Analog Devices, Inc.
Avtor: Cosimo Carriero
2020_281_14
Litij-ion (Li-Ion) baterije so popularen način za hranjenje energije v električnih in hibridnih vozilih. Te baterije imajo najvišjo energijsko gostoto od vseh trenutnih baterijskih tehnologij, vendar pa je zaradi zagotavljanja lastnosti obvezen sistem za spremljanje baterij (angl. Battery Monitoring System – BMS). Najsodobnejši BMS ne omogoči samo tega, da iz baterije izvlečemo največjo količino naboja, pač pa vam omogoča, da upravljate s cikli varnega polnjenja in praznjenja, kar podaljša življenjsko dobo baterij. Analog Devices ponuja celoten portfelj BMS vezij, s poudarkom na natančnosti in robustnem delovanju.
Natančno merjenje stanja napolnjenosti baterije (SOC) poveča čas delovanja baterije ali zmanjša težo. Natančna in stabilna naprava po montaži PCB ne zahteva tovarniške kalibracije. Stabilnost sčasoma izboljša varnost in prepreči težave z garancijo.
Funkcija samodiagnostike pomaga doseči pravo stopnjo integritete avtomobilske varnosti (ASIL). Baterijski sklop je zahtevno okolje za elektromagnetne motnje (EMI), zato je bila pri načrtovanju podatkovne komunikacijske povezave namenjena posebna skrb, da bi zagotovili robustno in zanesljivo komunikacijo med merilnimi čipi in sistemskim krmilnikom.
Kabli in priključki so med glavnimi vzroki okvar v baterijskih sistemih, zato so tukaj predstavljene brezžične rešitve. Načrti za brezžično komunikacijo povečajo zanesljivost in zmanjšajo skupno sistemsko težo, kar posledično poveča doseg na eno polnjenje.
Predstavitev
Naprava za shranjevanje energije mora zagotoviti visoko zmogljivost in možnost nadzorovane sprostitve energije. Shranjevanje in sproščanje energije, če se ne nadzira pravilno, lahko povzroči katastrofalno okvaro akumulatorja in na koncu požar. Baterije lahko izpadejo iz več razlogov, večina se jih nanaša na neprimerno uporabo. Napaka lahko nastane zaradi mehanskih napetosti ali poškodb, električnega stresa v obliki globokega praznjenja, prekomernega polnjenja, prekomernega toka in toplotne prenapetosti. Za doseganje najvišjih ravni učinkovitosti in varnosti je potreben sistem za nadzor akumulatorja.
Glavna funkcija BMS je ohraniti katero koli enoto akumulatorja v svojem varnem delovnem območju (SOA), tako da spremlja naslednje fizikalne količine: tok polnjenja in praznjenja, napetost ene celice in temperatura baterije. Na podlagi teh količin je možno varno obratovati z baterijo, hkrati pa tudi izračunati SOC in zdravstveno stanje (SOH).
Druga pomembna lastnost, ki jo ponuja BMS, je uravnoteženje celic. V baterijskem paketu so celice lahko vezane vzporedno in zaporedno zato, da se doseže zahtevana zmogljivost in delovna napetost (do 1 kV ali višje). Proizvajalci baterij poskušajo zagotoviti svežnje z enakimi celicami, vendar to fizično ni mogoče. Celo majhne razlike vodijo do različnih nivojev napolnjenosti ali praznjenja, pri čemer najšibkejša celica v nizu nesorazmerno vpliva na splošno zmogljivost bloka. Natančno uravnoteženje celic je pomembna lastnost sistema BMS, saj omogoča varno delovanje baterijskega sistema pri največji zmogljivosti.
BMS arhitekture
Akumulator električnega vozila je sestavljen iz več celic, zloženih v serijo. Običajni sveženj – s 96 celicami v seriji – ko se napolni pri 4,2 V, lahko razvije skupno napetost nad 400 V. Višje napetosti lahko dosežete z zlaganjem več celic. Polnilni in praznilni tok sta enaka za vse celice, vendar je treba napetosti spremljati na vsaki celici. Za sprejem velike količine celic, ki so potrebne za avtomobilske sisteme z močnim pogonom, so akumulatorji pogosto razdeljeni na module in porazdeljeni v razpoložljivih prostorih v vozilu. Z 10 do 24 celicami v tipičnem modulu je mogoče module sestaviti v različnih konfiguracijah tako, da ustrezajo več platformam vozil. Modularna zasnova se lahko uporabi kot osnova za zelo velike baterije. Omogoča razporeditev baterijskih paketov na večje površine za učinkovitejšo uporabo prostora.
