Baterai isi ulang adalah komponen dasar Sistem Penyimpanan Energi Baterai (BESS). Saat ini, semakin banyak sistem kimia berbeda yang digabungkan ke dalam paket baterai yang terdiri dari lusinan, ratusan, atau bahkan ribuan sel, sehingga menghasilkan pengoperasian yang lebih efisien pada voltase lebih tinggi. Bagi perancang sistem manajemen baterai (BMS), struktur desain ini menghadapi banyak tantangan dalam mencapai kinerja, efisiensi, keandalan, dan keamanan yang optimal.
Misalnya, merancang atau memilih sirkuit terpadu (IC) yang memenuhi persyaratan aplikasi memerlukan pemahaman mendalam tentang kimia baterai, pengisian daya, pemantauan, penyeimbangan beban, isolasi, keselamatan, dan teknologi komunikasi untuk memastikan penerapan yang efisien.
Untuk mencapai tujuan ini, pemasok telah mengintegrasikan banyak fungsi yang diperlukan ke dalam IC khusus yang pada dasarnya tidak bergantung pada prosesor. Banyak model IC jenis ini tidak hanya mendukung beberapa sistem kimia baterai berbasis litium, namun juga kompatibel dengan sel baterai non litium. Jenis IC ini mengumpulkan data dari sel baterai dan membuat keputusan dan tindakan manajemen baterai secara real-time yang optimal. Selain itu, IC jenis ini juga memberikan data ke prosesor sistem mengenai status sel baterai dan status operasional.
Artikel ini akan memperkenalkan secara singkat persyaratan teknis unik dari kelompok multi sel. Kemudian, perkenalkan IC canggih khusus yang dioptimalkan dari Perangkat Analog dan jelaskan cara menggunakan IC ini untuk memenuhi persyaratan di atas.
Banyak sel baterai akan membawa lebih banyak tantangan
Diagram rangkaian dasar paket baterai mungkin tampak sederhana, namun sebenarnya mencakup beberapa sel baterai yang memperoleh tegangan lebih tinggi melalui sambungan seri dan arus lebih besar melalui sambungan paralel. Artinya, konfigurasi tersebut hanyalah perpanjangan sederhana dari paket baterai sel tunggal/beberapa sel, sehingga hampir tidak memerlukan pengelolaan tambahan. Paket baterai multi sel ini cocok untuk peralatan listrik yang memerlukan 18V atau 48V, kendaraan listrik (EV) yang memerlukan 400V atau 800V, dan sistem BESS yang biasanya memerlukan 1500V.
Situasi sebenarnya dari paket baterai yang lebih besar ini adalah detail dan kompleksitasnya jauh melebihi apa yang ditunjukkan dalam diagram sirkuitnya. Seiring dengan meningkatnya jumlah sel dan baterai, kesulitan dalam mengatasi tantangan ini meningkat secara eksponensial.
Pertama, sel baterai perlu dipantau untuk melacak tegangan terminalnya, kurva pelepasan muatan, status pengisian daya (SoC), suhu, dan karakteristik prekursor kesalahan. Selain itu, perlu untuk mengelola sel baterai yang berbeda secara seragam dan mencatat serta mempertimbangkan perbedaannya.
Jika seperangkat aturan universal tidak ada, hal ini akan semakin meningkatkan kompleksitas pengelolaan sel baterai. Selain itu, kesesuaian strategi pengelolaan yang diterapkan bergantung pada karakteristik kimia sel baterai. Strategi pengelolaan yang diterapkan untuk berbagai sistem kimia utama berbeda (seperti baterai lithium-ion (Li ion) dan baterai timbal-asam), dan dalam sistem kimia umum yang sama (seperti berbagai formulasi baterai Li ion), strategi pengelolaan yang digunakan juga berbeda. Oleh karena itu, strategi pengelolaan BMS tingkat lanjut harus disesuaikan dengan karakteristik kimia sel baterai yang dikelola.
Karena banyaknya sel baterai yang terkandung dalam paket baterai bertegangan tinggi dan berkapasitas tinggi, yang harus memenuhi berbagai standar keselamatan, pemantauan dan pengelolaan sel baterai lokal saat ini merupakan solusi rekayasa yang paling layak. Meskipun sistem ini biasanya dilengkapi dengan prosesor utama, sistem ini biasanya hanya dapat mengeluarkan instruksi pengaturan lanjutan untuk pemantauan sel lokal dan mengevaluasi kinerja keseluruhan baterai. Pemantauan dan pengelolaan satu sel baterai dilakukan oleh sistem elektronik otonom yang menyediakan fungsionalitas waktu nyata dan terutama beroperasi tanpa memerlukan intervensi prosesor tingkat sistem.
