Monitoring jednoho článku nebo malého bateriového bloku s menším počtem článků je mnohem jednodušší než monitoring velkého počtu článků zapojených v sérii. Ve vrstvených či více článkových zapojeních se musí vzít v úvahu měření vysokého napětí, selhání a vyvážení článků a jejich teplotní rozdíly. To vše vyžaduje použití pokročilých integrovaných obvodů pro správu baterií (BMIC) a určité know-how pro spolehlivé řízení.
Tento článek pojednává o základech a problémech správy baterie obecně, a pak se bude věnovat podrobněji správou více článkových baterií. Poté představí pokročilé integrované obvody od Analog Devices, Renesas Electronics Corp a Texas Instruments, které jsou speciálně navrženy pro tuto problematiku.
Bateriové sady s velkým počtem článků představují jedinečnou výzvu
Typické monitorování baterie zahrnuje měření proudu do a z baterie, měření napětí na svorkách, určení kapacity baterie, sledování teplot jednotlivých článků a řízení nabíjecích/vybíjecích cyklů. Běžné integrované obvody pro správu baterií poskytují výše zmíněné funkce pro malé bateriové sady skládající se pouze z jednoho nebo dvou článků s malým napětím.
Zatímco samostatný článek produkuje pouze několik voltů, bateriový blok může být sestaven z desítek nebo stovek článků a dodávat mnoho desítek až stovek voltů. Pro efektivní řízení jsou kritickými parametry článku, svorkové napětí, nabíjecí/vybíjecí proud a teplota. Měření moderních bateriových sad není jednoduché. Každý článek musí být měřen s přesností několika mV a mA a přibližně do jednoho stupně Celsia. Důvody jsou následující:
Určení stavu nabití (SOC – state of charge) a „zdravotního“ stavu baterie (SOH – state of health) za účelem poskytnutí přesných předpovědí zbývající kapacity baterie (doby chodu) a celkové očekávané životnosti baterie.
Poskytování dat potřebných pro vyvažování článků. To znamená vyrovnávání napětí nabitých článků vůči sobě navzájem, navzdory jejich vnitřním rozdílům a také různým umístěním, teplotám a stárnutí. Neprovedení vyvážení článků vede v nejlepším případě ke snížení výkonu baterie a v nejhorším případě k selhání článku. Vyvažování lze dosáhnout pomocí pasivních nebo aktivních technik. Aktivní přístup dosahuje lepších výsledků, ale je mnohem nákladnější a složitější.
Je nutné předcházet mnoha situacím, které mohou poškodit baterii a vést k ohrožení bezpečnosti uživatele. Mezi tyto nebezpečné situace patří:
- Přepětí nebo nabíjení nadměrnými proudy může vést k přehřátí a zničení baterie.
- Podpětí: jediné podpětí nezpůsobí katastrofální poruchu, ale může začít rozpouštět anodový vodič. Následné opakované cykly nadměrného vybíjení mohou vést k lithiovému pokovení v článku a opět k potenciálnímu tepelnému zničení.
- Nadměrná teplota ovlivňuje materiál elektrolytu v článku a snižuje maximální nabití. Nadměrná teplota může také zvýšit tvorbu elektrolytu, a to má za následek zvýšený a nestejnoměrný odpor a ztrátu výkonu.
- Problémem je také nízká teplota, protože může způsobit usazování lithia, a to vede ke ztrátě kapacity.
- Nadproud a výsledné vnitřní zahřívání v důsledku nerovnoměrné vnitřní impedance a případného tepelného úniku může zvýšit vrstvy elektrolytu v baterii a zvýšit tím její odpor.
Změřit napětí malého počtu článků v laboratoři je jednoduchý úkol. Stačí připojit neuzemněný nebo bateriově napájený digitální voltmetr na požadovaný článek (obrázek 1).
Obrázek 1: Měření napětí na jednotlivém článku sériového řetězce je jednoduché a vyžaduje pouze digitální voltmetr. (Zdroj obrázku: Bill Schweber)
Je však mnohem obtížnější změřit napětí článku v elektromobilu, kde je baterie složena z 6720 Li+ článků (obrázek 2).
