Abstrait
En ce qui concerne la capacité des circuits intégrés du système de gestion de batterie (CI BMS) à résister aux interférences électromagnétiques (EMI), nous devons parler de la disposition du câblage des cartes de circuits imprimés (PCB) et des composants externes (EC), qui jouent un rôle clé. . N'oubliez pas que l'impédance du BMS IC lui-même est également un gros problème. En fait, cette impédance subira des changements importants en raison de la fonction d'équilibrage de la batterie du BMS IC. Plus précisément, la plupart des circuits intégrés BMS sur le marché intègrent une fonction d'équilibrage passif de la batterie, ce qui réduit considérablement l'impédance présentée par les circuits intégrés BMS. Le but de notre étude est de comprendre l’impact de différentes méthodes passives d’équilibrage de batterie sur le niveau immunitaire des circuits intégrés BMS. Ensuite, nous avons également proposé une nouvelle architecture de circuit intégré BMS qui non seulement réduit le nombre de composants externes, mais maximise également l'impact de l'équilibrage passif de la batterie sur l'immunité du circuit intégré, c'est-à-dire le niveau d'injection lors des tests d'injection directe de puissance (DPI). De cette façon, même dans des environnements bruyants, le circuit intégré peut maintenir des mesures haute tension de haute précision.
1. Présentation
Les batteries lithium-ion (Li Ion) et les systèmes de gestion de batterie (BMS) ont été largement étudiés, dans le but d'ouvrir la voie à la nouvelle génération de véhicules électriques (VE) et de véhicules électriques hybrides (HEV). Par exemple, un aspect majeur du développement consiste à caractériser les interférences électromagnétiques conduites (EMI) provenant de l’onduleur, qui sont l’une des sources de bruit pouvant provoquer des interférences avec le circuit intégré du BMS. Dans ce chemin de bruit, les câbles, le routage des PCB et les composants externes (EC) ont un impact significatif sur l'immunité du BMS IC. Les EC sur lesquels nous nous concentrons ici sont des condensateurs haute tension pour automobiles utilisés pour empêcher les décharges électrostatiques (ESD). Comme indiqué dans des travaux antérieurs, la configuration la moins chère pour ces EC consiste en des connexions différentielles entre les batteries. Cependant, cela entraînera une augmentation du niveau d'injection en raison de l'introduction d'une résonance dans la plage de fréquences d'injection directe de puissance (DPI) ([150 kHz ; 1 GHz]), provoquée par le réseau en échelle CL construit.
Dans ce cas, l'équilibrage passif de la batterie connectera la résistance d'équilibrage de la batterie et certains composants parasites en parallèle avec le condensateur ESD lorsqu'il est activé, ce qui pourra modifier le niveau d'atténuation de ces résonances. Cette étude considère deux méthodes d'équilibrage de la batterie. La première méthode consiste à exclure la batterie actuellement mesurée par le circuit intégré BMS, à court-circuiter toutes les batteries pouvant être court-circuitées, puis à extraire le niveau d'injection de la batterie mesurée pendant le DPI pour évaluer l'impact de cette méthode sur l'immunité du circuit intégré. De plus, cette étude a comparé deux architectures utilisant cette première méthode d’équilibrage, la principale différence étant le nombre de batteries pouvant être équilibrées simultanément. La deuxième méthode d'équilibrage consiste à court-circuiter la même batterie actuellement mesurée par le CI dans une architecture spécialement proposée. De plus, grâce au nouvel emplacement des résistances d'équilibrage, l'architecture proposée transforme le condensateur ESD en filtre, ce qui permet à l'équilibrage de réduire considérablement l'impédance vue du côté BMS, abaissant ainsi le niveau d'injection. De plus, pour évaluer l'effet de l'inductance parasite, l'impact de l'équilibrage de la batterie à différentes distances entre les condensateurs ESD et les circuits intégrés a également été évalué.
Enfin, la structure de cet article est la suivante : Tout d'abord, la modélisation de l'environnement BMS IC est introduite ; Deuxièmement, en utilisant la première méthode d'équilibrage de batterie, comparer l'impact de l'équilibrage sur le niveau d'injection entre deux architectures IC BMS pendant le DPI ; Troisièmement, présentez l'architecture proposée et évaluez son impact sur l'équilibre du niveau d'injection pendant le DPI en utilisant la deuxième méthode d'équilibrage.
