Абстрацт
Када је реч о способности интегрисаних кола система за управљање батеријама (БМС ИЦ) да се одупру електромагнетним сметњама (ЕМИ), морамо да говоримо о распореду ожичења штампаних плоча (ПЦБ) и спољних компоненти (ЕЦ), које су кључне улоге. . Не заборавите, импеданса самог БМС ИЦ-а је такође велика ствар. У ствари, ова импеданса ће претрпети значајне промене због функције балансирања батерије БМС ИЦ-а. Конкретно, већина БМС ИЦ-а на тржишту интегрише функцију пасивног балансирања батерије, што у великој мери смањује импедансу коју представљају БМС ИЦ-ови. Сврха нашег истраживања је да разумемо утицај различитих метода пасивног балансирања батерија на ниво имунитета БМС ИЦ-а. Затим смо такође предложили нову БМС ИЦ архитектуру која не само да смањује број спољних компоненти, већ и максимизира утицај пасивног балансирања батерије на имунитет ИЦ-а, односно ниво убризгавања у тестирању директног убризгавања снаге (ДПИ). На овај начин, чак иу бучним окружењима, ИЦ може одржавати високо прецизна мерења високог напона.
1. Увод
Литијум-јонске (Ли Ион) батерије и системи за управљање батеријама (БМС) су увелико проучавани, са циљем да се отвори пут за нову генерацију електричних возила (ЕВ) и хибридних електричних возила (ХЕВ). На пример, главни аспект развоја је карактеризација спроведених електромагнетних сметњи (ЕМИ) од погонског претварача, који је један од извора буке који може изазвати сметње БМС ИЦ-у. На овом путу буке, каблови, ПЦБ усмеравање и екстерне компоненте (ЕЦ) имају значајан утицај на имунитет БМС ИЦ-а. ЕЦ на који се овде фокусира су високонапонски кондензатори за аутомобиле који се користе за спречавање електростатичког пражњења (ЕСД). Као што је показано у претходном раду, најјефтинија конфигурација за ове ЕЦ су диференцијалне везе између батерија. Међутим, ово ће резултирати повећањем нивоа убризгавања услед увођења резонанције унутар фреквенцијског опсега директног убризгавања снаге (ДПИ) ([150кХз; 1ГХз]), што је узроковано конструисаном ЦЛ мердевином мрежом.
У овом случају, пасивно балансирање батерије ће повезати отпорник за балансирање батерије и неке паразитне компоненте паралелно са ЕСД кондензатором када је активиран, што може променити ниво слабљења ових резонанција. Ова студија разматра две методе балансирања батерије. Први метод је да се искључи батерија коју тренутно мери БМС ИЦ, да се кратко споје све батерије које се могу кратко спојити, а затим издвојити ниво убризгавања измерене батерије током ДПИ да би се проценио утицај ове методе на имунитет ИЦ-а. Поред тога, ова студија је упоредила две архитектуре користећи ову прву методу балансирања, са главном разликом у броју батерија које се могу балансирати истовремено. Други метод балансирања је кратки спој исте батерије коју тренутно мери ИЦ у посебно предложеној архитектури. Поред тога, због новог постављања балансних отпорника, предложена архитектура претвара ЕСД кондензатор у филтер, што омогућава балансирању да значајно смањи импедансу која се види на страни БМС, чиме се смањује ниво убризгавања. Поред тога, да би се проценио ефекат паразитске индуктивности, такође је процењен утицај балансирања батерије на различитим растојањима између ЕСД кондензатора и ИЦ-а.
Коначно, структура овог чланка је следећа: Прво, представљено је моделирање БМС ИЦ окружења; Друго, користећи први метод балансирања батерије, упоредите утицај балансирања на ниво убризгавања између две БМС ИЦ архитектуре током ДПИ; Треће, представите предложену архитектуру и процените њен утицај на баланс нивоа убризгавања током ДПИ користећи други метод балансирања.
