แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ทุกวันนี้ ระบบเคมีที่แตกต่างกันมากขึ้นถูกรวมเข้าไว้ในชุดแบตเตอรี่ที่ประกอบด้วยเซลล์หลายสิบ หลายร้อยหรือหลายพันเซลล์ ทำให้การทำงานมีประสิทธิภาพมากขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น สำหรับนักออกแบบระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) โครงสร้างการออกแบบนี้เผชิญกับความท้าทายมากมายในการบรรลุประสิทธิภาพ ประสิทธิผล ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยที่เหมาะสมที่สุด
ตัวอย่างเช่น การออกแบบหรือการเลือกวงจรรวม (IC) ที่ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานจำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับเคมีของแบตเตอรี่ การชาร์จ การตรวจสอบ การปรับสมดุลโหลด การแยก ความปลอดภัย และเทคโนโลยีการสื่อสาร เพื่อให้มั่นใจถึงการใช้งานที่มีประสิทธิภาพ
ด้วยเหตุนี้ ซัพพลายเออร์จึงได้รวมฟังก์ชันที่จำเป็นมากมายเข้ากับไอซีเฉพาะซึ่งโดยพื้นฐานแล้วไม่ขึ้นอยู่กับโปรเซสเซอร์ IC ประเภทนี้หลายรุ่นไม่เพียงแต่รองรับระบบเคมีของแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมหลายระบบเท่านั้น แต่ยังเข้ากันได้กับเซลล์ที่ไม่ใช่แบตเตอรี่ลิเธียมอีกด้วย IC ประเภทนี้รวบรวมข้อมูลจากเซลล์แบตเตอรี่และตัดสินใจและดำเนินการการจัดการแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์อย่างเหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ IC ประเภทเหล่านี้ยังให้ข้อมูลแก่โปรเซสเซอร์ระบบเกี่ยวกับสถานะเซลล์แบตเตอรี่และสถานะการทำงานอีกด้วย
บทความนี้จะแนะนำข้อกำหนดทางเทคนิคเฉพาะของกลุ่มหลายเซลล์โดยย่อ จากนั้น แนะนำ IC ที่ได้รับการปรับแต่งเฉพาะทางขั้นสูงของ Analog Devices และอธิบายวิธีใช้ IC เหล่านี้อย่างละเอียดเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดข้างต้น
เซลล์แบตเตอรี่หลายเซลล์จะนำมาซึ่งความท้าทายที่มากขึ้น
แผนภาพวงจรพื้นฐานของชุดแบตเตอรี่อาจดูเรียบง่าย แต่จริงๆ แล้วประกอบด้วยเซลล์แบตเตอรี่หลายเซลล์ที่ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าผ่านการเชื่อมต่อแบบอนุกรม และกระแสไฟฟ้าที่มากขึ้นผ่านการเชื่อมต่อแบบขนาน ซึ่งหมายความว่าการกำหนดค่าดังกล่าวเป็นเพียงส่วนขยายง่ายๆ ของชุดแบตเตอรี่เซลล์เดียว/ไม่กี่เซลล์ โดยแทบจะไม่ต้องมีการจัดการเพิ่มเติมเลย ชุดแบตเตอรี่หลายเซลล์นี้เหมาะสำหรับเครื่องมือไฟฟ้าที่ต้องใช้ไฟ 18V หรือ 48V, ยานพาหนะไฟฟ้า (EV) ที่ต้องใช้ไฟ 400V หรือ 800V และระบบ BESS ที่โดยทั่วไปต้องใช้ไฟ 1500V
สถานการณ์จริงของชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่เหล่านี้คือรายละเอียดและความซับซ้อนเกินกว่าที่แสดงในแผนภาพวงจรมาก เมื่อจำนวนเซลล์และแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น ความยากลำบากในการจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ก็เพิ่มขึ้นทวีคูณ
ประการแรก จำเป็นต้องตรวจสอบเซลล์แบตเตอรี่เพื่อติดตามแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อ เส้นโค้งการคายประจุ สถานะการชาร์จ (SoC) อุณหภูมิ และคุณลักษณะสารตั้งต้นของความผิดปกติ นอกจากนี้ จำเป็นต้องจัดการเซลล์แบตเตอรี่ที่แตกต่างกันอย่างสม่ำเสมอ รวมถึงบันทึกและพิจารณาความแตกต่าง