2. Modélisation de l'environnement des circuits intégrés BMS
Fonction BMS et tests DPI :L'objectif principal du BMS est d'assurer le fonctionnement optimal et sûr des batteries dans des environnements difficiles d'interférences électromagnétiques (EMI). Certaines des fonctions principales du BMS IC incluent une mesure précise de la tension de la batterie et un équilibrage passif de la batterie pour éviter la dégradation de la batterie et obtenir une extraction optimale de l'énergie de la batterie. Pour caractériser la capacité des circuits intégrés à effectuer ces tâches dans des environnements EMI difficiles, des tests d'injection directe de puissance (DPI) ont été réalisés en couplant une puissance de 30 dBm en mode commun (CM) à toutes les entrées du circuit intégré connectées à la batterie.
Configuration du test DPI et composants associés :La figure 1 montre la configuration DPI utilisée dans cette étude, utilisant un produit BMS IC capable de surveiller jusqu'à 18 batteries. Ce paramètre introduit des supercondensateurs pour construire des batteries avec des tensions supérieures à 80 V en utilisant des batteries 12 V et stabiliser l'impédance du côté de la batterie. De la figure 1, on peut voir que les méthodes de modélisation actuelles se concentrent sur des éléments tels que la batterie et les câbles de 30 cm de chaque côté du PCB, les supercondensateurs, les connecteurs, le câblage du PCB sur la carte du supercondensateur et la carte IC BMS, les composants externes (EC). ) sur la carte IC BMS et l'impédance présentée par le BMS lui-même.
Modélisation de l'environnement BMS IC :À partir de la figure 2, l'entrée du BMS IC est modélisée par le condensateur C {L} (30pF) représentant le commutateur d'équilibrage passif interne de la batterie, avec une résistance d'activation Ron=0,25 Ω. Le condensateur C {d} (47nF) utilisé à des fins ESD est le EC concerné, qui adopte la configuration la moins chère. Le modèle inclut également la résistance et l'inductance parasites de C {d} (la résistance parasite R {d} prend des valeurs à des fréquences de 100 MHz et plus), tout en considérant le comportement parasite du condensateur injecté C {i} (330pF). En raison de la présence de valeurs de capacité C {d} relativement élevées, l'effet de capacité du routage des câbles et des PCB n'a pas été pris en compte. La batterie est modélisée à l'aide d'une source de tension idéale car le bloc batterie et les câbles sont court-circuités par des supercondensateurs. Tous les paramètres des 18 batteries de la figure 2 sont similaires, ignorant la différence de distance entre chaque batterie et la broche du circuit intégré. Ce modèle est efficace dans la plage de [150 kHz, 200 MHz].
Situation liée à la broche IC et à l'architecture :Dans l'architecture 1, il existe une broche C {Bx} utilisée pour la mesure de la tension de la batterie et l'équilibrage passif de la batterie, ainsi qu'une broche C {Tx} utilisée uniquement pour la mesure de la tension de redondance de la batterie. La mesure via la broche C {Tx} est effectuée par un convertisseur analogique-numérique à temps discret (DT ADC), donc un filtre anti-aliasing (AAF, c'est-à-dire R {f} et C {f}) est requis ; La mesure via la broche C {Bx} est effectuée par un convertisseur analogique-numérique à temps continu (CT ADC) sans avoir besoin d'AAF. La section suivante présentera l'architecture 2 et la première méthode d'équilibrage utilisée dans cette étude pour améliorer l'immunité du BMS IC. Elle comparera également l'atténuation du niveau d'injection apportée par la première méthode d'équilibrage passif de la batterie entre l'Architecture 1 et l'Architecture 2. De plus, cette étude suppose que l'activation de l'équilibre de la batterie dure plusieurs centaines de microsecondes, ce qui est suffisant pour la mesure de la tension de la batterie intéressée. , et n'aura donc pas d'impact significatif sur l'état de charge de la batterie d'équilibre.
