Buck converter for power supply of battery management system IC : concept and design

In the field of electric vehicles (EV), thermal heating in Battery Management System (BMS) ICs has become more and more critical for high number of channels. This thesis is part of the BMS project of Infineon Technologies AG. The purpose of this thesis is to implement a compensation method for a buck-converter, which is the pre-regulator stage for the power supply of the BMS ICs. The aim is to regulate the conversion factor between input and output current. The conversion factors are set to reduce the power consumption and achieve current matching regardless of the number of cells to monitor. Two main approaches have been investigated: voltage-mode compensation and current-mode compensation. Voltage-mode compensation approach has been implemented using the input voltage, divided by the conversion factor, as reference to regulate the output voltage. The following voltage-mode compensation methods have been investigated: I-, PD-, PID-compensator. I-compensator results in a not efficiently integrable solution; PID does not have advantage over the simpler PD solution, since the current error, at most 3.6%, is dominated by parasitics. None of the voltage-mode solution are compatible with the given specifications. Switching frequency or output capacitance must be increased for compatibility. For current-mode approach, two methods have been investigated: ACM with I-compensator with inductor current as reference signal and I2 ACM with input voltage as reference signal. ACM with I-compensator effectively controls the conversion factor between input and output current with a maximum error of 0.1%. Nevertheless, the maximum bandwidth achievable is 3.2kHz, which is below the resonant frequency of the converter. I2 ACM presents comparable error of input and output current conversion to voltage-mode approach, furthermore the solution is compatible with the given specifications. All the investigated solution present issues for minimum number of cells attached, because the output voltage during transient or steady-state goes below the requirements for the output voltage of the buck converter. Therefore, in order to use these solutions the conversion factors should be increased which has negative effect on the power consumption.

Nel settore dei veicoli elettrici (EV), la dissipazione di potenza in Battery Management Systems (BMS) ICs è critica per un numero elevato di canali. Questa tesi fa parte del progetto BMS di Infineon Technologies AG. Lo scopo di questa tesi è implementare un metodo di compensazione per un buck converter, come stadio di preregolazione per l'alimentazione di BMS. Lo scopo è regolare il fattore di conversione tra corrente di ingresso e corrente di uscita. I fattori di conversione sono determinati in modo da ridurre il consumo di potenza e di scaricare le batterie con la stessa corrente indipendentemente dal numero di celle da monitorare. Sono stati studiati due approcci: compensazione in tensione e compensazione in corrente. L'approccio di compensazione in tensione è stato implementato utilizzando la tensione di ingresso, divisa per il fattore di conversione, come riferimento per regolare la tensione di uscita. Sono stati studiati i seguenti metodi di compensazione in tensione: I-, PD-, PID-compensator. I-compensator risulta in una soluzione non efficientemente integrabile; PID non ha vantaggi rispetto alla più semplice soluzione PD, poiché l'errore della conversione della corrente è dominato da parassitismi ed è in entrambi i casi al massimo 3.6%. Nessuna delle soluzioni in tensione è compatibile con le specifiche fornite. La frequenza di commutazione o la capacità di uscita devono essere aumentate. Per l'approccio in corrente, sono stati studiati due metodi: ACM con I-compensator con corrente dell'induttore come segnale di riferimento e I2 ACM con tensione di ingresso come segnale di riferimento. ACM con I-compensator controlla efficacemente il fattore di conversione con un errore massimo di 0.1%. Tuttavia, la massima larghezza di banda ottenibile è 3.2 kHz, che è inferiore alla frequenza di risonanza del convertitore. I2 ACM presenta un errore di conversione comparabile all'approccio in modalità tensione, inoltre la soluzione è compatibile con le specifiche fornite. La tensione di uscita durante il transitorio o in stato stazionario scende al di sotto dei requisiti per la tensione di uscita del convertitore per minimo numero di celle collegate. Pertanto, si dovrebbe aumentare i fattori di conversione, il che ha un effetto negativo sul consumo di energia.