Proč a jak používat integrované obvody správy baterií pro články ve svazcích

Nabíjecí baterie se stále častěji používají k poskytování vyššího napětí a většího výkonu v aplikacích, jako jsou elektrická vozidla (EV) a hybridní elektrická vozidla (HEV), elektrické nářadí, zahradní technika a zdroje nepřerušeného napájení. I když je dobře známo, že chemie všeho druhu vyžaduje pečlivé monitorování a řízení, aby byl zajištěn účinný, spolehlivý a bezpečný provoz, sériově zapojené svazky mnoha desítek článků nebo více, které jsou vyžadovány pro splnění energetických nároků těchto zařízení, vyžadují od konstruktérů více pozornosti, a to zejména s rostoucím počtem článků na baterii.

Monitorování a měření jednoho článku nebo malého bateriového bloku s několika články je malou výzvou a je mnohem jednodušší než dělat totéž pro články vícečlánkového sériového řetězce. Konstruktéři svazkových vícečlánkových implementací musí vzít v úvahu problémy, jako je provádění měření navzdory vysokému souhlasnému napětí, přítomnost nebezpečných napětí, důsledky selhání jednoho článku, multiplexování přes velký počet článků, nesoulad a vyvážení článků a teplotní spád bateriového svazku, abychom uvedli alespoň některé. Tyto problémy vyžadují pokročilé integrované obvody správy baterií (BMIC) a systémy správy baterií (BMS) k provádění parametrického měření a řízení a určité technické know-how, aby je bylo možné správně používat.

V tomto článku se pojednává o základech a problémech správy baterií obecně, a zejména s ohledem na vícečlánkové baterie. Poté je zde představeno a ukázáno, jak používat BMIC od společností Analog Devices, Renesas Electronics Corp a Texas Instruments, které jsou speciálně navrženy pro jedinečné problémy správy sériově zapojených řetězců článků.

Sériové řetězce baterií představují jedinečné výzvy

Typické monitorování baterie zahrnuje měření proudu do a z baterie (měření paliva), monitorování napětí na svorkách, hodnocení kapacity baterie, monitorování teplot článků a řízení cyklů nabíjení/vybíjení s cílem optimalizovat skladování energie a maximalizovat počet takových cyklů v průběhu životnosti baterie. Široce používané BMIC nebo BMS poskytují tyto funkce pro malé bateriové sady skládající se pouze z jednoho nebo dvou článků s napětím v řádu jednotek. BMIC nebo BMS funguje jako front-end pro sběr dat a jejich data jsou hlášena do řídicí jednotky správy článků (CMC). Ve složitějších systémech se CMC připojuje k funkci vyššího řádu nazývané řídicí jednotka správy baterií (BMC).

Pro účely tohoto článku je „článek“ jedna jednotka skladování energie, zatímco „baterie“ je celý napájecí blok, který obsahuje více článků v sériové nebo paralelní kombinaci. Zatímco jeden článek produkuje pouze několik voltů, bateriový blok může být sestaven z desítek nebo více článků a může dodávat mnoho desítek voltů, kombinace bateriových bloků pak ještě více.

Pro efektivní řízení jsou kritickými parametry článku, které se mají měřit, svorkové napětí, nabíjecí/vybíjecí proud a teplota. Výkon měření potřebný pro moderní bateriové sady je poměrně vysoký: Každý článek musí být měřen s přesností několika milivoltů a miliampérů a přibližně do jednoho stupně Celsia (°C). Důvody pro takové přesné monitorování článků zahrnují:

• Určení stavu nabití („state-of-charge“, SOC) a technického stavu baterie („state-of-health“, SOH) za účelem poskytnutí přesných předpovědí zbývající kapacity bateriového bloku (doby provozu) a celkové očekávané životnosti.
• Poskytování dat potřebných k implementaci vyvažování článků, které vyrovnává napětí nabitých článků vůči sobě navzájem, oproti jejich vnitřním rozdílům a také různým umístěním, teplotám a stárnutí. Neprovádění vyvažování článků vede v nejlepším případě ke snížení výkonu bateriového bloku a v nejhorším k selhání článku. Vyvažování lze dosáhnout pomocí pasivních nebo aktivních technik – druhý způsob poskytuje poněkud lepší výsledky, ale je nákladnější a složitější.
• Předcházení mnoha situacím, které mohou poškodit baterii a vést k obavám o bezpečnost uživatele (např. pro vozidlo a jeho cestující). Patří mezi ně nežádoucí scénáře, jako jsou:
• Přepětí nebo nabíjení nadměrnými proudy, které může vést k tepelnému úniku.
• Podpětí: jediné přebití nezpůsobí katastrofální poruchu, ale může začít rozpouštět anodový vodič. Následné opakované cykly nadměrného vybíjení mohou vést k lithiovému pokovení v dobíjecím článku a opět k potenciálnímu tepelnému úniku.
• Nadměrná teplota ovlivňuje materiál elektrolytu článku a snižuje SOC. To může také zvýšit tvorbu mezifáze pevného elektrolytu („solid-electrolyte interphase“, SEI), což má za následek zvýšený a nestejnoměrný odpor a ztrátu výkonu.
• Problémem je také nízká teplota, protože může způsobit usazování lithia, což také vede ke ztrátě kapacity.
• Nadproud a výsledné vnitřní zahřívání v důsledku nerovnoměrné vnitřní impedance a případného tepelného úniku; to může zvýšit vrstvy SEI v baterii a zvýšit odpor.

Je zde hlavolam, protože je například poměrně jednoduché přesně změřit napětí jednotlivého článku na zkušební stolici nebo v jiném příznivém prostředí. Konstruktér pouze potřebuje připojit plovoucí (neuzemněný) nebo bateriově napájený digitální voltmetr (DVM) přes požadovaný článek (obrázek 1).

Obrázek 1: Měření napětí na libovolném jednotlivém článku sériového řetězce je jednoduché a vyžaduje pouze plovoucí digitální voltmetr. (Zdroj obrázku: Bill Schweber)

Z mnoha důvodů je však mnohem obtížnější tak učinit s jistotou a bezpečně v elektricky a ekologicky náročných situacích, jako jsou EV nebo HEV. To je zřejmé z reprezentativního příkladu napájecího bloku EV obsahujícího 6 720 Li+ článků, řízených osmi řídicími moduly (obrázek 2).

Obrázek 2: Reálný bateriový blok je pole sériově a paralelně zapojených článků v modulech s významným množstvím skladované energie. To jsou faktory, které úkol měření napětí článků značně komplikují. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Každý článek má kapacitu 3,54 Ah, což vede k celkové nominální akumulaci energie 100 kWh (3,54 Ah × 4,2 V × 6 720 článků). Každá z 96 sériově zapojených řad je tvořena 70 paralelně zapojenými články pro napětí baterie 403,2 V (96 řad × 4,2 V) s kapacitou 248 Ah (100 kWh / 403,2 V nebo 3,54 Ah × 70 sloupců).

Mezi problémy patří:

• Je výzvou poskytnout potřebné rozlišení a přesnost při měření nízkého jednociferného napětí, abyste získali smysluplnou přesnost při několika milivoltech kvůli přítomnosti vysokého souhlasného napětí („common-mode voltage“, CMV), které může přetížit měřicí systém nebo ovlivnit platnost odečtu. Toto CMV je součtem napětí všech sériově zapojených článků až po jeden měřený, s ohledem na souhlasné napětí systému (také označované jako „zem“, i když je to nesprávné označení). Všimněte si, že v EV může být až 96 nebo dokonce 128 bateriových článků v sérii, což dává CMV v řádu stovek voltů.
• Kvůli vysokému CMV je nutné galvanicky izolovat články od zbytku systému pro elektrickou integritu i bezpečnost uživatele/systému, protože ani jeden by neměl být potenciálně vystaven plnému CMV.
• Elektrický šum a přepětí mohou snadno narušit odečítání v řádu milivoltů.
• Je nutné změřit více článků téměř současně během několika milisekund, aby se vytvořil přesný celkový obraz o stavu článků a bateriového bloku. V opačném případě může časový posun mezi měřeními článků vést k zavádějícím závěrům a výsledným akcím.
• Velký počet článků znamená, že mezi články a zbytkem subsystému pro získávání dat je zapotřebí nějaký druh multiplexního uspořádání, jinak se velikost, hmotnost a cena propojovací kabeláže stanou znemožňujícími.

Konečně jsou zde důležité a povinné aspekty týkající se bezpečnosti, zálohy a hlášení chyb, které musí být splněny. Normy se v jednotlivých odvětvích liší. Průmyslové a elektrické nářadí se velmi liší od automobilů a pro ty jsou normy nejpřísnější. V kritických automobilových systémech, jako jsou systémy související se správou baterií, nesmí vést ztráta funkčnosti k nebezpečné situaci. V případě poruchy v systému vyžaduje „bezpečný“ stav vypnutí elektroniky a upozornění řidiče vozidla kontrolkou na palubní desce nebo jinou kontrolkou.

U některých systémů však může chybná funkce nebo ztráta funkčnosti vést potenciálně k nebezpečné události a nelze je jednoduše vypnout, takže bezpečnostní cíle mohou zahrnovat definovaný požadavek na „dostupnost související s bezpečností“. V takových případech může být vyžadována tolerance pro některé typy poruch v systému, aby se předešlo nebezpečným událostem.

Taková dostupnost související s bezpečností vyžaduje zajištění základní funkčnosti nebo definované „výstupní“ cesty po určitou dobu – navzdory definovaným poruchovým stavům – a bezpečnostní systém musí po tuto dobu poruchu tolerovat. Tato odolnost proti poruchám umožňuje, aby systém déle fungoval s přijatelnou úrovní bezpečnosti. Klíčové části normy ISO 26262 „Funkční bezpečnost silničních vozidel“ uvádějí pokyny pro vývojáře systému týkající se požadavků na dostupnost související s bezpečností.

Posílení integrovaných obvodů k poskytování řešení

Dodavatelé vyvinuli integrované obvody BMS, které jsou navrženy tak, aby vyřešily problém s přesností čtení jednoho článku v sériovém řetězci – navzdory vysokému CMV a nepříznivému elektrickému prostředí. Tyto integrované obvody poskytují nejen základní odečty, ale také řeší technické problémy multiplexování, izolace a časování. Splňují příslušné bezpečnostní normy a jsou případně hodnoceny pro schválení ASIL-D pro automobilové aplikace, což je nejvyšší a nejpřísnější úroveň.

Úroveň integrity automobilové bezpečnosti (ASIL) je schéma klasifikace rizik definované normou ISO 26262 – Funkční bezpečnost silničních vozidel. Jedná se o adaptaci úrovně integrity bezpečnosti (SIL) použitou v normě vIEC 61508 pro automobilový průmysl.

Přestože jsou „neúplné“ funkce těchto zařízení BMS podobné, do určité míry se liší architekturou, počtem článků, které zvládnou, rychlostí skenování, rozlišením, jedinečnými funkcemi a přístupem k propojení:

• Izolovaná architektura CAN je založena na hvězdicové konfiguraci a je robustní, protože přerušení komunikačního vodiče v izolované architektuře CAN naruší pouze jeden integrovaný obvod, zatímco zbytek baterie zůstává v bezpečí. Architektura CAN však pro každý integrovaný obvod vyžaduje mikroprocesor a CAN, což činí tento přístup nákladnějším a zároveň poskytuje relativně nízké komunikační rychlosti.