Obrázek 2: Reálná baterie je složena z několika řad sériově a paralelně zapojených článků. Díky tomu se dosáhne velkého množství energie s vysokým napětím, které komplikují jednotlivá měření (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Každý článek má kapacitu 3,54 Ah, a to vede k celkové kapacitě baterie 100 kWh (3,54 Ah x 4,2 V x 6720 článků). Každá z 96 sériově zapojených řad je tvořena 70 články paralelně. Napětí baterie je 403,2 V (96 řad × 4,2 voltů) s kapacitou 248 Ah (100 kWh/403,2 V nebo 3,54 Ah × 70 „sloupců“ ).
Jakým problémům čelíme při měření?
- Je výzvou dosáhnout potřebného rozlišení a přesnosti měření při tak vysokých hodnotách napětí – až stovek voltů.
- Kvůli vysoké hodnotě celkového napět je nutné galvanicky izolovat články od zbytku systému kvůli bezpečnosti celého systému.
- Elektrický šum a přepětí mohou snadno narušit přesnost měření
- Všechny články uvnitř baterie je nutno změřit ve velmi krátkém časovém úseku (v řádu milisekund), aby se vytvořil přesný celkový obraz o stavu bateriového bloku. V opačném případě může časový posun mezi měřeními vést k nesprávným akcím.
- Velký počet článků znamená, že články musí být přehledně a vhodně uspořádání, aby články bylo možné správně propojit a toto propojení nezvyšovalo zbytečně velikost a hmotnost baterie a navíc, aby jednotlivé články byly přístupné pro servisní zásah.
Je nutné splnit několik požadavků na bezpečnost, redundanci a hlášení chyb. To se ale liší dle typu použití baterie. Požadavky pro průmyslové a elektrické nářadí se velmi liší od požadavků pro elektromobily, kde jsou tyto požadavky nejpřísnější.
V automobilových systémech nesmí ztráta funkčnosti vést k nebezpečné situaci. V případě poruchy v systému se vyžaduje bezpečné zastavení vozidla, vypnutí elektroniky a upozornění řidiče vozidla kontrolkou na palubní desce. U některých systémů však může chybná funkce nebo ztráta funkčnosti potenciálně vést k nebezpečné události a nelze systém jednoduše vypnout. V takových případech může být vyžadována tolerance pro některé typy poruch v systému, aby se předešlo nebezpečným událostem. Tolerance vůči poruchám umožňuje, aby systém déle fungoval s přijatelnou úrovní bezpečnosti. Této problematice se věnuje část normy ISO 26262 „Funkční bezpečnost silničních vozidel“.
Integrované obvody nabízí řešení
Integrované obvody pro správu baterií jsou navrženy tak, aby vyřešily problémy s přesností měření jednoho článku v sériovém řetězci, navzdory vysokému celkovému napětí a drsnému prostředí okolo. Tyto integrované obvody poskytují nejen základní hodnoty, ale také řeší technické problémy s multiplexováním, izolací a časováním. Navíc splňují příslušné bezpečnostní normy a případně vyhovují standardu ASIL-D pro automobilové aplikace, a to je nejvyšší a nejpřísnější úroveň. Úroveň integrity automobilové bezpečnosti (ASIL) je definovaná normou ISO 26262 – Funkční bezpečnost pro silniční vozidla. Jedná se o adaptaci úrovně integrity bezpečnosti (SIL) používané v IEC 61508 pro automobilový průmysl.
Přestože jsou funkce těchto obvodů podobné, do určité míry se liší architekturou, počtem článků které zvládnou spravovat, rychlostí skenování, rozlišením a v neposlední řadě specifickými funkcemi a přístupem k propojení:
- Izolovaná architektura CAN je založena na robustní hvězdicové hierarchii, protože přerušení komunikačního vodiče v architektuře CAN naruší pouze jeden integrovaný obvod, zatímco zbytek baterie zůstává v bezpečí. Architektura CAN však vyžaduje mikroprocesor a CAN rozhraní pro každý integrovaný obvod, a to činí tento přístup nákladnějším a zároveň dosahuje relativně nízké komunikační rychlosti.
- Daisy-chain architektura je nákladově efektivnější, protože komunikace probíhá pomocí přijímače/vysílače (UART), který poskytuje spolehlivou a rychlou konektivitu. Přerušení komunikačního kabelu naruší celý systém, proto se instalují redundantní cesty pro větší spolehlivost.
