent seriemotstand ESR, ekvivalent serieinduktans ESL) er lave i dette området; Når man vurderer lavfrekvent resonans, kan C {L} ignoreres; Å ta i bruk et enkelt trapesformet nettverk uten ekstern belastning er praktisk for analyse. For den totale impedansen i dette scenariet (formel 1) ble resonansfrekvensen beregnet ved å bruke et spesifikt uttrykk (formel 2). Det ble funnet at under de gitte parameterne er diskriminanten til Formel 2 negativ, med to imaginære røtter, og den reelle delen gjenspeiler resonansdempning (pseudo periodisk tilstand, Formel 3). For det forenklede implementeringsscenarioet for batteribalansering i figur 7b ble resonanspolynomet beregnet (formel 4). Det ble funnet at å redusere motstanden R så mye som mulig kan gjøre mer diskriminerende uttrykk for resonansindeks positive, og redusere resonansfrekvensen betydelig, men noen resonanser er fortsatt i en pseudo-periodisk tilstand. Dempningsfaktoren (Formel 5) indikerer at hvis R er lav nok, kan batteribalansering påvirke injeksjonsnivået betydelig. Selv om å øke motstanden kan forbedre R_ {T}, er det ikke mulig for arkitektur 1 og 2 fordi det vil redusere målenøyaktigheten til C_ {Tx}-pinnen under batteribalansering.
Foreslå en ny arkitektur og ytelsesevaluering:Foreslå en ny arkitektur der målingen av C {Tx}-pinnen bruker en kontinuerlig tid analog-til-digital-omformer (CT ADC) uten behov for anti-aliasing-filtre (AAF, dvs. R {f} og C {f}) , målingen av C {Bx}-pinnen bruker en diskret tid analog-til-digital-omformer (DT ADC), og balansemotstanden R {b} flyttes før ESD kondensator C {d}, sparer komponenter og forbedrer lavfrekvent resonansdempning. For å forhindre målefeil under batteribalansering utføres målingen av C {Tx} før R {b}. Den andre balanseringsmetoden balanserer batteriet som måles (som celle x, figur 8) for å redusere injeksjonsnivået til C {Tx}-pinnen. Den nye arkitekturen maksimerer effekten av batteribalansering på DPI-injeksjonsnivået ved å plassere R {b} før C {d} og bringe C {d} nærmere IC. Simuleringsresultatene viser at den nye arkitekturen har et lavere iboende injeksjonsnivå enn den gamle arkitekturen når batteribalansering ikke er aktivert (Figur 5), og betydelig dempning kan oppnås når C {d} er plassert i rimelig avstand fra IC ( 0.5cm eller 1cm) (Figur 9). Imidlertid er det en avveining i ESD-ytelse i den nye arkitekturen. I arkitektur 1 og 2, når en ESD-hendelse oppstår, gir C {d} en lavimpedans jordbane for pinnen, mens i den nye arkitekturen utgjør R {b} en høy spenningsrisiko for C {Tx}-pinnen. Derfor må R {b} velge en passende verdi eller plassere en intern klemmeenhet på C {Tx} for å lindre problemet. Fremtidig arbeid vil fokusere på å forbedre ESD-ytelsen til den nye arkitekturen.
5. Sammendrag
Denne studien foreslår en batteristyringssystem integrert krets (BMS IC) modell for praktisk direkte kraftinjeksjon (DPI) simulering, foreslår den første batteribalanseringsmetoden for å redusere injeksjonsnivået under DPI, og sammenligner ytelsen til to arkitekturer under denne metoden. Ved å etablere en enkel analysemodell, utforske virkningen av batteribalansering på dempningsnivået til lavfrekvent resonans, og bestemme strategier for å redusere koblingen av lavfrekvent viktig støy. Foreslå en ny arkitektur som reduserer antall eksterne komponenter og injeksjonsnivåer, noe som gjør batteribalansering viktigere for IC-immunitet.
Den nye arkitekturen har avveininger knyttet til ytelsen til elektrostatisk utladning (ESD). Fremtidig arbeid vil fokusere på å evaluere ESD-ytelsen til den nye arkitekturen og utforske mulige forbedringstiltak uten å øke antallet eksterne komponenter for mye, for å optimere den generelle ytelsen til den nye arkitekturen, bedre anvende den på praktiske batteristyringssystemer, forbedre systemets ytelse i elektromagnetisk kompatibilitet, sikre stabil drift av batteristyringssystemet i komplekse elektromagnetiske miljøer, og balansere kostnader og ytelse.