Ágrip
Þegar kemur að getu samþættra rafhlöðustjórnunarkerfis (BMS ICs) til að standast rafsegultruflanir (EMI), þurfum við að tala um skipulag prentaðra rafrása (PCB) raflagna og ytri íhluta (ECs), sem eru lykilhlutverk . Ekki gleyma, viðnám BMS IC sjálfs er líka mikið mál. Reyndar mun þessi viðnám gangast undir verulegar breytingar vegna rafhlöðujafnvægisvirkni BMS IC. Nánar tiltekið samþætta flestir BMS ICs á markaðnum óvirka rafhlöðujöfnunaraðgerð, sem dregur verulega úr viðnáminu sem BMS ICs sýna. Tilgangur rannsóknarinnar okkar er að skilja áhrif mismunandi óvirkra rafhlöðujafnvægisaðferða á ónæmisstig BMS ICs. Síðan lögðum við einnig til nýjan BMS IC arkitektúr sem dregur ekki aðeins úr fjölda ytri íhluta, heldur hámarkar einnig áhrif óvirkrar rafhlöðujafnvægis á friðhelgi IC, það er innspýtingarstigið í prófun á beinni aflinnspýtingu (DPI). Á þennan hátt, jafnvel í hávaðasömu umhverfi, getur IC viðhaldið hárnákvæmum háspennumælingum.
1. Inngangur
Lithium ion (Li Ion) rafhlöður og rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) hafa verið mikið rannsökuð með það að markmiði að ryðja brautina fyrir nýja kynslóð rafknúinna ökutækja (EV) og tvinn rafbíla (HEV). Til dæmis er stór þáttur þróunar að einkenna rafsegultruflanir (EMI) frá drifbreytiranum, sem er einn af hávaðagjafanum sem getur valdið truflunum á BMS IC. Í þessari hávaðaleið hafa kaplar, PCB leið og ytri íhlutir (ECs) veruleg áhrif á ónæmi BMS IC. ECs sem lögð er áhersla á hér eru háspennuþéttar fyrir bíla sem notaðir eru til að koma í veg fyrir rafstöðueiginleika (ESD). Eins og sýnt er í fyrri vinnu er ódýrasta uppsetningin fyrir þessar ECs mismunadriftengingar yfir rafhlöður. Hins vegar mun þetta leiða til hækkunar á innspýtingarstigi vegna innleiðingar á ómun innan tíðnisviðsins með beinni kraftinnspýtingu (DPI) ([150kHz; 1GHz]), sem stafar af smíðaða CL stiganetinu.
Í þessu tilviki mun óvirk rafhlöðujöfnun tengja jafnvægisviðnám rafhlöðunnar og suma sníkjuíhluti samhliða ESD þéttinum þegar það er virkjað, sem getur breytt deyfingarstigi þessara ómuna. Þessi rannsókn fjallar um tvær rafhlöðujöfnunaraðferðir. Fyrsta aðferðin er að útiloka rafhlöðuna sem nú er mæld af BMS IC, skammhlaupa allar rafhlöður sem hægt er að skammta, og draga síðan út innspýtingarstig mældu rafhlöðunnar meðan á DPI stendur til að meta áhrif þessarar aðferðar á friðhelgi IC. Að auki bar þessi rannsókn saman tvo arkitektúra með þessari fyrstu jafnvægisaðferð, þar sem helsti munurinn er fjöldi rafhlaðna sem hægt er að jafna samtímis. Önnur jafnvægisaðferðin er að skammhlaupa sömu rafhlöðu sem nú er mæld af IC í sérstaklega fyrirhuguðum arkitektúr. Að auki, vegna nýrrar staðsetningar jafnvægisviðnáms, breytir fyrirhuguð arkitektúr ESD þéttinum í síu, sem gerir jafnvæginu kleift að draga verulega úr viðnáminu sem sést á BMS hliðinni og lækkar þar með innspýtingarstigið. Að auki, til að meta áhrif sníkjuvirkja, voru áhrif rafhlöðujöfnunar á mismunandi fjarlægð milli ESD þétta og IC einnig metin.
Að lokum er uppbygging þessarar greinar sem hér segir: Í fyrsta lagi er líkangerð BMS IC umhverfisins kynnt; Í öðru lagi, með því að nota fyrstu rafhlöðujafnvægisaðferðina, berðu saman áhrif jafnvægis á inndælingarstig milli tveggja BMS IC arkitektúra meðan á DPI stendur; Í þriðja lagi, kynnið fyrirhugaðan arkitektúr og metið áhrif hans á jafnvægi inndælingarstigs meðan á DPI stendur með því að nota seinni jafnvægisaðferðina.
