許多可攜式電子設備已經在使用先進的電池管理系統(BMS)。電動、混合動力和插電式混合動力車中的BMS則是更加複雜,特別是在高壓電氣系統中。具有高共模電壓的級聯電池組的安全電流隔離是關鍵的主要功能。

通常來說,為了大型電池組的電池平衡,必須開發全新的電路技術和更精確的檢測方法。另一個決定性的因素是隔離各種功能區塊以保護敏感系統免受到電池的高能量影響。為此,供應商專門開發出電感元件,例如隔離電源變壓器和共模扼流圈(common mode chokes),它們顯著提高了電池組乃至車輛的安全性和整體功能。

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專為BMS開發的電感元件可將幾個高能電池相互隔離,從而提升整個系統的安全性和功能。
(來源:Pulse)

關鍵因素

在設計電池組時需要考慮兩個特別關鍵的因素:首先,電池過度充電會導致電池過熱,電池芯(Battery cell)具有相對較窄的指定溫度範圍,過多的熱量可能會損壞它們,甚至導致熱失控,從而引起火災或爆炸;因此必須不惜一切代價防止過熱的情況發生。

其次,將電池放電到某個閾值以下會導致其容量永久性降低,該閾值取決於電池的化學成分或技術,並記載在主要供應商(例如Samsung SDI)的產品規格表中。

控制能量流

與車載充電器搭配使用時,BMS必須將電池芯保持在規定的工作範圍內,也應避免過充電和欠充電的灰色區域,以防止發生故障和損壞。在這種情況下,要確實遵守所允許的充電和放電電流的限制,以及充電和放電電壓的高低範圍。

根據相應的拓撲結構,半導體開關控制電流。由於高共模電壓,隔離電源變壓器通常用在基於低電壓的電池芯平衡和監控IC之間,透過菊鏈配置保證電池組中通訊的一致性。具有高隔離電壓的隔離電源變壓器,例如Pulse的PH9185. XXXNL系列元件,可保護控制電路免受高共模電壓的影響,該系列元件還可以各種傳動比來配置。

補償過電壓和欠電壓

過電壓和欠電壓可能會導致電池損壞和老化。為避免這種情況發生,需要沿著電池組均勻地分配電池電壓。為此,BMS要測量每個電池芯的電壓,透過電池之間的電荷轉移或單一電池的簡單放電,將其調節到總電平。在高於平均電壓的電池中,過量電荷會被分配到其他電池。

防止過熱

溫度感測器會連續測量溫度,從而確保電池芯保持在指定的溫度範圍內。如果溫度超過臨界水準,控制系統則會中斷充電或放電過程,直到過熱電池的溫度回到安全水準。

補償電壓

BMS通常執行所謂的庫侖計數以確定充電狀態(state of charge),它會確定每個電池芯中剩餘的電能量,並通過EMI保護介面將其傳輸到控制單元。這種可堆疊的架構可以支援大型電池上的數百個電池芯,從而確保所有電池可以均勻地放電且電荷不會低於閾值,因為低於閾值可能會永久地降低電池總容量或導致深度放電無法進行。另外有一點很重要的是,要注意,通過菊鍊連接起許多串聯連接的電池,是具有較大的電壓電位差的。

這需要元件之間的電流隔離,變壓器適用於隔離PCB之間的串聯通訊連接。Pulse借助廣泛的隔離電源變壓器,讓開發人員可以輕易找到能夠精確提供所需工作電壓、通道數目、封裝形狀和封裝類型的產品款式。例如,HM11/21xxNL系列提供具有不同工作和隔離電壓的多種配置,以及一款適合各種用途的變壓器。這款隔離電源變壓器已獲批准,可與市場上的多款晶片組(Renesas/Intersil, Rohm及其他電池平衡IC的供應商)搭配使用。

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控制電流

經過驗證的充電演算法可取代恆定電流和恆定電壓相位。在BMS中使用高電流電感元件來限制電流的改變率並消除充電電流的漣波,如Pulse的PA434xNL系列就適合這種用途。Pulse的PA4334電感元件可以快速精確地檢測電池電壓的變化。

如果整合正確,這些建基於創新磁性電源元件的BMS功能強大,絕對值得開發人員加倍努力去探索,因為它們可以有效地評估和控制每個電池芯的性能和穩定性,從而顯著地延長電池的壽命,使得電池系統,乃至整部車輛都變得更加安全。

(此中文版文章由Rutronik供稿)