2. Моделирање окружења интегрисаног кола БМС
БМС функција и ДПИ тестирање:Главна сврха БМС-а је да обезбеди оптималан и безбедан рад батерија у окружењима са тешким електромагнетним сметњама (ЕМИ). Неке од главних функција БМС ИЦ-а укључују прецизно мерење напона батерије и пасивно балансирање батерије како би се спречила деградација батерије и постигла оптимална екстракција снаге из батерије. Да би се окарактерисала способност ИЦ-а да обавља ове задатке у тешким ЕМИ окружењима, тестирање директног убризгавања снаге (ДПИ) је спроведено повезивањем снаге 30 дБм у заједничком режиму (ЦМ) на све ИЦ улазе повезане на батерију.
Подешавање ДПИ теста и повезане компоненте:Слика 1 приказује ДПИ подешавање коришћено у овој студији, користећи БМС ИЦ производ који може да надгледа до 18 батерија. Ово подешавање уводи суперкондензаторе за прављење пакета батерија са напоном већим од 80В користећи батерије од 12В и стабилизује импедансу на страни батерије. Са слике 1, може се видети да се тренутне методе моделирања фокусирају на елементе као што су батерија и каблови од 30 цм са сваке стране ПЦБ-а, суперкондензатори, конектори, ПЦБ ожичење на плочи суперкондензатора и БМС ИЦ плоча, спољне компоненте (ЕЦ-ови). ) на БМС ИЦ плочи, и импедансу коју представља сам БМС.
БМС ИЦ моделирање окружења:Са слике 2, БМС ИЦ улаз је моделован кондензатором Ц {Л} (30пФ) који представља унутрашњи пасивни прекидач за балансирање батерије, са прекидачем на отпору Рон=0.25 Ω. Кондензатор Ц {д} (47нФ) који се користи за ЕСД сврхе је ЕЦс од забринутости, који усваја најјефтинију конфигурацију. Модел такође укључује паразитски отпор и индуктивност Ц {д} (паразитски отпор Р {д} узима вредности на фреквенцијама од 100МХз и више), узимајући у обзир паразитско понашање убризганог кондензатора Ц {и} (330пФ). Због присуства релативно високих вредности капацитивности Ц {д}, капацитивни ефекат усмеравања каблова и ПЦБ није разматран. Батерија је моделована коришћењем идеалног извора напона јер су батерија и каблови кратко спојени суперкондензаторима. Сви параметри 18 батерија на слици 2 су слични, занемарујући неусклађеност у удаљености између сваке батерије и ИЦ пина. Овај модел је ефикасан у опсегу [150кХз, 200МХз].
ИЦ пин и ситуација везана за архитектуру:У архитектури 1 постоји Ц {Бк} пин који се користи за мерење напона батерије и пасивно балансирање батерије, као и Ц {Тк} пин који се користи само за мерење редундантног напона батерије. Мерење преко Ц {Тк} пина се врши аналогно-дигиталним претварачем са дискретним временом (ДТ АДЦ), стога је неопходан анти-алиасинг филтер (ААФ, тј. Р {ф} и Ц {ф}); Мерење преко Ц {Бк} пина се врши помоћу аналогно-дигиталног конвертора континуалног времена (ЦТ АДЦ) без потребе за ААФ. Следећи одељак ће представити архитектуру 2 и први метод балансирања који се користи у овој студији за побољшање имунитета БМС ИЦ-а. Такође ће се упоредити слабљење нивоа убризгавања које је донела прва пасивна метода балансирања батерије између архитектуре 1 и архитектуре 2. Поред тога, ова студија претпоставља да активација равнотеже батерије траје неколико стотина микросекунди, што је довољно за мерење напона заинтересоване батерије. , те стога неће имати значајан утицај на стање напуњености равнотежне батерије.