2. BMS samþætt hringrás umhverfi líkan
BMS virkni og DPI próf:Megintilgangur BMS er að tryggja sem best og öruggan rekstur rafgeyma í sterkum rafsegultruflunum (EMI) umhverfi. Sumar af helstu aðgerðum BMS IC fela í sér nákvæma mælingu á rafhlöðuspennu og óvirka rafhlöðujöfnun til að koma í veg fyrir niðurbrot rafhlöðunnar og ná hámarks orkuútdrætti úr rafhlöðupakkanum. Til að einkenna getu IC til að framkvæma þessi verkefni í erfiðu EMI umhverfi, voru prófun með beinni orkuinnspýtingu (DPI) framkvæmd með því að tengja 30dBm afl í sameiginlegri stillingu (CM) við öll IC inntak tengd rafhlöðunni.
DPI prófunaruppsetning og tengdir íhlutir:Mynd 1 sýnir DPI uppsetninguna sem notuð er í þessari rannsókn, með BMS IC vöru sem getur fylgst með allt að 18 rafhlöðum. Þessi stilling kynnir ofurþétta til að smíða rafhlöðupakka með hærri spennu en 80V með því að nota 12V rafhlöður og koma á stöðugleika viðnáms á rafhlöðupakkahliðinni. Af mynd 1 má sjá að núverandi líkanaaðferðir einbeita sér að þáttum eins og rafhlöðupakkanum og 30cm snúrum hvoru megin við PCB, ofurþétta, tengi, PCB raflögn á ofurþétta borðinu og BMS IC borð, ytri íhluti (ECs). ) á BMS IC borðinu og viðnám sem BMS sjálft sýnir.
BMS IC umhverfi líkan:Frá mynd 2 er BMS IC inntakið mótað af þétti C {L} (30pF) sem táknar innri óvirka rafhlöðujafnvægisrofann, með rofa á viðnám Ron=0.25 Ω. Þéttirinn C {d} (47nF) sem notaður er í ESD tilgangi er áhyggjuefni EC, sem tekur upp ódýrustu uppsetninguna. Líkanið felur einnig í sér sníkjuviðnám og inductance C {d} (sníkjuviðnám R {d} tekur gildi við tíðni 100MHz og hærra), á sama tíma og hugað er að sníkjuhegðun sprautaðs þétti C {i} (330pF). Vegna þess að tiltölulega há gildi rýmd C {d} eru til staðar, hefur ekki verið tekið tillit til rýmdaráhrifa kapals og PCB leiðar. Rafhlaðan er gerð með því að nota ákjósanlegan spennugjafa vegna þess að rafhlöðupakkinn og snúrur eru skammhlaupar af ofurþéttum. Allar breytur 18 rafhlöðunnar á mynd 2 eru svipaðar og hunsað misræmi í fjarlægð milli hverrar rafhlöðu og IC pinna. Þetta líkan er áhrifaríkt á bilinu [150kHz, 200MHz].
IC pinna og arkitektúr tengdar aðstæður:Í arkitektúr 1 er C {Bx} pinna notaður fyrir rafhlöðuspennumælingu og óvirka rafhlöðujafnvægi, auk C {Tx} pinna sem eingöngu er notaður fyrir rafhlöðuofframspennumælingu. Mælingin í gegnum C {Tx} pinna er framkvæmd með stakan tíma hliðrænan-í-stafræna breytir (DT ADC), þess vegna er þörf á síu gegn aliasing (AAF, þ.e. R {f} og C {f}); Mælingin í gegnum C {Bx} pinna er framkvæmd með samfelldum tíma hliðrænum-í-stafrænum breyti (CT ADC) án þess að þörf sé á AAF. Næsti hluti mun kynna Architecture 2 og fyrstu jafnvægisaðferðina sem notuð er í þessari rannsókn til að bæta ónæmi BMS IC. Það mun einnig bera saman innspýtingarstigsdeyfingu sem fyrstu óvirku rafhlöðujöfnunaraðferðin leiddi á milli Arkitektúr 1 og Arkitektúr 2. Að auki gerir þessi rannsókn ráð fyrir að virkjun rafhlöðujafnvægis vari í nokkur hundruð míkrósekúndur, sem nægir til spennumælinga á viðkomandi rafhlöðu , og mun því ekki hafa veruleg áhrif á hleðslustöðu jafnvægisrafhlöðunnar.