Penyeimbangan baterai pasif dan aktif
Keseimbangan sel sangat penting untuk menjaga integritas beberapa kelompok sel, memastikan bahwa beberapa sel tidak rusak karena kelebihan beban, dan menghindari baterai lain menganggur karena penggunaan yang rendah. Penyeimbangan sel dapat mencegah kerusakan sel dan paket baterai, sehingga memaksimalkan kinerja. Penyeimbangan sel memastikan bahwa semua sel dalam paket baterai mencapai kapasitas maksimumnya secara bersamaan, mencegah pengisian daya yang berlebihan, ketidakseimbangan SoC, pengosongan daya yang berlebihan, dan penuaan dini, yang pada akhirnya memperpanjang masa pakai baterai.
Ada dua metode untuk penyeimbangan sel: penyeimbangan aktif dan pasif. Pemerataan aktif lebih akurat dan cepat dibandingkan pemerataan pasif, namun penerapannya lebih rumit. Penyeimbangan aktif menggunakan teknologi sirkuit aktif untuk mendistribusikan ulang muatan antara setiap sel dalam baterai, memastikan SoC semua sel tetap konsisten. Rangkaian ini memonitor tegangan setiap sel baterai dan mengatur arus pengisian dan pengosongan berdasarkan hasil pemantauan.
Sebaliknya, penyeimbangan pasif bergantung pada hukum Ohm dan resistor penyeimbang untuk menyesuaikan sel ke keadaan SoC yang sama. Selain akurasi yang rendah dan kecepatan yang lambat, penyeimbangan pasif juga dapat membuang (membuang) energi berlebih pada sel baterai yang tinggi.
Mulai dari pemantauan multi sel
Meskipun sudah ada sejumlah besar solusi ESS di pasaran, dua fungsi inti front-end BMS masih terletak pada pemantauan dan penyeimbangan sel baterai. IC ADES1830CCSZ yang ditunjukkan pada Gambar 1, sebagai monitor baterai sistem multi-kimia 16 saluran, multi sel, tidak hanya mencapai fungsi di atas, tetapi juga mengintegrasikan banyak fitur utama yang membantu menyederhanakan desain dan pengoperasian sistem secara keseluruhan.
Monitor Sel ADES1830CCSZ Perangkat Analog dengan Banyak Sel dan Sistem Kimia (Klik untuk Memperbesar)
Gambar 1: Monitor sel ADES1830CCSZ dengan banyak sel dan beberapa sistem kimia digunakan sebagai bahan penyusun dasar untuk BMS yang komprehensif. (Sumber gambar: Perangkat Analog)
Monitor kelompok multi sel ini dapat mengukur hingga 16 sel yang terhubung secara seri, dengan kesalahan pengukuran total (TME) kurang dari 2 mV di seluruh rentang suhu; sedangkan TME ADES1831CCSZ lainnya dengan spesifikasi yang sama sedikit lebih tinggi, yaitu 5 mV. Rentang input pengukuran -2 V hingga 5,5 V menjadikan ADES1830 dan ADES1831 cocok untuk sebagian besar bahan kimia baterai.
Untuk menjaga konsistensi saat memantau paket baterai yang berisi sel dalam jumlah besar, semua sel dapat diukur secara berlebihan secara serempak melalui konverter analog-ke-digital (ADC) ganda yang terintegrasi. Konverter analog-ke-digital (ADC) ini beroperasi terus-menerus pada tingkat pengambilan sampel yang tinggi yaitu 4,096 megasampel per detik (MSPS), sehingga mengurangi penggunaan filter analog eksternal dan mencapai hasil pengukuran bebas aliasing. Jika perlu, pengurangan kebisingan tambahan dapat dicapai melalui filter respons impuls tak terbatas (IIR) yang dapat diprogram di hilir. ADES1830 dan ADES1831 juga memiliki fungsi penyeimbangan pasif - dicapai melalui kontrol siklus kerja modulasi lebar pulsa independen (PWM), dan mendukung arus pelepasan hingga 300 mA per sel.
Meskipun satu perangkat ADES1830 atau ADES1831 hanya mendukung 16 sel secara seri, beberapa perangkat dapat dihubungkan untuk memantau sel-sel baterai tegangan tinggi rangkaian panjang secara bersamaan. Untuk mencapai interkoneksi antar chip IC, setiap perangkat dilengkapi dengan antarmuka port serial terisolasi (isoSPI), yang diisolasi secara elektrik melalui kapasitor atau transformator pilihan pengguna untuk mencapai komunikasi jarak jauh berkecepatan tinggi yang dapat menahan interferensi frekuensi radio.
Melalui metode ini, satu koneksi prosesor utama dapat membaca data dan memantau seluruh rangkaian baterai. Tautan port serial ini memungkinkan komunikasi dua arah, memastikan integritas data bahkan jika terjadi kegagalan jalur komunikasi.
Untuk mengoptimalkan penerapan detektor multi sel ini, Perangkat Analog telah meluncurkan papan evaluasi EV-ADES1830CCSZ (Gambar 2, kiri). Agar lebih mendekati kenyataan, beberapa papan evaluasi dapat dihubungkan melalui antarmuka isoSPI untuk memantau rangkaian sel yang panjang dalam paket baterai (di sisi kanan Gambar 2).