Analog Devices je razvil družino baterijskih monitorjev, ki lahko merijo do 18 v serijo povezanih celic. AD7284 lahko meri 8 celic, LTC6811 lahko meri 12 celic, LTC6813 pa 18 celic. Slika 1 prikazuje tipičen akumulatorski paket z 96 celicami, razdeljen na 8 modulov s po 12 celicami. V tem primeru je monitor baterije 12-celični LTC6811. Obseg merjenja celic je od 0 V do 5 V, zaradi česar je IC primeren za večino baterijskih kemij.
Več naprav je možno zaporedno povezati, kar omogoča sočasno spremljanje dolgih visokonapetostnih baterijskih paketov. Naprava vključuje pasivno uravnavanje za vsako celico. Podatki se izmenjujejo preko galvansko ločene povezave in jih zbira sistemski krmilnik, ki je odgovoren za računanje SOC, nadzoruje izravnavo celic, preverja SOH in vzdržuje celoten sistem znotraj varnostnih omejitev.
Za podporo porazdeljene modularne topologije v visokem EMI okolju EV / HEV je potreben robusten komunikacijski sistem. Izolirani vodili CAN in ADI-jeva isoSPI ™ ponujata preizkušene rešitve za povezovanje modulov v tem okolju.1 Medtem ko je CAN vodilo dobro sprejeto omrežje za povezovanje baterijskih modulov v avtomobilskih aplikacijah, potrebuje številne dodatne komponente. Na primer, izvedba izoliranega CAN vodila prek isoSPI LTC6811 vmesnika zahteva dodajanje CAN transiverja, mikroprocesorja in izolatorja.Glavna pomanjkljivost CAN vodila je dodana cena in prostor na plošči, potreben za te dodatne elemente. Slika 2 prikazuje možno arhitekturo, ki temelji na CAN. V tem primeru so vsi moduli vzporedno povezani.
Alternativa vmesniku CAN vodila je inovativni dvožični vmesnik isoSPI ADI. Vgrajen je v vsak LTC6811, isoSPI vmesnik uporablja preprost transformator in parico v nasprotju s štirimi žicami, ki jih zahteva CAN vodilo. Vmesnik isoSPI je imun proti šumu (za visoke radiofrekvenčne signale), v katerem se moduli lahko povežejo v zaporedno verigo na dolgih kabelskih dolžinah in delujejo s hitrostjo podatkov do 1 Mbps.Slika 3 prikazuje arhitekturo, ki temelji na isoSPI in uporabi CAN modula kot prehod.
Obstajajo prednosti in slabosti obeh arhitektur, prikazanih na sliki 2 in sliki 3. CAN moduli so standardni in jih je mogoče upravljati z drugimi CAN podsistemi, ki si delijo isto vodilo; isoSPI vmesnik je lastniški in komunikacija se lahko vrši samo z napravami iste vrste. Po drugi strani pa isoSPI moduli ne potrebujejo dodatnega oddajnika in MCU za obdelavo programskega sklopa, kar ima za posledico bolj kompaktno in enostavno rešitev. Obe arhitekturi zahtevata žično povezavo, ki ima pomembne pomanjkljivosti v sodobnem BMS-u, pri čemer je lahko usmerjanje žic za ločevanje modulov težko razrešljivo, hkrati pa doda veliko težo in zapletenost. Žice so tudi nagnjene k zbiranju šuma, kar povzroča potrebo po dodatnem filtriranju.
Brezžični BMS
Brezžični BMS je nova arhitektura, ki odstranjuje komunikacijsko ožičenje.1 V brezžičnem BMS je vsak modul med seboj povezan preko brezžične povezave. Največje prednosti brezžične povezave za velike večcelične baterije so:
- Zmanjšana kompleksnost ožičenja
- Nižja teža
- Nižja cena
- Izboljšana varnost in zanesljivost
- Brezžična komunikacija je izziv zaradi močnega EMI okolja in VF kovinskega oklopa, ki predstavlja oviro pri širjenju signala.
- ADI-jevo ugnezdeno brezžično omrežje SmartMesh®, preizkušeno na področju industrijskih aplikacij Internet of Things (IoT), zagotavlja > 99,999% zanesljivo povezljivost v industrijskih, avtomobilskih in drugih zaostrenih okoljih z uporabo redundance zaradi raznolikosti poti signala in frekvenc.
