Pengantar Sistem Manajemen Baterai
Pelajari dasar-dasar tingkat tinggi tentang peran sistem manajemen baterai (BMS) dalam desain daya dan komponen apa yang diperlukan untuk fungsi dasarnya.
Saat ini, baterai Li-ion mendominasi, dengan kepadatan energi hingga 265 Wh/kg. Mereka, bagaimanapun, memiliki reputasi kadang-kadang meledak dan membakar semua energi itu jika mereka mengalami stres yang berlebihan. Inilah sebabnya mengapa mereka sering membutuhkan sistem manajemen baterai (BMS) agar tetap terkendali.
Dalam artikel ini, kita akan membahas dasar-dasar konsep BMS dan membahas beberapa bagian dasar yang membentuk BMS biasa.
Konfigurasi BMS Dasar
Pada Gambar 1, kita melihat blok dasar bagaimana BMS dapat terlihat saat melayani fungsi mencegah malfungsi baterai utama.
Gambar 1. Diagram blok BMS yang khas
Contoh BMS ini dapat menangani empat sel Li-ion secara seri. Monitor sel membaca semua voltase sel dan menyamakan voltase di antaranya:fungsi ini disebut penyeimbangan (lebih lanjut nanti). Ini dikendalikan oleh MCU yang menangani data telemetri, serta manipulasi sakelar dan strategi penyeimbangan.
Dalam praktiknya, pasar menawarkan solusi berbeda untuk desain yang lebih sederhana, termasuk untuk sel tunggal tanpa penyeimbang atau MCU, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Manajer baterai sederhana. Gambar digunakan atas izin Texas Instruments
Kelemahan dari sistem yang lebih sederhana ini adalah bahwa seorang desainer terikat pada apa yang ditawarkan bagian tertentu (misalnya, sakelar samping tinggi atau rendah) tanpa penyesuaian.
Saat menggunakan lebih banyak sel, diperlukan sistem penyeimbang. Skema sederhana yang masih berfungsi tanpa MCU ada, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Penyeimbang sel independen MCU. Gambar digunakan atas izin Texas Instruments
Saat menggunakan paket baterai yang lebih besar atau apa pun yang memerlukan sel secara seri atau perhitungan pengukur bahan bakar, MCU diperlukan. Solusi yang paling terintegrasi (dan karenanya berbiaya rendah) adalah yang ada di Gambar 4.
Gambar 4. BMS komersial. Gambar digunakan atas izin Renesas
Ini adalah BMS yang menggunakan MCU dengan firmware berpemilik yang menjalankan semua fungsi terkait baterai terkait.
Blok Bangunan:Komponen Sistem Manajemen Baterai
Lihat kembali Gambar 1 untuk mendapatkan gambaran umum tentang bagian-bagian mendasar yang penting bagi BMS. Sekarang, mari kita lihat bagian utama Gambar 4 sedikit lebih detail untuk memahami berbagai elemen yang terlibat dalam diagram blok BMS.
Sekering
Ketika terjadi korsleting yang hebat, sel-sel baterai perlu dilindungi dengan cepat. Pada Gambar 5, Anda dapat melihat apa yang dikenal sebagai sekering self control protector (SCP), yang berarti diputus oleh IC kontrol tegangan lebih jika terjadi tegangan lebih, mendorong pin 2 ke ground.
Gambar 5. Sekering SCP dan kontrol BMS komersial
MCU dapat mengomunikasikan kondisi sekring yang putus, oleh karena itu catu daya MCU harus berada sebelum sekring.
Penginderaan Arus/Penghitungan Coulomb
Di sini diterapkan pengukuran arus sisi rendah, yang memungkinkan koneksi langsung ke MCU.