3. Mismunur á BMS IC arkitektúr, ómunarvandamál og áhrif fyrstu jafnvægisaðferðarinnar
Byggingarfræðilegur munur og ómun fyrirbæri:Pinnafyrirkomulag BMS ICs, fjöldi og tegund hliðrænna til stafræna breyta (ADC) sem notuð eru og aðrir byggingarfræðilegir þættir hafa bein áhrif á ytri íhluti. Í Architecture 1 (Mynd 2), nema C_{B0} og C_{B19}, er hverjum C_{Bx} pinna deilt með tveimur rafhlöður. Vegna nauðsyn þess að stilla R_ {b} á hverri PCB rekstri sem leiðir til C{{10}}{Bx} pinna í DPI prófun til að takmarka viðskiptin frá common mode (CM) í mismunadrifsstillingu (DM), er ekki hægt að stilla aðliggjandi rafhlöður í jafnvægi samtímis og stakar og jafnar rafhlöður þurfa að vera í jafnvægi á mismunandi tímabilum. Arkitektúr 2 (Mynd 3) er með viðbótar C {Bx \ _ H} pinna sem getur jafnvægið aðliggjandi rafhlöður samtímis, en það mun auka flísastærð, pinnafjölda og ytri íhluti (R {b}). CL trapisulaga netið sem samanstendur af L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) og C_d} myndar marga ómun, sem hafa tiltölulega lága tíðni (undir 10MHz). Í hagnýtum forritum getur snúran sem tengir BMS IC og rafhlöðupakka náð 2 metrum, sem mun lækka ómun tíðni og hærri gæðastuðul. Þó að R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) geti dregið úr ómun að vissu marki, áhrifin eru ófullnægjandi.
Fyrsta jafnvægisaðferðin og áhrif hennar á inndælingarstig:Fyrsta jafnvægisaðferðin sem tekin er til greina í þessari rannsókn er að draga út hámarks til toppspennu fyrstu rafhlöðunnar (C_{L1}) í DPI uppgerð á meðan jafnvægi er á öðrum rafhlöðum. Fyrir arkitektúr 1 eru aðeins oddanúmerar rafhlöður (að undanskildum rafhlöðu 1) jafnvægi, þar sem jafnvægi með jöfnum rafhlöðum (frá rafhlöðu 2) myndi breyta jafnstraumi (DC) rafhlöðu 1, sem er ekki í samræmi við raunverulegar mælingar. Fyrir arkitektúr 2 er hægt að jafna allar rafhlöður nema rafhlaða 1. Metið með því að framkvæma tímabundnar uppgerðir í kryddumhverfinu (veita merkinu nægjanlegan tímabilsstöðugleika, draga út tiltekið tímabil meðaltals spennu frá hámarki og taka nægilega marga punkta á bilinu [150kHz; 200MHz]). Niðurstöðurnar sýndu að óvirk rafhlöðujöfnun minnkaði ómun amplitude eins og búist var við við lága tíðni, en jók innspýtingarstigið á háum tíðnum (u.þ.b. 150MHz). Architecture 2 hefur meiri áhrif á innspýtingarstig vegna rafhlöðujafnvægis við lága tíðni, þar sem það getur jafnvægið fleiri rafhlöður samtímis og innleitt meiri dempun; Við há tíðni er eðlislægt innspýtingsstig þess lægra en í arkitektúr 1 og eftir að rafhlöðujafnvægið hefur verið virkjað er aðeins örlítil framför á hátíðni. Að auki er skipt á milli gildis jafnvægisviðnáms rafhlöðunnar $R_ {b} $ og innspýtingarstigsins. Að minnka R_ {b} mun auka lágtíðni ómun deyfingu en veikja hátíðni ómun dempun, á meðan aukning R_ {b} mun hafa öfug áhrif.
4. Greining á annarri jafnvægisaðferð og tillögu um nýjan arkitektúr
Greindu kjöraðstæður og umbótaaðferðir:Til að meta áhrif rafhlöðujöfnunar á lágtíðniómun skaltu greina hugsjóna og einfaldaða atburðarás (svipað og arkitektúr 1 en einfaldað). Við tíðni undir 5MHz er hægt að líta á ofurþétta sem skammhlaup vegna þess að hátt rýmdgildi þeirra (10F) og sníkjubreytur (jafngild röð viðnám ESR, jafngild röð inductance ESL) eru lág á þessu sviði; Þegar litið er á lágtíðniómun er hægt að hunsa C {L}; Að samþykkja einfalt trapisulaga net án utanaðkomandi álags er þægilegt fyrir greiningu. Fyrir heildarviðnám í þessari atburðarás (formúla 1) var ómuntíðnin reiknuð út með því að nota tiltekna tjáningu (formúlu 2). Það kom í ljós að undir tilteknum breytum er mismunur Formúlu 2 neikvæður, með tvær ímyndaðar rætur, og raunverulegi hlutinn endurspeglar ómun deyfingu (gervi reglubundið ástand, Formúla 3). Fyrir einfaldaða útfærslusviðsmynd rafhlöðujafnvægis á mynd 7b var margliðun ómun reiknuð (formúla 4). Það kom í ljós að með því að minnka viðnám R eins mikið og mögulegt er getur það gert ómunavísitölu jákvæðari tjáningu, sem dregur verulega úr ómuntíðni, en sumar ómun eru enn í gervireglubundnu ástandi. Dempunarstuðullinn (Formula 5) gefur til kynna að ef R er nógu lágt getur jafnvægi rafhlöðunnar haft veruleg áhrif á innspýtingarstigið. Þó að auka viðnámið geti bætt R_ {T}, er það ekki framkvæmanlegt fyrir arkitektúr 1 og 2 vegna þess að það mun draga úr mælingarnákvæmni C_ {Tx} pinnans við jafnvægi rafhlöðunnar.
