Abstrakt
När det gäller förmågan hos integrerade kretsar för batterihanteringssystem (BMS IC) att motstå elektromagnetisk störning (EMI), måste vi prata om layouten av ledningar för kretskort (PCB) och externa komponenter (EC), som är nyckelroller . Glöm inte, impedansen för BMS IC i sig är också en stor sak. Faktum är att denna impedans kommer att genomgå betydande förändringar på grund av batteribalanseringsfunktionen hos BMS IC. Specifikt integrerar de flesta BMS ICs på marknaden passiv batteribalanseringsfunktion, vilket kraftigt minskar impedansen som presenteras av BMS ICs. Syftet med vår studie är att förstå effekten av olika passiva batteribalanseringsmetoder på immunnivån hos BMS IC. Sedan föreslog vi också en ny BMS IC-arkitektur som inte bara minskar antalet externa komponenter, utan också maximerar effekten av passiv batteribalansering på IC:s immunitet, det vill säga injektionsnivån vid testning av direkt effektinjektion (DPI). På detta sätt kan IC även i bullriga miljöer upprätthålla högprecisionsmätningar av hög spänning.
1. Inledning
Litiumjonbatterier (Li Ion) och batterihanteringssystem (BMS) har studerats flitigt, i syfte att bana väg för den nya generationen elfordon (EV) och hybridelfordon (HEV). Till exempel är en viktig aspekt av utvecklingen att karakterisera den ledande elektromagnetiska störningen (EMI) från frekvensomriktaren, som är en av de bruskällor som kan orsaka störningar på BMS IC. I denna brusväg har kablar, PCB-routing och externa komponenter (EC) en betydande inverkan på immuniteten hos BMS IC. De EC som fokuseras på här är högspänningskondensatorer för bilar som används för att förhindra elektrostatisk urladdning (ESD). Som visats i tidigare arbete är den billigaste konfigurationen för dessa EC:er differentialanslutningar över batterier. Detta kommer dock att resultera i en ökning av injektionsnivån på grund av införandet av resonans inom frekvensområdet för direkt effektinjektion (DPI) ([150kHz; 1GHz]), vilket orsakas av det konstruerade CL-stegenätverket.
I det här fallet kommer passiv batteribalansering att ansluta batteribalanseringsmotståndet och vissa parasitkomponenter parallellt med ESD-kondensatorn när den aktiveras, vilket kan ändra dämpningsnivån för dessa resonanser. Denna studie överväger två batteribalanseringsmetoder. Den första metoden är att utesluta batteriet som för närvarande mäts av BMS IC, kortsluta alla batterier som kan kortslutas och sedan extrahera injektionsnivån för det uppmätta batteriet under DPI för att utvärdera effekten av denna metod på IC:s immunitet. Dessutom jämförde denna studie två arkitekturer med denna första balanseringsmetod, med den största skillnaden är antalet batterier som kan balanseras samtidigt. Den andra balanseringsmetoden är att kortsluta samma batteri som för närvarande mäts av IC i en speciellt föreslagen arkitektur. Dessutom, på grund av den nya placeringen av balanseringsmotstånd, förvandlar den föreslagna arkitekturen ESD-kondensatorn till ett filter, vilket möjliggör balansering för att avsevärt minska impedansen som ses på BMS-sidan, och därigenom sänka insprutningsnivån. Dessutom, för att utvärdera effekten av parasitisk induktans, utvärderades också effekten av batteribalansering på olika avstånd mellan ESD-kondensatorer och IC.
Slutligen är strukturen för denna artikel följande: För det första introduceras modelleringen av BMS IC-miljön; För det andra, med den första batteribalanseringsmetoden, jämför effekten av balansering på injektionsnivån mellan två BMS IC-arkitekturer under DPI; För det tredje, introducera den föreslagna arkitekturen och utvärdera dess inverkan på insprutningsnivåbalansen under DPI med den andra balanseringsmetoden.
