Abstraktne
Kui rääkida akuhaldussüsteemide integraallülituste (BMS IC) võimest seista vastu elektromagnetilistele häiretele (EMI), peame rääkima trükkplaadi (PCB) juhtmestiku ja väliste komponentide (EC) paigutusest, mis on võtmerollid. . Ärge unustage, et BMS IC-i enda takistus on samuti suur asi. Tegelikult muutub see impedants BMS IC aku tasakaalustamise funktsiooni tõttu oluliselt. Täpsemalt, enamik turul olevaid BMS-i IC-sid integreerivad passiivse aku tasakaalustamise funktsiooni, mis vähendab oluliselt BMS-i IC-de impedantsi. Meie uuringu eesmärk on mõista erinevate passiivsete akude tasakaalustamise meetodite mõju BMS IC-de immuuntasemele. Seejärel pakkusime välja ka uue BMS-i IC-arhitektuuri, mis mitte ainult ei vähenda väliste komponentide arvu, vaid maksimeerib ka passiivse aku tasakaalustamise mõju IC-i immuunsusele, st sissepritsetasemele otsevõimsuse sissepritse (DPI) testimisel. Sel viisil suudab IC isegi mürarikkas keskkonnas säilitada ülitäpsed kõrgepinge mõõtmised.
1. Sissejuhatus
Liitiumioonakusid (Li-Ion) ja akuhaldussüsteeme (BMS) on laialdaselt uuritud, mille eesmärk on sillutada teed uue põlvkonna elektrisõidukitele (EV) ja hübriidelektrisõidukitele (HEV). Näiteks on arenduse põhiaspektiks iseloomustada ajaminverteri juhtivaid elektromagnetilisi häireid (EMI), mis on üks müraallikatest, mis võivad põhjustada häireid BMS IC-s. Sellel mürateel mõjutavad kaablid, PCB-marsruutimine ja välised komponendid (EC-d) märkimisväärselt BMS-i IC-i häirekindlust. Siin keskenduvad EC-d on kõrgepinge nimikondensaatorid autodele, mida kasutatakse elektrostaatilise lahenduse (ESD) vältimiseks. Nagu eelmises töös näidatud, on nende EC-de odavaim konfiguratsioon akude diferentsiaalühendused. Selle tulemuseks on aga sissepritsetaseme tõus, mis on tingitud resonantsi sissetoomisest otsevõimsuse sissepritse (DPI) sagedusvahemikus ([150 kHz; 1 GHz]), mille põhjustab konstrueeritud CL-redelivõrk.
Sellisel juhul ühendab passiivne aku tasakaalustamine aku tasakaalustamise takisti ja mõned parasiitkomponendid paralleelselt ESD-kondensaatoriga, kui see aktiveeritakse, mis võib muuta nende resonantside sumbumise taset. Selles uuringus käsitletakse kahte aku tasakaalustamise meetodit. Esimene meetod on välistada praegu BMS IC-ga mõõdetav aku, lühistada kõik akud, mida saab lühistada, ja seejärel DPI ajal mõõdetud aku sissepritsetaseme väljavõtmist, et hinnata selle meetodi mõju IC-i häirekindlusele. Lisaks võrreldi selles uuringus kahte arhitektuuri, kasutades seda esimest tasakaalustamismeetodit, kusjuures peamine erinevus seisnes akude arvus, mida saab üheaegselt tasakaalustada. Teine tasakaalustamismeetod on lühistada sama aku, mida praegu IC mõõdab spetsiaalselt kavandatud arhitektuuriga. Lisaks muudab kavandatud arhitektuur tänu tasakaalustavate takistite uuele paigutusele ESD kondensaatori filtriks, mis võimaldab tasakaalustamisel oluliselt vähendada BMS-i poolel nähtavat takistust, alandades seeläbi sissepritse taset. Lisaks hinnati parasiitse induktiivsuse mõju hindamiseks ka aku tasakaalustamise mõju erinevatel vahemaadel ESD kondensaatorite ja IC-de vahel.
Lõpuks on selle artikli ülesehitus järgmine: Esiteks tutvustatakse BMS IC keskkonna modelleerimist; Teiseks, kasutades esimest aku tasakaalustamise meetodit, võrrelge tasakaalustamise mõju sissepritsetasemele kahe BMS IC arhitektuuri vahel DPI ajal; Kolmandaks tutvustage pakutud arhitektuuri ja hinnake selle mõju süstimistaseme tasakaalule DPI ajal, kasutades teist tasakaalustamismeetodit.