Poleg izboljšanja zanesljivosti z ustvarjanjem več redundančnih točk povezljivosti brezžično omrežje širi zmogljivosti BMS. Brezžično omrežje SmartMesh omogoča fleksibilno namestitev baterijskih modulov in izboljšuje izračun SOC in SOH baterije.
To je zato, ker se lahko od senzorjev, nameščenih na mestih, ki so sicer neprimerne za ožičenje, zbirajo dodatni podatki. SmartMesh omogoča tudi časovno povezane meritve iz vsakega vozlišča, kar omogoča natančnejše zbiranje podatkov. Slika 4 prikazuje primerjavo ožičenih in brezžično povezanih baterijskih modulov.
ADI predstavlja prvi brezžični avtomobilski BMS konceptni avtomobil, ki združuje monitor z akumulatorjem LTC6811 in omrežno tehnologijo ADI SmartMesh v BMW i3.2 To je pomemben preboj, ki lahko izboljša zanesljivost in zmanjša stroške, težo in zapletenost ožičenja za velike množice večceličnih baterij za EV / HEV.
Pomembnost natančne meritve
Natančnost je pomembna lastnost BMS in je kritična za LiFePO4 baterije.3,4 Če želite razumeti pomen te funkcije, si oglejmo primer na sliki 5.
Če želite preprečiti prekomerno polnjenje in praznjenje, se celice baterije vzdržujejo med 10 % in 90% polne zmogljivosti. V bateriji s 85 kWh je za normalno vožnjo na voljo le 67,4 kWh. Če je napaka pri merjenju 5% in če želite še naprej varno uporabljati baterijo, je treba celice hraniti med 15% in 85% njihove zmogljivosti. Skupna razpoložljiva zmogljivost se je zmanjšala z 80% na 70%. Če se natančnost izboljša na 1% (pri baterijah LiFePO4 napaka merjenja 1 mV pomeni 1% napako SOC), lahko baterijo zdaj upravljate med 11% in 89% polne zmogljivosti, pri čemer dobite 8%. Z isto baterijo in natančnejšim sistemom BMS se poveča doseg.
Načrtovalci vezij se pri oceni natančnosti zanašajo na specifikacije v podatkovnem listu. Drugi učinki v resničnem svetu pogosto prevladujejo pri napaki merjenja. Dejavniki, ki vplivajo na natančnost merjenja, so:
- Začetna toleranca
- Temperaturno drsenje
- Dolgoročno drsenje
- Vlažnost
- Stres med sestavljanjem TIV
- Dušenje šuma
Za doseganje zelo visokih zmogljivosti mora dobra tehnologija upoštevati vse te dejavnike. Natančnost meritve IC je omejena predvsem z referenčno napetostjo. Napetostne reference so občutljive na mehanski stres. Termično obremenjevanje med spajkanjem TIV je stresno za silicij. Vlažnost je še en vzrok za stres silicija, saj se v embalaži absorbira voda. Stres silicija sčasoma popusti, kar vodi k dolgoročnemu premiku referenčne napetosti.
IC-ji za merjenje baterij uporabljajo bodisi referenčno napetostno vrzel ali referenčno napetost Zener efekta. IC oblikovalci uporabljajo NPN spoj emitor-baza, ki deluje v obratnem preboju kot Zenerjeva referenca. Preboj se zgodi na površini rezine, kjer so učinki kontaminacije in naboja oksida najbolj izraziti. Te spoji šumijo in trpijo zaradi nepredvidljivega kratkoročnega in dolgoročnega drsenja. Pokopana Zenerjeva referenca postavlja spoj pod površino silicija, stran od onesnaženja in oksidnih učinkov. Rezultat je Zenerjeva referenca z odlično dolgoročno stabilnostjo, nizkim šumom in relativno natančno začetno toleranco. Zaradi tega so Zenerjeve reference s časom precej boljše za ublažitev učinkov v resničnem svetu.
Družina LTC68xx uporablja laboratorijsko Zenerjevo referenco s tehnologijo, ki jo ADI izpopolnjuje v 30 letih. Slika 6 prikazuje napako drsenja preko temperature IC za merjenje akumulatorja za pet tisoč enot. Drsenje v celotnem avtomobilskem območju od –40 ° C do + 125 ° C je manjše od 1 mV.
