Caja de conexiones inteligente con sincronización de tensión y corriente en vehículos eléctricos

Caja de conexiones inteligente con sincronización de tensión y corriente en vehículos eléctricos

A medida que los vehículos eléctricos (EV) se vuelven más populares, el desafío para los fabricantes de automóviles es eliminar la “ansiedad por el alcance” de los conductores y hacer que el automóvil sea más asequible.Esto se traduce en hacer que los paquetes de baterías sean más baratos con densidades de energía más altas.Cada vatio-hora almacenado y recuperado de las celdas es fundamental para ampliar el rango de conducción.

Tener mediciones precisas de voltaje, temperatura y corriente es fundamental para lograr la estimación más alta del estado de carga o estado de salud de cada celda del sistema.

La función principal de un sistema de administración de baterías (BMS) es monitorear los voltajes de las celdas, los voltajes del paquete y la corriente del paquete.La Figura 1a muestra un paquete de baterías en la caja verde con varias celdas apiladas.La unidad de supervisión de celdas incluye los monitores de celdas que verifican el voltaje y la temperatura de las celdas.
Beneficios del BJB inteligente:

Elimina cables y mazos de cables.
Mejora las mediciones de voltaje y corriente con menor ruido.
Simplifica el desarrollo de hardware y software.Debido a que los monitores de paquete y de celda de Texas Instruments (TI) provienen de la misma familia de dispositivos, su arquitectura y mapas de registro son todos muy similares.
Permite a los fabricantes de sistemas sincronizar las mediciones de voltaje y corriente del paquete.Los pequeños retrasos de sincronización mejoran las estimaciones del estado de carga.
Medida de tensión, temperatura y corriente
Voltaje: el voltaje se mide utilizando cadenas de resistencias divididas.Estas medidas comprueban si los interruptores electrónicos están abiertos o cerrados.
Temperatura: las mediciones de temperatura controlan la temperatura de la resistencia de derivación para que la MCU pueda aplicar compensación, así como la temperatura de los contactores para asegurarse de que no estén estresados.
Corriente: Las medidas de corriente se basan en:
Una resistencia de derivación.Debido a que las corrientes en un EV pueden llegar a miles de amperios, estas resistencias de derivación son extremadamente pequeñas, en el rango de 25 µOhms a 50 µOhms.
Un sensor de efecto Hall.Su rango dinámico suele ser limitado, por lo que a veces hay varios sensores en el sistema para medir todo el rango.Los sensores de efecto Hall son inherentemente susceptibles a la interferencia electromagnética.Sin embargo, puede colocar estos sensores en cualquier parte del sistema y, de forma inherente, proporcionan una medición aislada.
Sincronización de voltaje y corriente

La sincronización de voltaje y corriente es el retraso de tiempo que existe para muestrear el voltaje y la corriente entre el monitor del paquete y el monitor de la celda.Estas medidas se utilizan principalmente para calcular el estado de carga y el estado de salud mediante espectroscopia de electroimpedancia.Calcular la impedancia de la celda midiendo el voltaje, la corriente y la potencia a través de la celda permite que el BMS controle la potencia instantánea del automóvil.

El voltaje de la celda, el voltaje del paquete y la corriente del paquete deben sincronizarse en el tiempo para proporcionar las estimaciones más precisas de potencia e impedancia.La toma de muestras dentro de un determinado intervalo de tiempo se denomina intervalo de sincronización.Cuanto menor sea el intervalo de sincronización, más precisa será la estimación de potencia o la estimación de impedancia.El error de los datos no sincronizados es proporcional.Cuanto más precisa sea la estimación del estado de carga, más millas obtendrán los conductores.

Requisitos de sincronización

Los BMS de próxima generación requerirán mediciones sincronizadas de voltaje y corriente en menos de 1 ms, pero existen desafíos para cumplir con este requisito:

Todos los monitores de celda y de manada tienen diferentes fuentes de reloj;por lo tanto, las muestras adquiridas no están inherentemente sincronizadas.
Cada monitor de celda podía medir de seis a 18 celdas;los datos de cada celda tienen una longitud de 16 bits.Hay una gran cantidad de datos que deben transmitirse a través de una interfaz en cadena, lo que podría consumir el presupuesto de tiempo permitido para la sincronización de voltaje y corriente.
Cualquier filtro, como un filtro de voltaje o un filtro de corriente, influye en la ruta de la señal, lo que contribuye a los retrasos de sincronización de voltaje y corriente.
Los monitores de batería BQ79616-Q1, BQ79614-Q1 y BQ79612-Q1 de TI pueden mantener una relación de tiempo emitiendo un comando de inicio de ADC al monitor de celda y al monitor de paquete.Estos monitores de batería de TI también admiten el muestreo ADC retrasado para compensar el retraso de propagación cuando se transmite el comando de inicio ADC a través de la interfaz de conexión en cadena.

Conclusión

Los esfuerzos masivos de electrificación que se están realizando en la industria automotriz están impulsando la necesidad de reducir la complejidad de los BMS mediante la adición de componentes electrónicos en la caja de conexiones, al tiempo que se mejora la seguridad del sistema.Un monitor de paquete puede medir localmente los voltajes antes y después de los relés, la corriente a través del paquete de baterías.Las mejoras de precisión en las mediciones de voltaje y corriente darán como resultado directamente una utilización óptima de una batería.

La sincronización efectiva de voltaje y corriente permite cálculos precisos de espectroscopía de estado de salud, estado de carga y de impedancia eléctrica que darán como resultado una utilización óptima de la batería para extender su vida útil, así como aumentar los rangos de manejo.