2. BMS integrerad kretsmiljömodellering
BMS-funktion och DPI-testning:Huvudsyftet med BMS är att säkerställa optimal och säker drift av batterier i miljöer med hårda elektromagnetiska störningar (EMI). Några av huvudfunktionerna hos BMS IC inkluderar exakt mätning av batterispänning och passiv batteribalansering för att förhindra batteriförsämring och uppnå optimal kraftutvinning från batteripaketet. För att karakterisera förmågan hos IC att utföra dessa uppgifter i tuffa EMI-miljöer utfördes tester med direkt effektinjektion (DPI) genom att koppla 30dBm ström i common mode (CM) till alla IC-ingångar som är anslutna till batteriet.
DPI-testinställning och relaterade komponenter:Figur 1 visar DPI-inställningen som används i denna studie, med en BMS IC-produkt som kan övervaka upp till 18 batterier. Den här inställningen introducerar superkondensatorer för att konstruera batteripaket med spänningar högre än 80V med 12V-batterier och stabilisera impedansen på batteripaketets sida. Från figur 1 kan man se att de nuvarande modelleringsmetoderna fokuserar på element som batteripaketet och 30 cm kablar på varje sida av kretskortet, superkondensatorer, kontakter, kretskortsledningar på superkondensatorkortet och BMS IC-kort, externa komponenter (ECs). ) på BMS IC-kortet och impedansen som presenteras av själva BMS.
BMS IC-miljömodellering:Från figur 2 är BMS IC-ingången modellerad av kondensatorn C {L} (30pF) som representerar den interna passiva batteribalanseringsbrytaren, med strömbrytaren på resistans Ron=0.25 Ω. Kondensatorn C {d} (47nF) som används för ESD-ändamål är ECs av intresse, som antar den billigaste konfigurationen. Modellen inkluderar också parasitresistansen och induktansen för C {d} (parasitresistansen R {d} tar värden vid frekvenser på 100MHz och högre), samtidigt som man beaktar parasitbeteendet hos den injicerade kondensatorn C {i} (330pF). På grund av närvaron av relativt höga värden på kapacitansen C {d} har kapacitanseffekten av kabel- och PCB-routing inte beaktats. Batteriet är modellerat med en idealisk spänningskälla eftersom batteripaketet och kablarna är kortslutna av superkondensatorer. Alla parametrar för de 18 batterierna i figur 2 är likartade och ignorerar obalansen i avståndet mellan varje batteri och IC-stiftet. Denna modell är effektiv inom området [150kHz, 200MHz].
IC-stift och arkitekturrelaterad situation:I arkitektur 1 finns det ett C {Bx}-stift som används för batterispänningsmätning och passiv batteribalansering, samt ett C {Tx}-stift som endast används för batteriredundansspänningsmätning. Mätningen genom C {Tx}-stiftet utförs av en tidsdiskret analog-till-digital-omvandlare (DT ADC), därför krävs ett anti-aliasing-filter (AAF, dvs. R {f} och C {f}); Mätningen genom C {Bx}-stiftet utförs av en kontinuerlig tid analog-till-digital-omvandlare (CT ADC) utan behov av AAF. Nästa avsnitt kommer att introducera Architecture 2 och den första balanseringsmetoden som används i denna studie för att förbättra immuniteten hos BMS IC. Den kommer också att jämföra dämpningen av injektionsnivån som den första passiva batteribalanseringsmetoden ger mellan Arkitektur 1 och Arkitektur 2. Dessutom antar denna studie att batterijämviktsaktiveringen varar i flera hundra mikrosekunder, vilket är tillräckligt för spänningsmätning av det intresserade batteriet , och kommer därför inte att ha någon betydande inverkan på laddningstillståndet för jämviktsbatteriet.