Na sliki 7 je prikazana primerjava dolgoročnega drsenja za referenčno napetostno vrzel in referenčne IC napetosti pokopane Zenerjeve reference. Začetne meritve so umerjene za napako 0 mV. Deset let meritve drsenja je predvideno od drsenja po 3000 h pri 30 ° C. Slika jasno kaže veliko boljšo stabilnost Zenerjeve reference s časom, vsaj 5× boljšo od reference z napetostno verzeljo. Podobni preskusi pri vlažnosti in stresu pri montaži na TIV kažejo, da so vrhunske zmogljivosti zakopane Zenerjeve reference nad referenco z napetostno verzeljo.
Drug omejujoč dejavnik točnosti je šum. Avtomobilska baterija je za elektroniko zelo surovo okolje zaradi elektromagnetnih motenj, ki jih ustvarjajo elektromotor, napajalni pretvornik, DC/DC pretvorniki in drugi visokotokovni stikalni sistemi v EV / HEV.BMS mora zagotoviti visoko raven dušenja šuma, da se ohrani natančnost. Filtriranje je klasična metoda, ki se uporablja za zmanjšanje neželenega šuma, vendar pa obstaja kompromis med zmanjševanjem šuma in hitrostjo pretvorbe. Zaradi velikega števila napetosti celic, ki jih je treba pretvoriti in prenesti, čas pretvorbe ne sme biti prepočasen.SAR pretvorniki so morda najboljša izbira, toda v multipleksiranem sistemu je hitrost omejena s časom postavitve multipleksiranega signala. V tem primeru so lahko sigma-delta pretvorniki (Σ-Δ) veljavna alternativa.
IC-ji za merjenje podjetja ADI uporabljajo sigma-delta (ADC) analogno-digitalne pretvornike. S sigma-delta pretvornikom se vhod večkrat pretvori in nato povpreči. Rezultat je vgrajeno nizko pasovno filtriranje, ki odpravlja šum kot vir merilne napake; frekvenca meje se določi s hitrostjo vzorčenja. LTC6811 uporablja sigma-delta ADC tretjega reda s programirljivimi hitrostmi vzorčenja in osmimi izbirnimi frekvencami dušenja. Na sliki 8 je prikazan odziv filtra za osem programabilnih frekvenc dušenja.Izjemno zmanjšanje šuma dosežemo z omogočanjem merjenja vseh 12 baterijskih celic zelo hitro – 290 µs. Preskus vbrizgavanja toka, pri katerem je 100 mA radiofrekvenčnega šuma priključeno v žice, ki povezujejo baterijo z IC, pokazalo manj kot 3 mV napake pri meritvah.
Uravnoteženje celic za optimalno kapaciteto baterij
Tudi če so baterije natančno izdelane in izbrane, med njimi obstajajo majhne razlike. Vsako neskladje v zmogljivosti med celicami povzroči zmanjšanje celotne zmogljivosti paketa baterij.
Če želite bolje razumeti to točko, si oglejmo primer, kjer so bile celice vzdrževane med 10% in 90% polne zmogljivosti. Učinkovito življenjsko dobo baterije je mogoče bistveno skrajšati z globokim praznjenjem ali prekomernim polnjenjem. Zato BMS zagotavlja zaščito pred prenapetostno zaščito (UVP) in prenapetostno zaščito (OVP), ki preprečujeta te razmere. Postopek polnjenja se ustavi, ko celica z najmanjšo zmogljivostjo doseže OVP prag. V tem primeru ostale celice niso popolnoma napolnjene in baterija ne shranjuje največje dovoljene energije. Podobno se sistem ustavi, ko najnižja napolnjena celica doseže mejo UVP. Tudi v akumulatorju je še vedno dovolj energije, da napaja sistem, vendar ga iz varnostnih razlogov ni mogoče uporabiti.
Jasno je, da najšibkejša celica v bloku prevladuje nad delovanjem polne baterije. Uravnavanje celic je tehnika, ki pomaga odpraviti to težavo z izenačitvijo napetosti in SOC med celicami, ko so napolnjene.5 Obstajata dve tehniki za uravnoteženje celic – pasivna in aktivna.