• Architektura uzavřeného řetězce je obecně nákladově efektivnější, protože její univerzální řetězec na bázi asynchronního přijímače/vysílače (UART) může poskytovat spolehlivou a rychlou komunikaci bez složitosti CAN. Architektura nejčastěji používá kapacitní izolaci, ale může také podporovat izolaci založenou na transformátoru. Přerušení vodiče v architektuře uzavřeného řetězce však může narušit komunikaci, takže některé takové systémy zapojené do řetězce nabízejí „zástupné řešení“ a podporují během přerušení vodiče některé operace.

Mezi reprezentativní integrované obvody BMS patří:

• BMS MAX17843 od společnosti Analog Devices: MAX17843 je programovatelné 12kanálové rozhraní pro sběr dat pro monitorování baterie s rozsáhlými bezpečnostními funkcemi (obrázek 3). Je optimalizováno pro použití s bateriemi pro automobilové systémy, bateriovými bloky pro HEV, EV a jakýkoli systém, který uspořádává do svazků dlouhé sériové řetězce sekundárních kovových baterií až do 48 V.

Obrázek 3: 12kanálové rozhraní pro sběr dat pro monitorování baterie MAX17843 obsahuje několik bezpečnostních funkcí, takže je vhodné pro automobilové aplikace a požadavky. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Rozhraní MAX17843 obsahuje vysokorychlostní diferenciální sběrnici UART pro robustní sériovou komunikaci v uzavřeném řetězci, která podporuje až 32 integrovaných obvodů propojených v jediném uzavřeném řetězci (obrázek 4). Sběrnice UART využívá kapacitní izolaci, která nejen snižuje náklady na kusovník, ale také zlepšuje poruchovost v čase („failure in time“, FIT).

Obrázek 4: 12kanálové rozhraní MAX17843 využívá kapacitní galvanickou izolaci ve své konfiguraci UART uzavřeného řetězce, která podporuje až 32 zařízení v jednom řetězci. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Analogový front-end kombinuje 12kanálový systém pro sběr dat z měření napětí s vysokonapěťovým vstupem sady přepínačů. Všechna měření se napříč jednotlivými články provádějí rozdílně. Rozsah měření v plném rozsahu je od 0 do 5,0 V s použitelným rozsahem 0,2 až 4,8 V. K digitalizaci napětí článků ve 14bitovém rozlišení s převzorkováním se používá vysokorychlostní analogově-digitální převodník (ADC) s postupnou aproximací (SAR). Všech dvanáct článků lze změřit za méně než 142 μs.

Rozhraní MAX17843 používá dvouskenovací přístup pro sběr měření buněk a jejich korekci na chyby, což v rozsahu provozních teplot poskytuje vynikající přesnost. Přesnost měření diferenciálu článku je specifikována na ±2 mV při +25 °C a 3,6 V. Pro usnadnění návrhu s tímto integrovaným obvodem nabízí k nastavení, konfiguraci a vyhodnocení společnost Analog Devices vyhodnocovací sadu s grafickým uživatelským rozhraním (GUI) založeným na PC MAX17843EVKIT#.

• ISL78714ANZ-T od společnosti Renesas: Integrovaný obvod lithium-iontového systému BMS ISL78714 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 hlavní ISL78714 s hostitelským mikrokontrolérem přes port sériového periferního rozhraní (SPI) a až 29 dalších zařízení ISL78714 propojených dohromady pomocí robustního, patentovaného dvouvodičového řetězce (obrázek 5). Tento komunikační systém je vysoce flexibilní a může používat izolaci kondenzátoru, izolaci transformátoru nebo kombinaci obou s rychlostí až 1 Mbit/s.

Obrázek 5: ISL78714 používá port SPI k propojení více zařízení ve dvouvodičovém uzavřeném řetězci, který může používat buď kapacitní izolaci, nebo izolaci založenou na transformátoru. (Zdroj obrázku: společnost Renesas Electronics Corp.)