3. Différences dans l'architecture des circuits intégrés BMS, problèmes de résonance et impact de la première méthode d'équilibrage
Différences architecturales et phénomènes de résonance :La disposition des broches des circuits intégrés BMS, le nombre et le type de convertisseurs analogique-numérique (CAN) utilisés et d'autres aspects architecturaux affectent directement les composants externes. Dans l'architecture 1 (Figure 2), à l'exception de C_{B0} et C_{B19}, chaque broche C_{Bx} est partagée par deux piles. En raison de la nécessité de définir R_ {b} sur chaque trace PCB menant à la broche C{{10}}{Bx} dans les tests DPI pour limiter la conversion du mode commun (CM) En mode différentiel (DM), les batteries adjacentes ne peuvent pas être équilibrées simultanément et les batteries paires et impaires doivent être équilibrées à des périodes différentes. L'architecture 2 (Figure 3) possède une broche C {Bx \ _ H} supplémentaire qui peut équilibrer simultanément les batteries adjacentes, mais elle augmentera la taille de la puce, le nombre de broches et les composants externes (R {b}). Le réseau trapézoïdal CL composé de L_ {T} (L_ {u}+L_ {0}+L_ {a}) et C_d} généreront de multiples résonances, qui ont des fréquences relativement basses (inférieures à 10 MHz). Dans les applications pratiques, le câble reliant le BMS IC et la batterie peut atteindre 2 mètres, ce qui réduira la fréquence de résonance et augmentera le facteur de qualité. Bien que R_ {T} (R_ {u}+R_ {0}+R_ {a}) puisse atténuer la résonance dans une certaine mesure, l'effet est insuffisant.
La première méthode d’équilibrage et son impact sur le niveau d’injection :La première méthode d'équilibrage envisagée dans cette étude consiste à extraire la tension crête à crête de la première batterie (C_{L1}) dans la simulation DPI tout en équilibrant les autres batteries. Pour l'architecture 1, seules les batteries impaires (hors batterie 1) sont équilibrées, car l'équilibrage des batteries paires (à partir de la batterie 2) modifierait le courant continu (DC) de la batterie 1, ce qui n'est pas conforme aux scénarios de mesure réels. Pour l'architecture 2, toutes les batteries sauf la batterie 1 peuvent être équilibrées. Évaluez en effectuant des simulations transitoires dans l'environnement des épices (en fournissant une stabilité de période suffisante au signal, en extrayant la tension crête à crête moyenne sur une période spécifique et en prenant suffisamment de points dans la plage de [150 kHz ; 200 MHz]). Les résultats ont montré que l’égalisation passive de la batterie réduisait l’amplitude de résonance comme prévu aux basses fréquences, mais augmentait le niveau d’injection aux hautes fréquences (environ 150 MHz). L'architecture 2 a un plus grand impact sur le niveau d'injection en raison de l'équilibrage des batteries aux basses fréquences, car elle peut équilibrer plus de batteries simultanément et introduire plus d'amortissement ; Aux hautes fréquences, son niveau d'injection inhérent est inférieur à celui de l'architecture 1, et après activation de l'équilibrage de la batterie, on n'observe qu'une légère amélioration dans les hautes fréquences. De plus, il existe un compromis entre la valeur de la résistance d'équilibrage de la batterie $R_ {b} $ et le niveau d'injection. Réduire R_ {b} améliorera l'atténuation de résonance basse fréquence mais affaiblira l'atténuation de résonance haute fréquence, tandis qu'augmenter R_ {b} aura l'effet inverse.
4. Analyse de la méthode du deuxième équilibre et proposition d'une nouvelle architecture
Analyser les scénarios idéaux et les stratégies d'amélioration :Pour évaluer l'impact de l'équilibrage de la batterie sur la résonance basse fréquence, analysez un scénario idéal et simplifié (similaire à l'architecture 1 mais simplifié). Aux fréquences inférieures à 5 MHz, les supercondensateurs peuvent être considérés comme des courts-circuits en raison de leur valeur de capacité élevée (10F) et de leurs paramètres parasites (résistance série équivalente ESR, inductance série équivalente ESL) étant faibles dans cette plage ; Lorsque l'on considère la résonance basse fréquence, C {L} peut être ignoré ; L'adoption d'un réseau trapézoïdal simple sans charge externe est pratique pour l'analyse. Pour l'impédance totale dans ce scénario (Formule 1), la fréquence de résonance a été calculée à l'aide d'une expression spécifique (Formule 2). Il a été constaté que sous les paramètres donnés, le discriminant de la Formule 2 est négatif, avec deux racines imaginaires, et que la partie réelle reflète l'atténuation de résonance (état pseudo-périodique, Formule 3). Pour le scénario de mise en œuvre simplifié de l'équilibrage de la batterie de la figure 7b, le polynôme de résonance a été calculé (Formule 4). Il a été constaté que réduire autant que possible la résistance R peut rendre des expressions plus discriminantes de l'indice de résonance positives, atténuant considérablement la fréquence de résonance, mais certaines résonances sont toujours dans un état pseudo-périodique. Le facteur d'atténuation (Formule 5) indique que si R est suffisamment faible, l'équilibrage de la batterie peut affecter de manière significative le niveau d'injection. Bien que l'augmentation de la résistance puisse améliorer R_ {T}, cela n'est pas réalisable pour les architectures 1 et 2 car cela réduirait la précision de mesure de la broche C_ {Tx} lors de l'équilibrage de la batterie.