Pri pasivnem uravnoteženju se presežek naboja porabi v uporu, če se ena celica preveč napolni. Običajno obstaja obremenilno vezje, ki ga sestavljajo upor in močnostni MOSFET, ki se uporablja kot stikalo. Ko je celica prepolna, se MOSFET odpre in odvečna energija se porabi v uporu. LTC6811 uravnoteži vsako nadzorovano celico z uporabo notranjega MOSFET za nadzor posameznih polnilnih tokov celice. Notranji MOSFET omogočajo kompaktne zasnove in zadostujejo za tokove do 60 mA. Za višje polnilne tokove se lahko uporabljajo zunanji MOSFET. Na voljo so tudi časovniki za prilagajanje časa izravnave.
Prednosti disipativne tehnike so nizki stroški in nizka kompleksnost. Slabosti so velika izguba energije in bolj zapletena toplotna zasnova. Po drugi strani aktivno uravnoteženje prerazporedi odvečno energijo med drugimi celicami modula. Tako se pridobi energija in ustvarja manj toplote. Pomanjkljivost takšne tehnike je bolj zapletena strojna zasnova.
Slika 9 prikazuje aktivno izvajanje uravnoteženja z uporabo LT8584. Ta arhitektura rešuje težave pasivnih šentnih uravnoteževalnikov z aktivnim usmerjanjem polnilnega toka in vračanjem energije nazaj v baterijski sklop. Namesto da bi se energija izgubila kot toplota, jo ponovno uporabimo za polnjenje preostalih baterij v paketu.Arhitektura naprave rešuje tudi problem zmanjšanega časa delovanja, ko ena ali več celic v nizu doseže spodnji prag varnostne napetosti, preden se doseže celotna zmogljivost paketa. Samo aktivno uravnoteženje lahko prerazporedi naboj od močnejših do šibkejših celic. To šibkejšim celicam omogoča, da še naprej dobavljajo energijo in črpajo najvišji odstotek energije iz baterije. Flyback topologija omogoča vrnitev naboja med kateri koli dve točki akumulatorja. Večina aplikacij napolni napajanje v celicah modulov (12 ali več), druge vrnejo naboj na celoten paket akumulatorjev, nekatere aplikacije pa napolnijo pomožno napajalno linijo.
Zaključek
Elektrifikacija je ključna za vozila z nižjimi emisijami, vendar zahteva pametno upravljanje z virom energije – Li-Ion baterijo. Če se z njim ne upravlja pravilno, lahko baterijski paket postane nezanesljiv in drastično zmanjša varnost avtomobila. Visoka natančnost pomaga povečati zmogljivost in življenjsko dobo baterije. Aktivno in pasivno uravnoteženje celic omogoča varno in učinkovito upravljanje baterije. Distribuirani akumulatorski moduli so enostavno podprti, robustna komunikacija podatkov s krmilnikom BMS, tako žičnim kot brezžičnim, omogoča zanesljive izračune SOC in SOH.
Viri
- Greg Zimmer. “Wireless Battery Management Systems HighlightIndustry’s Drive for Higher Reliability.” Linear Technology, February 2017.
- “Wireless BMS Concept Car.” Lion Smart, June 2017.
- Michael Kultgen and Jon Munson. “Battery Stack Monitor ExtendsLifeofLi-IonBatteriesinHybridElectricVehicles.”LTJournal,Vol.XIX No. 1, March2009.
- Mike Kultgen and Greg Zimmer. “Maximizing Cell Monitoring Accuracyand Data Integrity in Energy Storage Battery Management Systems.” Analog Devices, Inc., 2019.
- Stephen W. Moore and Peter J. Schneider. “A Review of Cell EqualizationMethods for Lithium Ion and Lithium Polimer Battery Systems.” SAE 2001 World Congress, March 2001.
O avtorju
Cosimo Carriero se je podjetju Analog Devices pridružil leta 2006 kot inženir terenskih aplikacij in s tem zagotavljal tehnično podporo strateškim in ključnim kupcem. Ima magisterij iz fizike na Università degli Studi v Milanu, Italija. Pretekle izkušnje vključujejo INFN, italijanski inštitut za jedrsko fiziko, ki opredeljuje in razvija instrumente za poskuse v jedrski fiziki, sodelovanje z majhnimi podjetji, razvoj senzorjev in sistemov za tovarniško avtomatizacijo. Bil je zaposlen tudi v Thales Alenia Space kot višji razvojni inženir za satelitske sisteme upravljanja električne energije. Dosegljiv je nacosimo.carriero@analog.com.