Přesnost měření počátečního napětí je ±2 mV se 14bitovým rozlišením v rozsahu 1,65 až 4,28 V od 20 °C do +85 °C. Přesnost zařízení pro montáž za deskou je těsně ±2,5 mV nad vstupním rozsahem článku ±5,0 V (pro sběrnicové tyče je často zapotřebí záporný rozsah napětí).

Tento BMS obsahuje tři režimy vyvažování buněk: režim ručního vyvážení, režim časovaného vyvážení a režim automatického vyvážení. Režim automatického vyvažování ukončí vyvažování poté, co byla z každého článku odstraněno hostitelem určené množství. Mezi integrovanou systémovou diagnostikou pro všechny klíčové funkce patří hlídací zařízení pro vypnutí při ztrátě komunikace.

• BQ76PL455APFCR (a BQ79616PAPRQ1) od společnosti Texas Instruments: bq76PL455A je integrované monitorovací a ochranné zařízení pro 16článkovou baterii navržené pro vysoce spolehlivé průmyslové aplikace s vysokým napětím. Integrované vysokorychlostní, diferenciální, kondenzátorem izolované rozhraní podporuje až šestnáct zařízení bq76PL455A, která komunikují s hostitelem prostřednictvím jediného vysokorychlostního rozhraní UART prostřednictvím uzavřeného řetězce s kroucenými páry kabelů rychlostí až 1 Mbit/s (obrázek 6).

Obrázek 6: Integrovaný obvod pro správu 16článkové baterie bq76PL455A se zaměřuje na průmyslové aplikace a využívá kapacitní izolaci k propojení až 16 zařízení pomocí kroucené dvoulinky, která komunikuje rychlostí až 1 Mbit/s prostřednictvím uspořádání uzavřeného řetězce. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

14bitový ADC používá interní referenci se všemi výstupy článků převedenými za 2,4 ms. Správa bq76PL455A monitoruje a detekuje několik různých poruchových stavů včetně přepětí, podpětí, přehřátí a komunikačních chyb. Podporuje pasivní vyvažování buněk pomocí externích n-FET, stejně jako aktivní vyvažování prostřednictvím externích hradlových budičů matrice přepínačů.

Tento BMS snadno zpracovává řetězce s méně než maximálně 16 články. Jediným omezením přitom je, že vstupy musí být použity ve vzestupném pořadí, přičemž všechny nepoužité vstupy jsou připojeny společně se vstupem k nejvýše použitému vstupu VSENSE_. Například v 13článkovém provedení nejsou použity vstupy VSENSE14, VSENSE15 a VSENSE16 (obrázek 7).

Obrázek 7: BMS bq76PL455A lze použít s méně než 16 články. V takových případech musí být nevyužité vstupy buněk nejvyšší v řetězci. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Další integrované obvody, jako je bq79616PAPRQ1 společnosti Texas Instruments, zahrnují podporu pro kruhovou konfiguraci a obousměrnou komunikaci, což umožňuje systému pokračovat ve sledování stavu a bezpečnosti bateriového bloku (obrázek 8).

Obrázek 8: BMS bq79616PAPRQ1 podporuje obousměrnou kruhovou topologii pro další konektivitu spojení v případě přerušení vodiče nebo selhání uzlu. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Pokud dojde v této konfiguraci k poruše, přerušení nebo zkratu mezi dvěma ASIC pro monitorování baterie, řídicí procesor bude schopen pokračovat v komunikaci se všemi ASIC pro monitorování baterie přepínáním směru zasílání zpráv dozadu a dopředu. Pokud tedy normální komunikace narazí na poruchu, systém může udržovat dostupnost pomocí chybové tolerance funkce kruhové komunikace, a to bez ztráty informací o napětí a teplotě z bateriových modulů. Pro konstruktéry, kteří chtějí s BMS bq79616PAPRQ1 experimentovat, poskytuje společnost Texas Instruments vyhodnocovací desku BQ79616EVM.