3. Разлике у БМС ИЦ архитектури, проблеми резонанције и утицај прве методе балансирања
Архитектонске разлике и резонантни феномени:Распоред пинова БМС ИЦ-а, број и тип аналогно-дигиталних претварача (АДЦ) који се користе и други архитектонски аспекти директно утичу на спољне компоненте. У архитектури 1 (слика 2), осим за Ц_{Б0} и Ц_{Б19}, сваки пин Ц_{Бк} деле два батерије. Због потребе да се подеси Р_ {б} на сваком трагу ПЦБ-а који води до Ц{{10}}{Бк} пина у ДПИ тестирању да би се ограничила конверзија из заједничког режима (ЦМ) у диференцијални режим (ДМ), суседне батерије се не могу балансирати истовремено, а парне и непарне батерије морају да се балансирају у различитим периодима. Архитектура 2 (слика 3) има додатни Ц {Бк \ _ Х} пин који може истовремено да балансира суседне батерије, али ће повећати величину чипа, број пинова и спољне компоненте (Р {б}). ЦЛ трапезоидна мрежа састављена од Л_ {Т} (Л_ {у}+Л_ {0}+Л_ {а}) и Ц_д} ће генерисати вишеструке резонанције, које имају релативно ниске фреквенције (испод 10МХз). У практичним применама, кабл који повезује БМС ИЦ и батерију може да достигне 2 метра, што ће смањити резонантну фреквенцију и повећати фактор квалитета. Иако Р_ {Т} (Р_ {у}+Р_ {0}+Р_ {а}) може у одређеној мери да ублажи резонанцију, ефекат је недовољан.
Прва метода балансирања и њен утицај на ниво убризгавања:Прва метода балансирања која се разматра у овој студији је издвајање вршног напона прве батерије (Ц_{Л1}) у ДПИ симулацији док се друге батерије балансирају. За архитектуру 1, балансиране су само батерије са непарним бројем (осим батерије 1), јер би балансирање батерија са парним бројем (почевши од батерије 2) променило једносмерну струју (ДЦ) батерије 1, што није у складу са стварним сценаријима мерења. За архитектуру 2, све батерије осим батерије 1 могу бити избалансиране. Процените спровођењем пролазних симулација у окружењу зачина (обезбеђујући довољну периодну стабилност сигнала, издвајајући просечни период од вршног до вршног напона и узимајући довољно тачака у опсегу од [150кХз; 200МХз]). Резултати су показали да пасивно изједначавање батерије смањује амплитуду резонанце као што се очекивало на ниским фреквенцијама, али повећава ниво убризгавања на високим фреквенцијама (приближно 150МХз). Архитектура 2 има већи утицај на ниво убризгавања због балансирања батерије на ниским фреквенцијама, пошто може да балансира више батерија истовремено и уведе више пригушења; На високим фреквенцијама, његов инхерентни ниво убризгавања је нижи него код архитектуре 1, а након активирања баланса батерије, постоји само незнатно побољшање високих фреквенција. Поред тога, постоји компромис између вредности отпорника за балансирање батерије $Р_ {б} $ и нивоа убризгавања. Смањење Р_ {б} ће побољшати слабљење резонанције ниске фреквенције, али ће ослабити слабљење резонанције високе фреквенције, док ће повећање Р_ {б} имати супротан ефекат.