2. BMS-i integraallülituse keskkonna modelleerimine
BMS-i funktsiooni ja DPI testimine:BMS-i põhieesmärk on tagada akude optimaalne ja ohutu töö karmides elektromagnetiliste häirete (EMI) keskkondades. Mõned BMS IC põhifunktsioonid hõlmavad aku pinge täpset mõõtmist ja passiivset aku tasakaalustamist, et vältida aku lagunemist ja saavutada aku optimaalne toiteeraldus. Et iseloomustada IC-de võimet neid ülesandeid karmides EMI-keskkondades täita, viidi läbi otsevõimsuse sissepritse (DPI) testimine, ühendades 30 dBm toite ühisrežiimis (CM) kõigi akuga ühendatud IC-sisenditega.
DPI testi seadistus ja sellega seotud komponendid:Joonisel 1 on näidatud selles uuringus kasutatud DPI seadistus, kasutades BMS IC toodet, mis suudab jälgida kuni 18 akut. See säte tutvustab superkondensaatoreid, et konstrueerida üle 80 V pingega akusid, kasutades 12 V akusid, ja stabiliseerida akupoolset impedantsi. Jooniselt 1 on näha, et praegused modelleerimismeetodid keskenduvad sellistele elementidele nagu akupakk ja 30 cm kaablid PCB mõlemal küljel, superkondensaatorid, pistikud, superkondensaatori plaadi PCB juhtmestik ja BMS IC plaat, välised komponendid (EC-d). ) BMS-i IC-plaadil ja BMS-i enda esitatud impedants.
BMS IC keskkonna modelleerimine:Joonisel 2 on BMS-i IC-sisend modelleeritud kondensaatoriga C {L} (30pF), mis esindab sisemist passiivset aku tasakaalustuslülitit sisselülitustakistusega Ron=0,25 Ω. ESD jaoks kasutatav kondensaator C {d} (47nF) on probleemsed EC-d, mis kasutavad kõige odavamat konfiguratsiooni. Mudel sisaldab ka C {d} parasiittakistust ja induktiivsust (parasiittakistus R {d} võtab väärtused sagedustel 100 MHz ja rohkem), võttes samal ajal arvesse sissepritsetud kondensaatori C {i} (330 pF) parasiitide käitumist. Suhteliselt kõrgete mahtuvuse C {d} väärtuste tõttu ei ole kaabli ja PCB suunamise mahtuvuse mõju arvesse võetud. Aku modelleerimisel kasutatakse ideaalset pingeallikat, kuna akuplokk ja kaablid on lühises superkondensaatorite poolt. Kõik 18 aku parameetrid joonisel 2 on sarnased, jättes tähelepanuta iga aku ja IC-viigu vahelise kauguse mittevastavuse. See mudel on efektiivne vahemikus [150kHz, 200MHz].
IC-viigu ja arhitektuuriga seotud olukord:Arhitektuuris 1 on C {Bx} viik, mida kasutatakse aku pinge mõõtmiseks ja passiivseks aku tasakaalustamiseks, samuti C {Tx} viik, mida kasutatakse ainult aku liiaspinge mõõtmiseks. Mõõtmist läbi viigu C {Tx} teostab diskreetajaline analoog-digitaalmuundur (DT ADC), seetõttu on vaja antialiasing-filtrit (AAF, st R {f} ja C {f}); Mõõtmine läbi C {Bx} viigu teostatakse pideva ajaga analoog-digitaalmuunduri (CT ADC) abil, ilma et oleks vaja AAF-i. Järgmises jaotises tutvustatakse arhitektuuri 2 ja esimest selles uuringus kasutatud tasakaalustamismeetodit BMS IC immuunsuse parandamiseks. Samuti võrreldakse esimese passiivse aku tasakaalustamise meetodi põhjustatud sissepritsetaseme sumbumist arhitektuuri 1 ja arhitektuuri 2 vahel. Lisaks eeldatakse selles uuringus, et aku tasakaalu aktiveerimine kestab mitusada mikrosekundit, mis on piisav huvipakkuva aku pinge mõõtmiseks. , ja seetõttu ei mõjuta see oluliselt tasakaaluaku laetuse taset.
