Intelligente Anschlussdose mit Spannungs- und Stromsynchronisierung in Elektrofahrzeugen

Intelligente Anschlussdose mit Spannungs- und Stromsynchronisierung in Elektrofahrzeugen

Da Elektrofahrzeuge (EVs) immer beliebter werden, besteht die Herausforderung für Autohersteller darin, die „Reichweitenangst“ der Fahrer zu beseitigen und gleichzeitig das Auto erschwinglicher zu machen.Dies führt dazu, dass die Batteriepakete bei höheren Energiedichten kostengünstiger werden.Jede einzelne Wattstunde, die in den Zellen gespeichert und abgerufen wird, ist entscheidend, um die Reichweite zu erhöhen.

Genaue Spannungs-, Temperatur- und Strommessungen sind von größter Bedeutung, um den Lade- oder Gesundheitszustand jeder Zelle im System bestmöglich abschätzen zu können.

Die Hauptfunktion eines Batteriemanagementsystems (BMS) ist die Überwachung von Zellspannungen, Packspannungen und Packstrom.Abbildung 1a zeigt einen Akkupack in der grünen Box mit mehreren gestapelten Zellen.Die Zellenüberwachungseinheit umfasst die Zellenüberwachungsgeräte, die die Spannung und Temperatur der Zellen überprüfen.
Vorteile von intelligentem BJB:

Macht Kabel und Kabelbäume überflüssig.
Verbessert Spannungs- und Strommessungen mit geringerem Rauschen.
Vereinfacht die Hardware- und Softwareentwicklung.Da Packmonitore und Zellenmonitore von Texas Instruments (TI) aus derselben Gerätefamilie stammen, sind ihre Architektur und ihre Registerkarten alle sehr ähnlich.
Ermöglicht Systemherstellern die Spannungs- und Strommessungen des Pakets zu synchronisieren.Kleine Synchronisationsverzögerungen verbessern die Schätzungen des Ladezustands.
Spannungs-, Temperatur- und Strommessung
Spannung: Die Spannung wird mit heruntergeteilten Widerstandsketten gemessen.Diese Messungen prüfen, ob die elektronischen Schalter geöffnet oder geschlossen sind.
Temperatur: Die Temperaturmessungen überwachen die Temperatur des Shunt-Widerstands, damit die MCU eine Kompensation vornehmen kann, sowie die Temperatur der Schütze, um sicherzustellen, dass sie nicht belastet werden
Strom: Die Strommessungen basieren auf:
Ein Shunt-Widerstand.Da die Ströme in einem Elektrofahrzeug Tausende von Ampere erreichen können, sind diese Shunt-Widerstände extrem klein – im Bereich von 25 µOhm bis 50 µOhm.
Ein Hallsensor.Sein dynamischer Bereich ist typischerweise begrenzt, daher gibt es manchmal mehrere Sensoren im System, um den gesamten Bereich zu messen.Hall-Effekt-Sensoren sind von Natur aus anfällig für elektromagnetische Störungen.Sie können diese Sensoren jedoch überall im System platzieren und liefern von Natur aus eine isolierte Messung.
Spannungs- und Stromsynchronisation

Die Spannungs- und Stromsynchronisierung ist die Zeitverzögerung, die vorhanden ist, um die Spannung und den Strom zwischen dem Pack-Monitor und dem Zellenmonitor abzutasten.Diese Messungen werden hauptsächlich zur Berechnung des Ladezustands und des Gesundheitszustands durch Elektroimpedanzspektroskopie verwendet.Die Berechnung der Impedanz der Zelle durch Messen von Spannung, Strom und Leistung über die Zelle ermöglicht es dem BMS, die momentane Leistung des Fahrzeugs zu überwachen.

Die Zellenspannung, Packspannung und Packstrom müssen zeitsynchronisiert werden, um die genauesten Leistungs- und Impedanzschätzungen zu liefern.Das Abtasten innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls wird als Synchronisationsintervall bezeichnet.Je kleiner das Synchronisationsintervall ist, desto genauer ist die Leistungsschätzung oder die Impedanzschätzung.Der Fehler nicht synchronisierter Daten ist proportional.Je genauer die Ladezustandsschätzung ist, desto mehr Kilometerleistung erhalten die Fahrer.

Synchronisierungsanforderungen

BMS der nächsten Generation erfordern synchronisierte Spannungs- und Strommessungen in weniger als 1 ms, aber es gibt Herausforderungen bei der Erfüllung dieser Anforderung:

Alle Zellmonitore und Packmonitore haben unterschiedliche Taktquellen;daher sind die erfassten Abtastwerte nicht inhärent synchronisiert.
Jeder Zellmonitor konnte sechs bis 18 Zellen messen;die Daten jeder Zelle sind 16 Bit lang.Es gibt viele Daten, die über eine Daisy-Chain-Schnittstelle übertragen werden müssen, was das für die Spannungs- und Stromsynchronisierung zulässige Timing-Budget verbrauchen könnte.
Jeder Filter wie ein Spannungsfilter oder ein Stromfilter beeinflusst den Signalpfad und trägt zu Spannungs- und Stromsynchronisationsverzögerungen bei.
Die Batteriewächter BQ79616-Q1, BQ79614-Q1 und BQ79612-Q1 von TI können eine zeitliche Beziehung aufrechterhalten, indem sie einen ADC-Startbefehl an den Zellenwächter und den Packwächter ausgeben.Diese Batteriewächter von TI unterstützen auch verzögertes ADC-Sampling, um die Ausbreitungsverzögerung zu kompensieren, wenn der ADC-Startbefehl über die Daisy-Chain-Schnittstelle übertragen wird.

Fazit

Die massiven Elektrifizierungsbemühungen in der Automobilindustrie treiben die Notwendigkeit voran, die Komplexität von BMSs durch Hinzufügen von Elektronik in der Anschlussdose zu reduzieren und gleichzeitig die Systemsicherheit zu verbessern.Ein Packmonitor kann vor Ort die Spannungen vor und nach den Relais sowie den Strom durch den Akkupack messen.Die Genauigkeitsverbesserungen bei Spannungs- und Strommessungen führen direkt zu einer optimalen Nutzung einer Batterie.

Effektive Spannungs- und Stromsynchronisierung ermöglicht präzise Spektroskopie-Berechnungen des Gesundheitszustands, des Ladezustands und der elektrischen Impedanz, die zu einer optimalen Nutzung der Batterie führen, um ihre Lebensdauer zu verlängern und die Reichweite zu erhöhen.