4. Анализа другог равнотежног метода и предлог нове архитектуре
Анализирајте идеалне сценарије и стратегије побољшања:Да бисте проценили утицај балансирања батерије на резонанцију ниске фреквенције, анализирајте идеалан и поједностављен сценарио (слично архитектури 1, али поједностављено). На фреквенцијама испод 5МХз, суперкондензатори се могу сматрати кратким спојевима због њихове високе вредности капацитивности (10Ф) и паразитских параметара (еквивалентни серијски отпор ЕСР, еквивалентна серијска индуктивност ЕСЛ) ниских у овом опсегу; Када се разматра нискофреквентна резонанца, Ц {Л} се може занемарити; Усвајање једноставне трапезоидне мреже без спољног оптерећења је погодно за анализу. За укупну импедансу у овом сценарију (Формула 1), резонантна фреквенција је израчуната коришћењем специфичног израза (Формула 2). Утврђено је да је под датим параметрима дискриминанта Формуле 2 негативна, са два имагинарна корена, а реални део одражава слабљење резонанције (псеудопериодично стање, Формула 3). За поједностављени сценарио имплементације балансирања батерије на слици 7б израчунат је полином резонанције (формула 4). Утврђено је да смањење отпора Р што је више могуће може учинити позитивније дискриминаторније изразе индекса резонанције, значајно пригушујући резонантну фреквенцију, али су неке резонанције и даље у псеудопериодичном стању. Фактор слабљења (Формула 5) указује да ако је Р довољно низак, балансирање батерије може значајно утицати на ниво убризгавања. Иако повећање отпора може да побољша Р_ {Т}, то није изводљиво за архитектуре 1 и 2 јер ће смањити тачност мерења Ц_ {Тк} пина током балансирања батерије.
Предложите нову архитектуру и процену перформанси:Предложите нову архитектуру у којој мерење Ц {Тк} пина користи аналогно-дигитални конвертор континуалног времена (ЦТ АДЦ) без потребе за антиалиасинг филтерима (ААФ, тј. Р {ф} и Ц {ф}) , мерење пина Ц {Бк} користи аналогно-дигитални претварач дискретног времена (ДТ АДЦ), а балансни отпорник Р {б} се помера пре ЕСД кондензатора Ц {д}, штедећи компоненте и побољшавајући слабљење нискофреквентне резонанце. Да би се спречиле грешке у мерењу током балансирања батерије, мерење Ц {Тк} се врши пре Р {б}. Други метод балансирања балансира батерију која се мери (као што је ћелија к, слика 8) да би се смањио ниво убризгавања Ц {Тк} пина. Нова архитектура максимизира утицај балансирања батерије на ниво убризгавања ДПИ тако што ставља Р {б} испред Ц {д} и приближава Ц {д} ИЦ-у. Резултати симулације показују да нова архитектура има нижи инхерентни ниво убризгавања од старе архитектуре када балансирање батерије није активирано (слика 5), а значајно слабљење се може добити када је Ц {д} постављен на разумној удаљености од ИЦ ( 0.5цм или 1цм) (слика 9). Међутим, постоји компромис у ЕСД перформансама у новој архитектури. У архитектурама 1 и 2, када дође до ЕСД догађаја, Ц {д} обезбеђује пут уземљења ниске импедансе за пин, док у новој архитектури, Р {б} представља ризик високог напона за пин Ц {Тк}. Због тога, Р {б} мора да изабере одговарајућу вредност или да постави унутрашњи уређај за стезање на Ц {Тк} да би ублажио проблем. Будући рад ће се фокусирати на побољшање ЕСД перформанси нове архитектуре.
5. Резиме
Ова студија предлаже модел интегрисаног кола система за управљање батеријом (БМС ИЦ) за практичну симулацију директног убризгавања енергије (ДПИ), предлаже први метод балансирања батерије за смањење нивоа убризгавања током ДПИ и упоређује перформансе две архитектуре према овом методу. Успостављањем једноставног модела анализе, истраживањем утицаја балансирања батерије на ниво слабљења нискофреквентне резонанце и одређивањем стратегија за смањење спреге нискофреквентне важне буке. Предложите нову архитектуру која смањује број спољних компоненти и нивое убризгавања, чинећи балансирање батерије важнијим за имунитет ИЦ.
Нова архитектура има компромисе везане за перформансе електростатичког пражњења (ЕСД). Будући рад ће се фокусирати на процену ЕСД перформанси нове архитектуре и истраживање могућих мера побољшања без претераног повећања броја спољних компоненти, како би се оптимизовале укупне перформансе нове архитектуре, боље примениле на практичне системе управљања батеријама, побољшале перформансе система у електромагнетној компатибилности, обезбеђују стабилан рад система управљања батеријама у сложеним електромагнетним окружењима и балансирају трошкове и перформансе.