3. Skillnader i BMS IC-arkitektur, resonansproblem och effekten av den första balanseringsmetoden
Arkitektoniska skillnader och resonansfenomen:Stiftarrangemanget för BMS IC:er, antalet och typen av analog-till-digitalomvandlare (ADC) som används och andra arkitektoniska aspekter påverkar direkt externa komponenter. I Architecture 1 (Figur 2), förutom C_{B0} och C_{B19}, delas varje C_{Bx}-stift av två batterier. På grund av behovet av att ställa in R_ {b} på varje PCB-spår som leder till C{{10}}{Bx}-stiftet i DPI-testning för att begränsa konverteringen från common mode (CM) till differentialläge (DM), kan intilliggande batterier inte balanseras samtidigt, och udda och jämna batterier måste balanseras vid olika perioder. Arkitektur 2 (Figur 3) har ett extra C {Bx \ _ H}-stift som kan balansera intilliggande batterier samtidigt, men det kommer att öka chipstorleken, antalet stift och externa komponenter (R {b}). CL-trapetsnätverket som består av L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) och C_d} kommer att generera flera resonanser, som har relativt låga frekvenser (under 10MHz). I praktiska tillämpningar kan kabeln som förbinder BMS IC och batteripaketet nå 2 meter, vilket kommer att sänka resonansfrekvensen och högre kvalitetsfaktorn. Även om R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) kan dämpa resonansen i viss utsträckning, effekten är otillräcklig.
Den första balanseringsmetoden och dess inverkan på injektionsnivån:Den första balanseringsmetoden som övervägs i denna studie är att extrahera topp-till-toppspänningen för det första batteriet (C_{L1}) i DPI-simulering medan andra batterier balanseras. För arkitektur 1 är endast udda batterier (exklusive batteri 1) balanserade, eftersom balansering av batterier med jämna nummer (med början från batteri 2) skulle ändra likström (DC) för batteri 1, vilket inte är i linje med faktiska mätscenarier. För arkitektur 2 kan alla batterier utom batteri 1 balanseras. Utvärdera genom att utföra transienta simuleringar i spice-miljön (ge tillräcklig periodstabilitet till signalen, extrahera specifik period genomsnittlig topp-till-toppspänning och ta tillräckligt med punkter i området [150kHz; 200MHz]). Resultaten visade att passiv batteriutjämning minskade resonansamplituden som förväntat vid låga frekvenser, men ökade insprutningsnivån vid höga frekvenser (cirka 150MHz). Arkitektur 2 har en större inverkan på insprutningsnivån på grund av batteribalansering vid låga frekvenser, eftersom den kan balansera fler batterier samtidigt och introducera mer dämpning; Vid höga frekvenser är dess inneboende insprutningsnivå lägre än den för arkitektur 1, och efter aktivering av batteribalansen finns det bara en liten förbättring av höga frekvenser. Dessutom finns det en kompromiss mellan värdet på batteribalanseringsmotståndet $R_ {b} $ och insprutningsnivån. Att reducera R_ {b} kommer att förbättra lågfrekvent resonansdämpning men försvaga högfrekvent resonansdämpning, medan en ökning av R_ {b} får motsatt effekt.
4. Analys av den andra jämviktsmetoden och förslag till ny arkitektur
Analysera idealiska scenarier och förbättringsstrategier:För att utvärdera effekten av batteribalansering på lågfrekvent resonans, analysera ett idealiskt och förenklat scenario (liknar arkitektur 1 men förenklat). Vid frekvenser under 5MHz kan superkondensatorer betraktas som kortslutningar på grund av att deras höga kapacitansvärde (10F) och parasitparametrar (ekvivalent serieresistans ESR, ekvivalent serieinduktans ESL) är låga i detta intervall; När man överväger lågfrekvent resonans kan C {L} ignoreras; Att anta ett enkelt trapetsformat nätverk utan extern belastning är bekvämt för analys. För den totala impedansen i detta scenario (Formel 1) beräknades resonansfrekvensen med ett specifikt uttryck (Formel 2). Det visade sig att under de givna parametrarna är diskriminanten för formel 2 negativ, med två imaginära rötter, och den verkliga delen återspeglar resonansdämpning (pseudoperiodiskt tillstånd, formel 3). För det förenklade implementeringsscenariot för batteribalansering i figur 7b beräknades resonanspolynomet (formel 4). Det visade sig att en minskning av motståndet R så mycket som möjligt kan göra mer diskriminerande uttryck för resonansindex positiva, vilket signifikant dämpar resonansfrekvensen, men vissa resonanser är fortfarande i ett pseudoperiodiskt tillstånd. Dämpningsfaktorn (Formel 5) indikerar att om R är tillräckligt låg kan batteribalansering avsevärt påverka injektionsnivån. Även om en ökning av motståndet kan förbättra R_ {T}, är det inte genomförbart för arkitekturerna 1 och 2 eftersom det kommer att minska mätnoggrannheten för C_ {Tx}-stiftet under batteribalansering.