3. Erinevused BMS IC arhitektuuris, resonantsiprobleemid ja esimese tasakaalustamismeetodi mõju
Arhitektuurilised erinevused ja resonantsnähtused:BMS-i IC-de tihvtide paigutus, kasutatavate analoog-digitaalmuundurite (ADC) arv ja tüüp ning muud arhitektuurilised aspektid mõjutavad otseselt väliseid komponente. Arhitektuuris 1 (joonis 2), välja arvatud C_{B0} ja C_{B19}, jagavad iga C_{Bx} tihvti kaks patareid. Kuna DPI testimisel on vaja määrata R_ {b} igale PCB jäljele, mis viib viiguni C{{10}}{Bx}, et piirata ühisrežiimist (CM) teisendamist diferentsiaalrežiimile (DM), ei saa kõrvuti asetsevaid patareisid samaaegselt tasakaalustada ning paarituid ja paarispatareisid tuleb tasakaalustada erinevatel perioodidel. Arhitektuuril 2 (joonis 3) on täiendav C {Bx \ _ H} tihv, mis suudab samaaegselt tasakaalustada külgnevaid patareisid, kuid see suurendab kiibi suurust, kontaktide arvu ja väliseid komponente (R {b}). CL trapetsikujuline võrk, mis koosneb L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) ja C_d} genereerivad mitu resonantsi, millel on suhteliselt madalad sagedused (alla 10 MHz). Praktilistes rakendustes võib BMS IC-d ja akut ühendav kaabel ulatuda 2 meetrini, mis vähendab resonantssagedust ja suurendab kvaliteeditegurit. Kuigi R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) võib resonantsi teatud määral nõrgendada, mõju on ebapiisav.
Esimene tasakaalustamismeetod ja selle mõju süstimistasemele:Esimene selles uuringus käsitletud tasakaalustamismeetod on esimese aku (C_{L1}) tipust tippu pinge eraldamine DPI-simulatsioonis, samal ajal tasakaalustades teisi akusid. Arhitektuuri 1 puhul tasakaalustatakse ainult paaritu numbriga akud (v.a aku 1), kuna paarisarvuliste akude tasakaalustamine (alates akust 2) muudaks aku 1 alalisvoolu (DC), mis ei ole kooskõlas tegelike mõõtmisstsenaariumitega. Arhitektuuri 2 puhul saab kõiki akusid, välja arvatud aku 1, tasakaalustada. Hindamiseks tehke vürtsikeskkonnas transientseid simulatsioone (pakkudes signaalile piisavat perioodilist stabiilsust, eraldades konkreetse perioodi keskmise pinge tipust tipuni ja võttes piisavalt punkte vahemikus [150 kHz; 200 MHz]). Tulemused näitasid, et passiivne aku võrdsustamine vähendas resonantsi amplituudi ootuspäraselt madalatel sagedustel, kuid suurendas sissepritse taset kõrgetel sagedustel (ligikaudu 150 MHz). Arhitektuuril 2 on suurem mõju sissepritsetasemele tänu aku tasakaalustamisele madalatel sagedustel, kuna see suudab tasakaalustada korraga rohkem akusid ja tekitada rohkem summutamist; Kõrgetel sagedustel on selle omane sissepritse tase madalam kui arhitektuuril 1 ja pärast aku tasakaalu aktiveerimist on kõrgete sageduste osas vaid väike paranemine. Lisaks on aku tasakaalustustakisti $R_ {b} $ väärtuse ja süstimistaseme vahel kompromiss. R_ {b} vähendamine suurendab madala sagedusega resonantsi sumbumist, kuid nõrgestab kõrgsageduslikku resonantssumbumist, samas kui R_ {b} suurendamine annab vastupidise efekti.
4. Teise tasakaalumeetodi analüüs ja uue arhitektuuri ettepanek
Analüüsige ideaalseid stsenaariume ja parendusstrateegiaid:Aku tasakaalustamise mõju hindamiseks madalsageduslikule resonantsile analüüsige ideaalset ja lihtsustatud stsenaariumi (sarnane arhitektuuriga 1, kuid lihtsustatud). Sagedustel alla 5MHz võib superkondensaatoreid pidada lühiseks, kuna nende mahtuvusväärtus on suur (10F) ja parasiitparameetrid (ekvivalentne jadatakistus ESR, ekvivalentne jadainduktiivsus ESL) on selles vahemikus madalad; Madalsagedusliku resonantsi kaalumisel võib C {L} ignoreerida; Lihtsa trapetsikujulise võrgu kasutuselevõtt ilma väliskoormuseta on analüüsi jaoks mugav. Selle stsenaariumi (valem 1) kogutakistuse jaoks arvutati resonantssagedus konkreetse avaldise (valem 2) abil. Selgus, et antud parameetrite juures on valemi 2 diskriminant negatiivne, kahe imaginaarse juurega ning reaalosa peegeldab resonantsi sumbumist (pseudoperioodiline olek, valem 3). Aku tasakaalustamise lihtsustatud rakendamise stsenaariumi jaoks joonisel 7b arvutati resonantsi polünoom (valem 4). Leiti, et takistuse R vähendamine nii palju kui võimalik võib muuta resonantsindeksi diskrimineerivamad avaldised positiivseks, nõrgendades oluliselt resonantssagedust, kuid mõned resonantsid on siiski pseudoperioodilises olekus. Sumbumistegur (valem 5) näitab, et kui R on piisavalt madal, võib aku tasakaalustamine oluliselt mõjutada sissepritse taset. Kuigi takistuse suurendamine võib parandada R_ {T}, ei ole see arhitektuuride 1 ja 2 puhul teostatav, kuna see vähendab C_ {Tx} viigu mõõtmise täpsust aku tasakaalustamise ajal.