หากไม่มีชุดกฎสากล การจัดการเซลล์แบตเตอรี่ก็จะยิ่งซับซ้อนมากขึ้น นอกจากนี้ ความเหมาะสมของกลยุทธ์การจัดการที่นำมาใช้ยังขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของเซลล์แบตเตอรี่ด้วย กลยุทธ์การจัดการที่นำมาใช้สำหรับระบบเคมีหลักต่างๆ จะแตกต่างกัน (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li ion) และแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด) และภายในระบบเคมีทั่วไปเดียวกัน (เช่น สูตรแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต่างๆ) กลยุทธ์การจัดการที่ใช้ก็แตกต่างกันเช่นกัน ดังนั้นจึงต้องปรับแต่งกลยุทธ์การจัดการ BMS ขั้นสูงให้เหมาะกับลักษณะทางเคมีของเซลล์แบตเตอรี่ที่ได้รับการจัดการ
เนื่องจากมีเซลล์แบตเตอรี่จำนวนมากอยู่ในชุดแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูงและความจุสูง ซึ่งต้องเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยหลายประการ การตรวจสอบและการจัดการเซลล์แบตเตอรี่ในตัวเครื่องจึงเป็นโซลูชันทางวิศวกรรมที่เป็นไปได้มากที่สุดในปัจจุบัน แม้ว่าโดยปกติระบบจะติดตั้งโปรเซสเซอร์หลัก แต่โดยปกติแล้วจะออกคำแนะนำด้านกฎระเบียบขั้นสูงสำหรับการตรวจสอบเซลล์ในพื้นที่เท่านั้น และประเมินประสิทธิภาพโดยรวมของชุดแบตเตอรี่ การตรวจสอบและการจัดการเซลล์แบตเตอรี่เซลล์เดียวทำได้โดยระบบอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติที่ให้ฟังก์ชันการทำงานแบบเรียลไทม์และทำงานหลักโดยไม่จำเป็นต้องการแทรกแซงโปรเซสเซอร์ระดับระบบ
การปรับสมดุลแบตเตอรี่แบบพาสซีฟและแอคทีฟ
ความสมดุลของเซลล์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความสมบูรณ์ของกลุ่มเซลล์หลายกลุ่ม เพื่อให้มั่นใจว่าเซลล์บางเซลล์จะไม่ได้รับความเสียหายเนื่องจากการโอเวอร์โหลด และหลีกเลี่ยงไม่ให้แบตเตอรี่อื่นๆ ไม่ได้ใช้งานเนื่องจากการใช้งานต่ำ การปรับสมดุลเซลล์สามารถป้องกันความเสียหายต่อเซลล์และชุดแบตเตอรี่ จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด การปรับสมดุลของเซลล์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเซลล์ทั้งหมดในชุดแบตเตอรี่จะมีความจุสูงสุดพร้อมกัน ป้องกันการชาร์จไฟเกิน ความไม่สมดุลของ SoC การคายประจุมากเกินไป และการเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควร ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ในที่สุด
การปรับสมดุลเซลล์มีสองวิธี: การปรับสมดุลแบบแอคทีฟและพาสซีฟ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟมีความแม่นยำและเร็วกว่าการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ แต่การใช้งานจะซับซ้อนกว่า การปรับสมดุลแบบแอคทีฟใช้เทคโนโลยีวงจรแบบแอคทีฟเพื่อกระจายประจุระหว่างแต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ เพื่อให้มั่นใจว่า SoC ของเซลล์ทั้งหมดยังคงสม่ำเสมอ วงจรนี้จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์แบตเตอรี่และปรับกระแสการชาร์จและการคายประจุตามผลการตรวจสอบ
ในทางตรงกันข้าม การปรับสมดุลแบบพาสซีฟอาศัยกฎของโอห์มและตัวต้านทานแบบปรับสมดุลเพื่อปรับเซลล์ให้มีสถานะ SoC เดียวกัน นอกจากความแม่นยำต่ำและความเร็วที่ช้าแล้ว การปรับสมดุลแบบพาสซีฟยังช่วยกระจาย (สิ้นเปลือง) พลังงานส่วนเกินในเซลล์แบตเตอรี่ที่มีปริมาณสูงอีกด้วย
เริ่มต้นจากการตรวจสอบหลายเซลล์