Föreslå en ny arkitektur och prestandautvärdering:Föreslå en ny arkitektur där mätningen av C {Tx}-stiftet använder en analog-till-digital-omvandlare med kontinuerlig tid (CT ADC) utan behov av anti-aliasing-filter (AAF, dvs. R {f} och C {f}) , mätningen av C {Bx}-stiftet använder en diskret tid analog-till-digital-omvandlare (DT ADC), och balansmotståndet R {b} flyttas före ESD kondensator C {d}, sparar komponenter och förbättrar lågfrekvent resonansdämpning. För att förhindra mätfel under batteribalansering utförs mätningen av C {Tx} före R {b}. Den andra balanseringsmetoden balanserar batteriet som mäts (såsom cell x, figur 8) för att minska insprutningsnivån för C {Tx}-stiftet. Den nya arkitekturen maximerar effekten av batteribalansering på DPI-insprutningsnivån genom att placera R {b} före C {d} och föra C {d} närmare IC. Simuleringsresultaten visar att den nya arkitekturen har en lägre inneboende injektionsnivå än den gamla arkitekturen när batteribalansering inte är aktiverad (Figur 5), och betydande dämpning kan erhållas när C {d} placeras på ett rimligt avstånd från IC ( 0.5cm eller 1cm) (Figur 9). Det finns dock en avvägning i ESD-prestanda i den nya arkitekturen. I arkitekturerna 1 och 2, när en ESD-händelse inträffar, tillhandahåller C {d} en lågimpedans jordbana för stiftet, medan R {b} i den nya arkitekturen utgör en högspänningsrisk för C {Tx}-stiftet. Därför måste R {b} välja ett lämpligt värde eller placera en intern klämanordning på C {Tx} för att lindra problemet. Framtida arbete kommer att fokusera på att förbättra ESD-prestandan för den nya arkitekturen.
5. Sammanfattning
Denna studie föreslår en batterihanteringssystem integrerad krets (BMS IC) modell för praktisk simulering av direkt effektinjektion (DPI), föreslår den första batteribalanseringsmetoden för att minska injektionsnivån under DPI, och jämför prestandan hos två arkitekturer under denna metod. Genom att etablera en enkel analysmodell, utforska effekten av batteribalansering på dämpningsnivån för lågfrekvent resonans, och fastställa strategier för att minska kopplingen av lågfrekvent viktigt brus. Föreslå en ny arkitektur som minskar antalet externa komponenter och injektionsnivåer, vilket gör batteribalansering viktigare för IC-immunitet.
Den nya arkitekturen har kompromisser relaterade till prestanda för elektrostatisk urladdning (ESD). Framtida arbete kommer att fokusera på att utvärdera ESD-prestandan för den nya arkitekturen och utforska möjliga förbättringsåtgärder utan att överdrivet öka antalet externa komponenter, för att optimera den övergripande prestandan för den nya arkitekturen, bättre tillämpa den på praktiska batterihanteringssystem, förbättra systemets prestanda i elektromagnetisk kompatibilitet, säkerställa stabil drift av batterihanteringssystemet i komplexa elektromagnetiska miljöer, och balansera kostnad och prestanda.