Gambar 6. Rasa rendah saat ini dari BMS komersial
Menjaga referensi waktu dan mengintegrasikan arus dari waktu ke waktu, kami memperoleh energi total yang masuk atau keluar baterai, menerapkan penghitung Coulomb. Dengan kata lain, kita dapat memperkirakan status pengisian (SOC, jangan dikelirukan dengan system-on-chip) dengan menggunakan rumus berikut:
dimana
- $$SOC(t_0)$$ adalah SOC awal (dalam Ah)
- $$C_{rated}$$ adalah kapasitas terukur (dalam Ah)
- $$I_b$$ adalah arus baterai
- $$I_{loss}$$ memperhitungkan kerugian reaksi sel
- τ adalah periode rata-rata sampel arus listrik
Termistor
Sensor suhu, biasanya termistor, digunakan baik untuk monitor suhu maupun untuk intervensi keselamatan.
Pada Gambar 7, Anda dapat melihat termistor yang mengontrol input IC kontrol tegangan lebih. Ini secara artifisial meniup SCP (sekring yang ditunjukkan pada Gambar 5) tanpa intervensi MCU.
Gambar 7. Termistor dapat mengontrol SCP, jika terjadi masalah termal yang parah
Gambar 8 menunjukkan dua termistor tambahan untuk telemetri.
Gambar 8. Termistor yang digunakan oleh firmware
Saklar Utama
Untuk bertindak sebagai sakelar, MOSFET membutuhkan tegangan sumber pembuangannya menjadi $$V_{ds} \leq V_{gs} - V_{th}$$. Arus listrik pada daerah linier adalah $$I_d =k \cdot (V_{gs} - V_{th}) \cdot V_{ds}$$, menjadikan hambatan sakelar $$R_{MOS} =1 / [k \cdot (V_{gs} - V_{th})]$$.
Sangat penting untuk mengarahkan $$V_{gs}$$ sesuai untuk memastikan resistensi yang rendah dan karenanya kerugian yang rendah.
Gambar 9. Sakelar utama paket baterai (NMOS, sisi atas)
Jenis NMOS juga digunakan pada sakelar sisi tinggi melalui pompa pengisian, karena biasanya memiliki $$R_{MOS}$$ yang lebih rendah.
Penyeimbang
Sel baterai telah memberikan toleransi dalam kapasitas dan impedansinya. Jadi, selama siklus, perbedaan muatan dapat terakumulasi di antara sel-sel secara seri.
Jika sekumpulan sel yang lebih lemah memiliki kapasitas yang lebih kecil, ia akan mengisi daya lebih cepat dibandingkan dengan sel lainnya secara seri. Oleh karena itu, BMS harus menghentikan pengisian sel lain, atau sel yang lebih lemah akan diisi daya secara berlebihan, seperti yang terlihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Sel berkapasitas lebih rendah menghambat pengisian penuh paket. Gambar yang digunakan atas izin Perangkat Analog
Sebaliknya, sel dapat dikosongkan lebih cepat, mempertaruhkan sel yang berada di bawah tegangan minimumnya. Dalam hal ini, BMS tanpa penyeimbang harus menghentikan pengiriman daya lebih awal, seperti yang terlihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Sel berkapasitas lebih rendah menghambat penggunaan energi paket penuh. Gambar yang digunakan atas izin Perangkat Analog
Sirkuit seperti pada Gambar 12 akan melepaskan sel dengan SOC (status pengisian) yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10 pada tingkat sel lain secara seri. Hal ini dicapai dengan menggunakan metode pasif penyeimbangan yang disebut shunting muatan.
Gambar 12. Contoh strategi keseimbangan pasif
Karena arus mengalir melalui transistor dalam keadaan ON dan menghilang melalui R, dan karena referensi tegangannya adalah CELL1 (kutub negatif), hanya sel seperti itu yang akan melepaskan kelebihan energinya.
Artikel ini bertujuan untuk memperkenalkan konsep dasar sistem manajemen baterai dan memperkenalkan komponen dasar yang digunakan dalam desainnya. Mudah-mudahan, Anda sekarang memiliki pemahaman yang lebih baik tentang apa yang dimaksudkan untuk dicapai oleh sistem manajemen baterai dan bagaimana hal itu dapat digunakan dalam desain daya.
Jika Anda memiliki konsep tambahan yang ingin Anda pelajari lebih lanjut tentang desain BMS, silakan tinggalkan komentar di bawah.