แม้ว่าจะมีโซลูชัน ESS จำนวนมากอยู่แล้วในตลาด แต่ฟังก์ชันส่วนหน้าหลักสองฟังก์ชันของ BMS ยังคงอยู่ที่การตรวจสอบและปรับสมดุลของเซลล์แบตเตอรี่ IC ADES1830CCSZ ที่แสดงในรูปที่ 1 เป็นเครื่องตรวจสอบแบตเตอรี่ระบบหลายเซลล์และเคมีหลายช่อง 16 ช่อง ไม่เพียงแต่บรรลุฟังก์ชันข้างต้นเท่านั้น แต่ยังรวมคุณสมบัติหลักมากมายที่ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบและการทำงานของระบบโดยรวม
เครื่องตรวจสอบเซลล์ ADES1830CCSZ ของอุปกรณ์อะนาล็อกพร้อมหลายเซลล์และระบบเคมี (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 1: เครื่องตรวจสอบเซลล์ ADES1830CCSZ ที่มีเซลล์หลายเซลล์และระบบเคมีหลายระบบถูกใช้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับ BMS ที่ครอบคลุม (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์อะนาล็อก)
เครื่องตรวจสอบกลุ่มหลายเซลล์นี้สามารถวัดเซลล์ที่เชื่อมต่อกันได้ถึง 16 ซีรี่ส์ โดยมีข้อผิดพลาดในการวัดรวม (TME) น้อยกว่า 2 mV ตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมด ในขณะที่ TME ของ ADES1831CCSZ อื่นๆ ที่มีสเปคเดียวกันจะสูงกว่าเล็กน้อยที่ 5 mV ช่วงอินพุตการวัดที่ -2 V ถึง 5.5 V ทำให้ ADES1830 และ ADES1831 เหมาะสำหรับวัสดุเคมีแบตเตอรี่ส่วนใหญ่
เพื่อรักษาความสม่ำเสมอในการตรวจสอบชุดแบตเตอรี่ที่มีเซลล์จำนวนมาก เซลล์ทั้งหมดสามารถวัดซ้ำซ้อนพร้อมกันผ่านตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ในตัวแบบคู่ ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) เหล่านี้ทำงานอย่างต่อเนื่องที่อัตราการสุ่มตัวอย่างสูงถึง 4.096 เมกะตัวอย่างต่อวินาที (MSPS) ซึ่งช่วยลดการใช้ตัวกรองแอนะล็อกภายนอกและให้ผลลัพธ์การวัดแบบไร้นามแฝง หากจำเป็น การลดสัญญาณรบกวนเพิ่มเติมสามารถทำได้ผ่านตัวกรอง IIR (IIR) ที่ตั้งโปรแกรมได้แบบดาวน์สตรีม นอกจากนี้ ADES1830 และ ADES1831 ยังมีฟังก์ชันการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ซึ่งทำได้ผ่านการควบคุมวงจรการทำงานแบบพัลส์ไวด์มอดูเลชั่น (PWM) อิสระ และรองรับกระแสคายประจุสูงสุด 300 mA ต่อเซลล์
แม้ว่าอุปกรณ์ ADES1830 หรือ ADES1831 เครื่องเดียวจะรองรับเซลล์ 16 เซลล์ในซีรีส์เท่านั้น แต่อุปกรณ์หลายตัวสามารถต่อเรียงกันเพื่อตรวจสอบเซลล์ของชุดแบตเตอรี่แรงดันสูงแบบสายยาวพร้อมกันได้ เพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างชิป IC อุปกรณ์แต่ละตัวจึงมีอินเทอร์เฟซพอร์ตอนุกรมแบบแยก (isoSPI) ซึ่งได้รับการแยกทางไฟฟ้าผ่านตัวเก็บประจุหรือหม้อแปลงที่ผู้ใช้เลือก เพื่อให้ได้การสื่อสารความเร็วสูงทางไกลที่สามารถต้านทานการรบกวนความถี่วิทยุได้
ด้วยวิธีการนี้ การเชื่อมต่อโปรเซสเซอร์หลักเพียงตัวเดียวจึงสามารถอ่านข้อมูลและตรวจสอบสายแบตเตอรี่ทั้งหมดได้ การเชื่อมต่อพอร์ตอนุกรมนี้ช่วยให้สามารถสื่อสารแบบสองทิศทางได้ ทำให้มั่นใจในความสมบูรณ์ของข้อมูล แม้ในกรณีที่เส้นทางการสื่อสารล้มเหลว
เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานเครื่องตรวจจับหลายเซลล์เหล่านี้ Analog Devices จึงได้เปิดตัวบอร์ดประเมินผล EV-ADES1830CCSZ (รูปที่ 2 ซ้าย) เพื่อให้ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากขึ้น สามารถเชื่อมต่อบอร์ดประเมินผลหลายชุดผ่านอินเทอร์เฟซ isoSPI เพื่อตรวจสอบเซลล์ชุดยาวในชุดแบตเตอรี่ (ทางด้านขวาของรูปที่ 2)