MAX17843
MAX17843 od Analog Devices je programovatelné 12 kanálové rozhraní pro monitorování baterie s rozsáhlými bezpečnostními funkcemi (obrázek 3). Integrovaný obvod je optimalizován pro automobilové systémy a akumulátorové sady až do 48 V.
Obrázek 3: MAX17843 je 12 kanálové rozhraní pro monitorování baterie, které obsahuje několik bezpečnostních funkcí pro automobilové aplikace. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
MAX17843 obsahuje vysokorychlostní diferenciální sběrnici UART pro robustní sériovou komunikaci, která podporuje až 32 integrovaných obvodů připojených v jediném řetězci (obrázek 4). Rozhraní UART využívá kapacitní galvanické oddělení, které nejen snižuje náklady na kusovník, ale i poruchovost.
Obrázek 4: MAX17843 využívá kapacitní galvanickou izolaci. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Měření se provádí na všech článcích. Rozsah měření v plném rozsahu je od 0 do 5,0 voltů. Běžně se vyžívá rozsah od 0,2 do 4,8 V. Analogově-digitální převodník (ADC) s vysokorychlostní postupnou aproximací (SAR) se používá k digitalizaci naměřeného napětí na jednotlivých článcích ve 14bitovém rozlišení. Všech dvanáct článků lze změřit za méně než 142 μs. MAX17843 měří každou buňku dvakrát. Díky tomu dosahuje přesnosti ±2 mV při +25 °C při napětí 3,6 V.
Pro seznámení se s vlastnostmi tohoto integrovaného obvodu nabízí Analog Devices vývojovou sadu MAX17843EVKIT# s grafickým uživatelským rozhraním (GUI) pro nastavení, konfiguraci a vyhodnocení všech vlastností obvodu.
ISL78714ANZ-T
ISL78714ANZ-T od Renesas dohlíží až na 14 sériově zapojených článků a poskytuje přesné monitorování napětí a teploty článků, vyvažování článků a rozsáhlou diagnostiku systému. V typické konfiguraci komunikuje ISL78714 s hostitelským mikrokontrolerem přes SPI rozhraní, kde lze připojit dalších 29 obvodů ISL78714 (obrázek 5). Toto rozhraní je vysoce flexibilní a může používat kapacitní i transformátorové galvanické oddělení a dosahuje komunikační rychlost až 1 Mbit/s.
Obrázek 5: ISL78714 používá rozhraní SPI k propojení více obvodů. (Zdroj obrázku: Renesas Electronics Corp.)
Přesnost měření je ±2 mV se 14 bitovým rozlišením v rozsahu 1,65 až 4,28 V od 20°C do +85°C. Tento integrovaný obvod nabízí tři režimy pro vyvažování jednotlivých článků. Režim ručního vyvážení, režim časovaného vyvážení a režim automatického vyvážení.
BQ76PL455APFCR a BQ79616PAPRQ1
BQ76PL455APFCR a BQ79616PAPRQ1 jsou integrované obvody od Texas Instruments. BQ76PL455A je schopen monitorovat až 16 článků. S hostitelským mikrokontrolerem komunikuje pomocí rozhraní UART, kde lze připojit až šestnáct BQ76PL455A obvodů. Maximální komunikační rychlost dosahuje až 1 Mbit/s (obrázek 6).
Obrázek 6: Integrovaný obvod BQ76PL455A je schopen monitorovat až 16 článků a pro komunikaci s mikrokontrolerem využívá rozhraní UART s maximální přenosovou rychlostí 1 Mbit/sí. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Měření všech kanálů je provedeno za pouhých 2,4 ms. BQ76PL455A monitoruje a detekuje několik různých poruchových stavů včetně přepětí, podpětí, přehřátí a komunikačních chyb. Integrovaný obvod podporuje pasivní vyvažování buněk pomocí externích n-FET a aktivní vyvažování prostřednictvím externích hradlových ovladačů. Jak již bylo zmíněno, maximální počet článků, které obvod umí monitorovat je 16. Jediným omezením je, že vstupy musí být použity ve vzestupném pořadí. Všechny nepoužité vstupy se musí připojit k nejvýše použitému vstupu VSENSE. To znamená, že pokud připojíme 13 článků tak nejsou použity vstupy VSENSE14, VSENSE15 a VSENSE16 a ty jsou připojeny k pinu VSENSE13 (obrázek 7).