Pakkuge välja uus arhitektuur ja jõudluse hindamine:Pakkuge välja uus arhitektuur, milles C {Tx} viigu mõõtmisel kasutatakse pideva ajaga analoog-digitaalmuundurit (CT ADC), ilma et oleks vaja antialiasimisfiltreid (AAF, st R {f} ja C {f}) , kasutatakse C {Bx} viigu mõõtmisel diskreetse aja analoog-digitaalmuundurit (DT ADC) ja tasakaalutakistit R {b} liigutatakse enne ESD kondensaatorit C. {d}, säästes komponente ja suurendades madala sagedusega resonantssummutust. Mõõtmisvigade vältimiseks aku tasakaalustamise ajal tehakse C {Tx} mõõtmine enne R {b}. Teine tasakaalustamismeetod tasakaalustab mõõdetavat akut (nt element x, joonis 8), et vähendada C {Tx} viigu sissepritse taset. Uus arhitektuur maksimeerib aku tasakaalustamise mõju DPI süstimistasemele, asetades R {b} enne C {d} ja tuues C {d} IC-le lähemale. Simulatsiooni tulemused näitavad, et uuel arhitektuuril on madalam sissepritse tase kui vanal arhitektuuril, kui aku tasakaalustamine pole aktiveeritud (joonis 5) ja märkimisväärset sumbumist on võimalik saavutada, kui C {d} asetatakse IC-st mõistlikule kaugusele ( 0,5 cm või 1 cm) (joonis 9). Siiski on uues arhitektuuris ESD jõudluses kompromiss. Arhitektuurides 1 ja 2, kui toimub ESD sündmus, pakub C {d} viigule madala takistuse maandustee, samas kui uues arhitektuuris kujutab R {b} C {Tx} viigule kõrgepingeriski. Seetõttu peab R {b} probleemi leevendamiseks valima sobiva väärtuse või asetama C {Tx}-le sisemise kinnitusseadme. Edasine töö keskendub uue arhitektuuri ESD jõudluse parandamisele.
5. Kokkuvõte
Selles uuringus pakutakse välja akuhaldussüsteemi integraallülituse (BMS IC) mudel praktiliseks otsesissepritse (DPI) simuleerimiseks, pakutakse välja esimene aku tasakaalustamise meetod, et vähendada sissepritse taset DPI ajal, ja võrreldakse kahe arhitektuuri jõudlust selle meetodi alusel. Luues lihtsa analüüsimudeli, uurides aku tasakaalustamise mõju madala sagedusega resonantsi sumbumise tasemele ja määrates kindlaks strateegiad madala sagedusega olulise müra sidumise vähendamiseks. Pakkuge välja uus arhitektuur, mis vähendab väliskomponentide arvu ja sissepritsetasemeid, muutes aku tasakaalustamise IC-i puutumatuse jaoks olulisemaks.
Uuel arhitektuuril on elektrostaatilise lahenduse (ESD) jõudlusega seotud kompromissid. Edasine töö keskendub uue arhitektuuri ESD jõudluse hindamisele ja võimalike parendusmeetmete uurimisele ilma väliste komponentide arvu liigselt suurendamata, et optimeerida uue arhitektuuri üldist jõudlust, rakendada seda paremini praktilistes akuhaldussüsteemides, parandada süsteemi jõudlust elektromagnetilise ühilduvuse osas, tagama akuhaldussüsteemi stabiilse töö keerukates elektromagnetilistes keskkondades ning tasakaalustama kulusid ja jõudlust.