• LTC6813-1 od společnosti Analog Devices, Inc.: LTC6813-1 je monitor pro vícečlánkové bateriové svazky s kvalifikací pro automobilový průmysl, který měří až 18 sériově zapojených bateriových článků s celkovou chybou měření menší než 2,2 mV prostřednictvím 16bitového delta-sigma ADC s programovatelným šumovým filtrem (obrázek 9). Všimněte si, že toto je vyšší počet článků, než mohou přímo podporovat některé jiné integrované obvody. Všech 18 článků lze měřit za méně než 290 μs a pro vyšší redukci šumu lze zvolit nižší rychlost sběru dat.

Obrázek 9: Monitor LTC6813-1 podporuje nejvyšší počet článků (18) a používá 16bitový ADC k dosažení přesnosti 2,2 mV a vysokorychlostního skenování článků. (Zdroj obrázku: společnosti Analog Devices, Inc.)

Více zařízení LTC6813-1 lze zapojit do série, což umožňuje simultánní monitorování článků dlouhých vysokonapěťových bateriových řetězců. Monitor LTC6813-1 podporuje dva typy sériových portů: standardní čtyřvodičové SPI a 2vodičové izolované rozhraní (isoSPI). Neizolovaný čtyřvodičový port je vhodný pro spojení na kratší vzdálenosti a některé neautomobilové aplikace (obrázek 10).

Obrázek 10: Monitor LTC6813-1 podporuje standardní čtyřvodičové propojení SPI pro spojení na kratší vzdálenosti a některé neautomobilové aplikace. (Zdroj obrázku: společnosti Analog Devices, Inc.)

Izolovaný sériový komunikační port 1 Mbit/s využívá jeden kroucený pár na vzdálenosti až 100 m s nízkou náchylností k elektromagnetickému rušení (EMI) a emisemi, protože rozhraní je navrženo pro nízkou chybovost paketů, i když je kabeláž vystavena vysokým RF polím. Obousměrná schopnost tohoto uzavřeného řetězce zajišťuje integritu komunikace i v případě poruchy, jako je přerušený vodič podél komunikační cesty.

V režimu dvouvodičové konfigurace je izolace dosaženo pomocí externího transformátoru se standardními signály SPI kódovanými do diferenciálních pulzů. Síla vysílacího impulsu a prahová úroveň přijímače jsou nastaveny dvěma externími rezistory, R_B1 a R_B2 (obrázek 11). Hodnoty rezistorů volí konstruktér tak, aby umožňovaly kompromis mezi výkonovým rozptylem a odolností proti rušení.

Obrázek 11: Monitor LTC6813-1 také nabízí 2vodičový, 1Mbit/s, transformátorem izolovaný sériový komunikační port přes jeden kroucený pár na vzdálenosti až 100 m s nízkou citlivostí na EMI a emisemi. (Zdroj obrázku: společnosti Analog Devices, Inc.)

Monitor LTC6813-1 lze napájet přímo z bateriového svazku, který 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 jednoho článku nebo malého bateriového bloku s několika články je malou technickou výzvou. Přesné měření stejných parametrů na jednotlivých článcích v sériovém řetězci – a to v nepříznivém automobilovém a průmyslovém prostředí se zanedbatelným časovým zkreslením mezi články – je výzvou kvůli velkému počtu článků, vysokému CMV, elektrickému šumu, regulačním požadavkům a dalším záležitostem.

Jak je uvedeno výše, konstruktéři mohou využít integrované obvody speciálně navržené pro tyto aplikace. Podporují požadovanou galvanickou izolaci, přesnost a rychlou dobu skenování pro řešení problémů. Výsledkem je, že poskytují přesné a použitelné výsledky, které umožňují kritická rozhodnutí týkající se správy baterie na vysoké úrovni.