Leggðu til nýjan arkitektúr og árangursmat:Leggðu til nýjan arkitektúr þar sem mælingar á C {Tx} pinnanum notar samfelldan tíma hliðrænan-í-stafrænan breytir (CT ADC) án þess að þörf sé á and-aliasingum (AAF, þ.e. R {f} og C {f}) , mælingar á C {Bx} pinna notar stakan tíma hliðrænan-í-stafrænan breytir (DT ADC), og jafnvægisviðnám R {b} er færð fyrir ESD þétti C {d}, sparar íhluti og eykur lágtíðni ómun deyfingu. Til að koma í veg fyrir mælivillur við jafnvægi rafhlöðunnar er mæling á C {Tx} framkvæmd fyrir R {b}. Önnur jafnvægisaðferðin jafnar rafhlöðuna sem verið er að mæla (eins og klefi x, mynd 8) til að draga úr innspýtingarstigi C {Tx} pinnans. Nýi arkitektúrinn hámarkar áhrif rafhlöðujafnvægis á DPI innspýtingarstig með því að setja R {b} fyrir C {d} og færa C {d} nær IC. Niðurstöður hermunanna sýna að nýja arkitektúrinn hefur lægra innspýtingarstig en gamla arkitektúrinn þegar rafhlöðujöfnun er ekki virkjuð (Mynd 5), og veruleg dempun er hægt að fá þegar C {d} er komið fyrir í hæfilegri fjarlægð frá IC ( 0.5cm eða 1cm) (Mynd 9). Hins vegar er skipting í ESD frammistöðu í nýja arkitektúrnum. Í arkitektúr 1 og 2, þegar ESD atburður á sér stað, gefur C {d} lágviðnám jarðveg fyrir pinna, en í nýja arkitektúrnum skapar R {b} mikla spennuhættu fyrir C {Tx} pinna. Þess vegna þarf R {b} að velja viðeigandi gildi eða setja innra klemmubúnað á C {Tx} til að draga úr vandanum. Framtíðarvinna mun einbeita sér að því að bæta ESD frammistöðu nýja arkitektúrsins.
5. Samantekt
Þessi rannsókn leggur til rafhlöðustjórnunarkerfi samþættra hringrásar (BMS IC) líkan fyrir hagnýta beina orkuinnspýtingu (DPI) uppgerð, leggur til fyrstu rafhlöðujafnvægisaðferðina til að draga úr innspýtingarstigi meðan á DPI stendur og ber saman árangur tveggja arkitektúra samkvæmt þessari aðferð. Með því að koma á einföldu greiningarlíkani, kanna áhrif rafhlöðujafnvægis á dempunarstig lágtíðniómunar og ákvarða aðferðir til að draga úr tengingu lágtíðni mikilvægs hávaða. Leggðu til nýjan arkitektúr sem dregur úr fjölda ytri íhluta og innspýtingarstigum, sem gerir rafhlöðujafnvægi mikilvægara fyrir IC ónæmi.
Nýja arkitektúrinn hefur málamiðlanir sem tengjast rafstöðueiginleika (ESD) frammistöðu. Framtíðarvinna mun einbeita sér að því að meta ESD frammistöðu nýja arkitektúrsins og kanna mögulegar umbótaráðstafanir án þess að auka fjölda ytri íhluta óhóflega, til að hámarka heildarafköst nýja arkitektúrsins, beita því betur á hagnýt rafhlöðustjórnunarkerfi, bæta Afköst kerfisins í rafsegulfræðilegu eindrægni, tryggja stöðugan rekstur rafhlöðustjórnunarkerfisins í flóknu rafsegulumhverfi og jafnvægi kostnaðar og frammistöðu.