उन्नत बैटरी निगरानी, सेल संतुलन और इनपुट/आउटपुट अलगाव प्रौद्योगिकी का उपयोग करके एक प्रबलित बीएमएस कोर का डिजाइन

रिचार्जेबल बैटरी बैटरी एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (बीईएसएस) के मूलभूत घटक हैं। आजकल, अधिक से अधिक विभिन्न रासायनिक प्रणालियों को दर्जनों से मिलकर बैटरी पैक में जोड़ा जाता है,सैकड़ों, या हजारों कोशिकाओं, उच्च वोल्टेज पर अधिक कुशल संचालन प्राप्त करने के लिए।इस डिजाइन संरचना में इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करने में कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, दक्षता, विश्वसनीयता और सुरक्षा।

उदाहरण के लिए, अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने वाले एकीकृत सर्किट (आईसी) के डिजाइन या चयन के लिए बैटरी रसायन विज्ञान, चार्जिंग, निगरानी, भार संतुलन, अलगाव,सुरक्षा, और संचार प्रौद्योगिकियों को प्रभावी कार्यान्वयन सुनिश्चित करने के लिए।

इस उद्देश्य के लिए, आपूर्तिकर्ताओं ने कई आवश्यक कार्यों को समर्पित आईसी में एकीकृत किया है जो अनिवार्य रूप से प्रोसेसर से स्वतंत्र हैं।इस प्रकार के आईसी के कई मॉडल न केवल कई लिथियम आधारित बैटरी रासायनिक प्रणालियों का समर्थन, लेकिन गैर लिथियम बैटरी कोशिकाओं के साथ भी संगत हैं। इस प्रकार का आईसी बैटरी कोशिकाओं से डेटा एकत्र करता है और इष्टतम वास्तविक समय बैटरी प्रबंधन निर्णय और कार्रवाई करता है। इसके अलावा,इन प्रकार के आईसी भी बैटरी सेल की स्थिति और परिचालन स्थिति के बारे में सिस्टम प्रोसेसर के लिए डेटा प्रदान करते हैं.

इस लेख में बहुकोशिकीय समूहों की विशिष्ट तकनीकी आवश्यकताओं का संक्षिप्त परिचय दिया जाएगा।एनालॉग डिवाइसेज के उन्नत विशेष अनुकूलित आईसी पेश करें और उपरोक्त आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए इन आईसी का उपयोग कैसे करें, इस पर विस्तार से चर्चा करें।.

कई बैटरी कोशिकाएं और अधिक चुनौतियां लाएंगी
बैटरी पैक का मूल सर्किट आरेख सरल लग सकता है,लेकिन यह वास्तव में कई बैटरी कोशिकाओं है कि श्रृंखला कनेक्शन के माध्यम से उच्च वोल्टेज और समानांतर कनेक्शन के माध्यम से अधिक वर्तमान प्राप्त शामिलइसका अर्थ यह है कि इस तरह के विन्यास एकल सेल/कुछ सेल बैटरी पैक का एक सरल विस्तार है, जिसके लिए लगभग कोई अतिरिक्त प्रबंधन की आवश्यकता नहीं है।यह बहु सेल बैटरी पैक 18V या 48V की आवश्यकता होती है कि बिजली उपकरण के लिए उपयुक्त है, इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) के लिए जिनकी आवश्यकता 400V या 800V है, और BESS प्रणालियों के लिए जिन्हें आमतौर पर 1500V की आवश्यकता होती है।

इन बड़े बैटरी पैक की वास्तविक स्थिति यह है कि उनके विवरण और जटिलता उनके सर्किट आरेखों में दिखाए गए से कहीं अधिक है।इन चुनौतियों से निपटने की कठिनाई तेजी से बढ़ रही है.

सबसे पहले, बैटरी सेल की निगरानी करना आवश्यक है ताकि इसके टर्मिनल वोल्टेज, चार्ज डिस्चार्ज वक्र, चार्ज स्टेट (SoC), तापमान और दोष अग्रदूत विशेषताओं को ट्रैक किया जा सके।विभिन्न बैटरी कोशिकाओं को समान रूप से प्रबंधित करना और उनके मतभेदों को रिकॉर्ड करना और उन पर विचार करना आवश्यक है.