Proposer une nouvelle architecture et évaluation des performances :Proposer une nouvelle architecture dans laquelle la mesure de la broche C {Tx} utilise un convertisseur analogique-numérique à temps continu (CT ADC) sans avoir besoin de filtres anti-aliasing (AAF, c'est-à-dire R {f} et C {f}) , la mesure de la broche C {Bx} utilise un convertisseur analogique-numérique à temps discret (DT ADC), et la résistance d'équilibre R {b} est déplacée avant le condensateur ESD C {d}, économisant ainsi les composants et améliorant les faibles valeurs. fréquence atténuation de résonance. Pour éviter les erreurs de mesure lors de l'équilibrage de la batterie, la mesure de C {Tx} est effectuée avant R {b}. La deuxième méthode d'équilibrage équilibre la batterie mesurée (telle que la cellule x, figure 8) pour réduire le niveau d'injection de la broche C {Tx}. La nouvelle architecture maximise l'impact de l'équilibrage de la batterie sur le niveau d'injection DPI en plaçant R {b} avant C {d} et en rapprochant C {d} du CI. Les résultats de la simulation montrent que la nouvelle architecture a un niveau d'injection inhérent inférieur à celui de l'ancienne architecture lorsque l'équilibrage de la batterie n'est pas activé (Figure 5), et une atténuation significative peut être obtenue lorsque C {d} est placé à une distance raisonnable du CI ( 0,5 cm ou 1 cm) (Figure 9). Cependant, il existe un compromis en termes de performances ESD dans la nouvelle architecture. Dans les architectures 1 et 2, lorsqu'un événement ESD se produit, C {d} fournit un chemin de terre à faible impédance pour la broche, tandis que dans la nouvelle architecture, R {b} présente un risque de haute tension pour la broche C {Tx}. Par conséquent, R {b} doit choisir une valeur appropriée ou placer un dispositif de serrage interne sur C {Tx} pour résoudre le problème. Les travaux futurs se concentreront sur l’amélioration des performances ESD de la nouvelle architecture.
5. Résumé
Cette étude propose un modèle de circuit intégré de système de gestion de batterie (BMS IC) pour la simulation pratique d'injection directe de puissance (DPI), propose la première méthode d'équilibrage de batterie pour réduire le niveau d'injection pendant DPI et compare les performances de deux architectures selon cette méthode. En établissant un modèle d'analyse simple, en explorant l'impact de l'équilibrage de la batterie sur le niveau d'atténuation de la résonance basse fréquence et en déterminant des stratégies pour réduire le couplage du bruit important basse fréquence. Proposer une nouvelle architecture qui réduit le nombre de composants externes et les niveaux d'injection, rendant l'équilibrage de la batterie plus important pour l'immunité des circuits intégrés.
La nouvelle architecture présente des compromis liés aux performances en matière de décharge électrostatique (ESD). Les travaux futurs se concentreront sur l'évaluation des performances ESD de la nouvelle architecture et sur l'exploration de mesures d'amélioration possibles sans augmenter excessivement le nombre de composants externes, afin d'optimiser les performances globales de la nouvelle architecture, de mieux l'appliquer aux systèmes pratiques de gestion de batterie, d'améliorer la les performances du système en matière de compatibilité électromagnétique, garantissent le fonctionnement stable du système de gestion de la batterie dans des environnements électromagnétiques complexes et équilibrent les coûts et les performances.