Obrázek 7: BQ76PL455A lze použít s méně než 16 články; ale v takových případech musí být nevyužité vstupy spojeny s nevyšším použitým vstupem VSENSE. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Další integrovaný obvod od Texas Instruments je BQ79616PAPRQ1, který podporuje obousměrnou kruhovou topologii. Ta umožňuje systému pokračovat v monitoringu baterie i při poruše komunikace (obrázek 8).
Obrázek 8: BQ79616PAPRQ1 podporuje obousměrnou kruhovou topologii pro zvýšení spolehlivosti systému v případě přerušení vodiče nebo selhání uzlu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Pokud dojde k poruše, přerušení nebo zkratu mezi dvěma integrovanými obvody, řídicí procesor bude schopen pokračovat v komunikaci se všemi ostatními ASIC přepínáním směru zasílání zpráv dozadu a dopředu. Texas Instruments nabízí vývojovou desku BQ79616EVM pro všechny, kteří chtějí experimentovat s BQ79616PAPRQ1.
LTC6813-1
LTC6813-1 od Analog Devices je integrovaný obvod pro monitoring až 18 sériově zapojených bateriových článků s celkovou chybou měření menší než 2,2 mV. K této přesnosti se využívá integrovaný 16-ti bitový delta-sigma ADC převodník s programovatelným šumovým filtrem (obrázek 9). Všech 18 článků lze změřit za méně než 290 μs a pro snížení šumu lze zvolit nižší rychlost sběru dat.
Obrázek 9: LTC6813-1 je schopen monitorovat až 18 článků a používá 16bitový ADC převodník k dosažení přesnosti 2,2 mV. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)
Více obvodů LTC6813-1 lze zapojit do série, a to umožňuje simultánní monitorování článků vysokonapěťových bateriových řetězců. LTC6813-1 podporuje dva typy sériových portů. Standardní čtyř vodičové SPI a 2 vodičové izolované rozhraní (isoSPI). Neizolovaný čtyřvodičový port je vhodný pro spojení na kratší vzdálenost a některé neautomobilové aplikace (obrázek 10).
Obrázek 10: LTC6813-1 podporuje standardní čtyř vodičové rozhraní SPI pro spojení na kratší vzdálenost a některé neautomobilové aplikace. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)
Izolovaný sériový komunikační port s maximální rychlostí 1 Mbit/s využívá jeden kroucený pár na vzdálenosti až 100 metrů s vysokou odolnosti vůči elektromagnetickému rušení (EMI). Obousměrná schopnost této daisy chain architektury zajišťuje integritu komunikace i v případě poruchy, jako je přerušený vodič v komunikační cestě.
U dvouvodičového typu je galvanické oddělení dosaženo pomocí externího transformátoru se standardními signály SPI kódovanými do diferenciálních pulzů. Síla vysílacího impulsu a prahová úroveň přijímače se nastavují dvěma externími odpory RB1 a RB2 (obrázek 11). Hodnoty rezistorů se volí kompromisem mezi ztrátovým výkonem a odolností vůči rušení.
Obrázek 11: LTC6813-1 nabízí 2vodičové rozhraní s rychlostí 1 Mbit/s, až na vzdálenost 100 m. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)
LTC6813-1 lze napájet přímo z baterie, kterou monitoruje, nebo ze samostatného izolovaného zdroje. Zahrnuje také pasivní vyvažování pro každý článek spolu s individuálním řízením pracovního cyklu pomocí pulzně šířkové modulace PWM.
Závěr
Přesné měření napětí, proudu a teploty jednotlivého článku nebo malého bateriového bloku s pouze několika články je poměrně jednoduchou záležitostí. Aplikovat toto měření v sériovém řetězci a ještě v drsném automobilovém a průmyslovém prostředí se zanedbatelným časovým zkreslením je složitou úlohou. Jak bylo uvedeno v článku, k monitoringu většího počtu článků je možné použít integrované obvody speciálně navržené pro tuto problematiku. Jejich výhodou je galvanická izolace, přesnost a krátký čas měření.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.