यदि सार्वभौमिक नियमों का अभाव है, तो यह बैटरी सेल प्रबंधन की जटिलता को और बढ़ाएगा।अपनाई गई प्रबंधन रणनीति की उपयुक्तता बैटरी कोशिकाओं की रासायनिक विशेषताओं पर निर्भर करती हैविभिन्न प्रमुख रासायनिक प्रणालियों (जैसे लिथियम-आयन (Li-ion) और लीड-एसिड बैटरी) के लिए अपनाई गई प्रबंधन रणनीतियाँ भिन्न हैं।और एक ही सामान्यीकृत रासायनिक प्रणाली के भीतर (जैसे विभिन्न लिथियम आयन बैटरी फॉर्मूलेशन)इसलिए, उन्नत बीएमएस प्रबंधन रणनीतियों को प्रबंधित बैटरी कोशिकाओं के रासायनिक विशेषताओं के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए।

उच्च वोल्टेज और उच्च क्षमता वाले बैटरी पैक में मौजूद बड़ी संख्या में बैटरी सेल के कारण, जिन्हें कई सुरक्षा मानकों को पूरा करना चाहिए,स्थानीय बैटरी कोशिकाओं की निगरानी और प्रबंधन वर्तमान में सबसे व्यवहार्य इंजीनियरिंग समाधान हैयद्यपि प्रणाली आमतौर पर एक मुख्य प्रोसेसर से सुसज्जित होती है,यह आमतौर पर केवल स्थानीय सेल निगरानी और बैटरी पैक के समग्र प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए उन्नत नियामक निर्देश जारी कर सकता है. The monitoring and management of a single battery cell is accomplished by an autonomous electronic system that provides real-time functionality and primarily operates without the need for system level processor intervention.

निष्क्रिय और सक्रिय बैटरी संतुलन
कोशिका संतुलन कई कोशिका समूहों की अखंडता बनाए रखने के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, यह सुनिश्चित करने के लिए कि कुछ कोशिकाएं अतिभार के कारण क्षतिग्रस्त न हों,और कम उपयोग के कारण अन्य बैटरी के निष्क्रिय होने से बचने के लिएसेल बैलेंसिंग से सेल और बैटरी पैक को नुकसान से बचा जा सकता है, जिससे प्रदर्शन अधिकतम हो जाता है। सेल बैलेंसिंग यह सुनिश्चित करता है कि बैटरी पैक में सभी सेल एक साथ अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुंचें,अधिक शुल्क लेने से रोकना, SoC असंतुलन, ओवरडिसचार्जिंग, और समय से पहले उम्र बढ़ने, अंततः बैटरी के जीवनकाल का विस्तार।

कोशिका संतुलन के लिए दो तरीके हैंः सक्रिय और निष्क्रिय संतुलन। निष्क्रिय संतुलन की तुलना में सक्रिय संतुलन अधिक सटीक और तेज़ है, लेकिन इसे लागू करना अधिक जटिल है।सक्रिय संतुलन बैटरी पैक में प्रत्येक सेल के बीच चार्ज पुनर्वितरित करने के लिए सक्रिय सर्किट प्रौद्योगिकी का उपयोग करता है, यह सुनिश्चित करता है कि सभी कोशिकाओं का SoC सुसंगत रहे।यह सर्किट प्रत्येक बैटरी सेल के वोल्टेज की निगरानी करता है और निगरानी परिणामों के आधार पर तदनुसार चार्ज और डिस्चार्ज करंट को समायोजित करता है.

इसके विपरीत, निष्क्रिय संतुलन ओम के कानून और संतुलन प्रतिरोधकों पर निर्भर करता है सेल को एक ही SoC स्थिति में समायोजित करने के लिए। कम सटीकता और धीमी गति के अलावा,निष्क्रिय संतुलन भी उच्च बैटरी कोशिकाओं में अतिरिक्त ऊर्जा (अपशिष्ट) को दूर कर सकता है.

मल्टी सेल मॉनिटरिंग से शुरू करना

यद्यपि बाजार में पहले से ही बड़ी संख्या में ईएसएस समाधान हैं, लेकिन बीएमएस के दो मुख्य फ्रंट-एंड कार्य अभी भी बैटरी कोशिकाओं की निगरानी और संतुलन में निहित हैं।ADES1830CCSZ आईसी चित्र 1 में दिखाया गया है, एक 16-चैनल, बहु सेल, बहु रासायनिक प्रणाली बैटरी मॉनिटर के रूप में, न केवल उपरोक्त कार्यों को प्राप्त करता है,लेकिन यह भी कई प्रमुख सुविधाओं को एकीकृत करता है जो समग्र प्रणाली डिजाइन और संचालन को सरल बनाने में मदद करते हैं.

एनालॉग उपकरणों के ADES1830CCSZ सेल मॉनिटर के साथ कई कोशिकाओं और रासायनिक प्रणाली (विस्तार करने के लिए क्लिक करें)
चित्र 1: कई कोशिकाओं और कई रासायनिक प्रणालियों के साथ ADES1830CCSZ सेल मॉनिटर का उपयोग एक व्यापक BMS के लिए बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक के रूप में किया जाता है। (छवि स्रोतः एनालॉग डिवाइस)

यह मल्टी सेल ग्रुप मॉनिटर पूरे तापमान रेंज में कुल माप त्रुटि (टीएमई) 2 एमवी से कम के साथ 16 श्रृंखला से जुड़ी कोशिकाओं को माप सकता है।जबकि अन्य ADES1831CCSZ के TME समान विनिर्देशों के साथ थोड़ा अधिक है, 5 एमवी पर। -2 वी से 5.5 वी तक की माप इनपुट रेंज एडीईएस1830 और एडीईएस1831 को अधिकांश बैटरी रासायनिक सामग्री के लिए उपयुक्त बनाती है।

बड़ी संख्या में कोशिकाओं वाले बैटरी पैक की निगरानी करते समय एकरूपता बनाए रखने के लिए,सभी कोशिकाओं को दोहरे एकीकृत एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (एडीसी) के माध्यम से सिंक रूप से मापा जा सकता हैये एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (एडीसी) 4.096 मेगासैंपल प्रति सेकंड (एमएसपीएस) की उच्च सैंपलिंग दर पर निरंतर काम करते हैं।इस प्रकार बाहरी एनालॉग फिल्टर के उपयोग को कम करने और aliasing मुक्त माप परिणाम प्राप्तयदि आवश्यक हो, तो डाउनस्ट्रीम प्रोग्राम करने योग्य अनंत आवेग प्रतिक्रिया (आईआईआर) फिल्टर के माध्यम से अतिरिक्त शोर में कमी हासिल की जा सकती है।ADES1830 और ADES1831 में भी निष्क्रिय संतुलन कार्य होता है - जो स्वतंत्र पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन (PWM) ड्यूटी साइकिल नियंत्रण के माध्यम से प्राप्त होता है, और प्रति सेल 300 mA तक की डिस्चार्ज करंट का समर्थन करते हैं।

यद्यपि एक एकल ADES1830 या ADES1831 उपकरण केवल 16 कोशिकाओं को श्रृंखला में समर्थन देता है, कई उपकरणों को एक साथ एक लंबी स्ट्रिंग उच्च वोल्टेज बैटरी पैक की कोशिकाओं की निगरानी के लिए कैस्केड किया जा सकता है।आईसी चिप्स के बीच परस्पर संबंध प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक उपकरण एक अलग सीरियल पोर्ट इंटरफ़ेस (isoSPI) से लैस है,जो उपयोगकर्ता द्वारा चयनित कंडेन्सर या ट्रांसफार्मर के माध्यम से विद्युत रूप से अलग है ताकि लंबी दूरी की उच्च गति संचार प्राप्त हो सके जो रेडियो आवृत्ति हस्तक्षेप का विरोध कर सके.

इस विधि के माध्यम से एक एकल मुख्य प्रोसेसर कनेक्शन डेटा पढ़ सकता है और पूरी बैटरी स्ट्रिंग की निगरानी कर सकता है। यह सीरियल पोर्ट लिंक द्विदिशात्मक संचार को सक्षम करता है,संचार पथ की विफलता के मामले में भी डेटा अखंडता सुनिश्चित करना.

इन मल्टी सेल डिटेक्टरों की प्रयोज्यता को अनुकूलित करने के लिए, एनालॉग डिवाइसेज ने EV-ADES1830CCSZ मूल्यांकन बोर्ड (चित्र 2, बाएं) लॉन्च किया है।बैटरी पैक में कोशिकाओं की एक लंबी श्रृंखला की निगरानी के लिए कई मूल्यांकन बोर्डों को isoSPI इंटरफ़ेस के माध्यम से जोड़ा जा सकता है (चित्र 2 के दाईं ओर).