Системи и компоненти за управление на зареждането и следене на състоянието на акумулаторни батерии BMS - част II

Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7/2023 > 25.10.2023

  • При необходимост от по-големи токове зареждащите контролери се реализират като ключови захранвания

  • Интегралните схеми за безжично зареждане оформят специален клас и обикновено поддържат Qi стандарта

  • Интересен тип специализирани зареждащи ИС са тракерите (MPPT), използвани най-често за фотоволтаични приложения

 

Първата част на статията, публикувана в бр. 6/2023 г. на сп. Инженеринг ревю, бе посветена на системите и компонентите за електрически превозни средства. Тук ще разгледаме някои от интегралните схеми (ИС), използвани в устройствата за индустриална и масова употреба. Често това са частично или изцяло същите ИС, които се прилагат и в автомобилната индустрия, но изискванията за работни условия, тестване и проследимост са различни. Разбира се, има и случаи, в които тези изисквания може да са по-високи, отколкото в автомобилостроенето.

Във всяко производствено помещение, офис, лаборатория или дом ни заобикалят множество зареждаеми батерии – телефони, преносими компютри, инструменти, таймери, осветление, сензори, а напоследък и резервиращи захранващи системи, изградени от вече използвани автомобилни батерии. Основната част са литиеви батерии, но има приложения, които разчитат на оловни, никел/никел-металхидридни батерии и алкални/незареждаеми елементи.
Сред най-разпространените

 

ИС за зареждане на единични клетки

интерес представляват MCP73381/32 на Microchip. Те са линейни и работят в режим на постоянно напрежение/постоянен ток CV/CC. Обикновено имат вграден транзистор (но може да поддържат управление и на външен такъв), сензор за ток, температурен сензор и защита от разряд. Съществуват варианти за различни видове клетки – 4,20 – 4,50 V, като зарядният ток може да се регулира в границите 15 – 500 mA. Чрез външен резистор могат да се избират опции за предварителен заряд 10 – 40%, както и за край на заряда между 5 и 20% от 1/10C. Работният температурен обхват е от -40 до +85°C, а типичните корпуси са 8-DFN и SOT23-5. Индикаторът за статус (STAT) може да управлява светодиод или да се свърже към микроконтролер, a различните режими се програмират с резистор към (PROG), който в състояние с висок импеданс прекратява зареждането.

Недостатък на горните ИС е малкият обхват на захранващото напрежение. Този проблем може да се реши с MIC79050/MIC79110 на Microchip (Фиг. 1), които се захранват с напрежения от 2,5 до 16 V. MIC79050 може да зарежда батерии при малък пад на напрежението 380 mV @ 500 mA, има много нисък разряд в изключено състояние, термична регулация и защита, както и защита от обратно включване на батерията. Съществува възможност и за добавяне на външен PWM (ШИМ) в управление на зареждането, а корпусите им са MSOP8, SOIC8 и SOT223.

MIC79110 дава възможност за по-висок заряден ток (до 1,2 А), има програмируем чрез резистор индикаторен изход за край на заряда, както и променящ се линейно със зарядния ток изход, който е подходящ за наблюдение от външен микроконтролер. Интегралната схема осигурява нисък пад от 550 mV @ 700 mA, защита от разряд, термична регулация и защита и се предлага се в корпус DFN10.

Подобни са и регулаторите SC810 на Semtech в MPLD6 корпус, като ИС може да работи с входни напрежения до 30 V и има ток на зареждане до 1 А. След приключване на зареждането може да бъде конфигурирана да се изключи или да продължи да работи като LDO.
Въпреки че относителният им дял намалява непрекъснато, не трябва да забравяме и NiCd/MiMH акумулаторните батерии, които в повечето случаи се използват като директен заместител на обикновените незареждаеми алкални батерии. Тук PT8A2704WE на Diodes (в корпус DIP/SOIC8) дава възможност за бързо зареждане на 1 до 8 клетки.

При необходимост от зареждане от мрежов адаптер или USB, както и за споделяне на захранването между крайния товар и зареждащата се батерия, подходящ може да бъде чипът MCP73781 (Фиг. 2). Той дава възможност за регулиране на консумирания ток от USB порта, регулируеми нива на подзаряд и максимален ток при бързо зареждане, вход за термистор, три индикатора за състоянието и други. Предлага се в корпус QFN20. Приложенията на подобни самостоятелни зареждащи модули са много, и най-вече за портативни и мобилни устройства – и изборът между производители и типове интегрални схеми тук е голям.

 

При необходимост от по-големи токове

зареждащите контролери вече се реализират като ключови захранвания. Типични примери са зареждащите ИС на MP2615 (1-2 клетки, 2 А), MP26123/4 (2-4 клетки, 2 А), MP2650 (2-4 клетки, 5 А), MP2760 (1-4 клетки, 6 А) на MPS. Повечето са с buck (понижаваща) топология, което означава, че захранващото напрежение винаги трябва да е по-високо от това на батерията (една или повече свързани последователно клетки). В случай на равно или по-ниско захранващо напрежение MP2650/MP2760 и подобните им работят в buck/boost (понижаващо/повишаващ) режим. Тези ИС имат множество допълнителни възможности и могат да работят както самостоятелно, така и в комбинация с микроконтролер, като вече се появяват серийни интерфейси – например I2C/SPI.

Мониторите като MPF42791/MPF42793 много приличат на автомобилните такива и се предлагат с вградено измерване на преминалата енергия (fuel gauge), термомоделиране и измерване на импеданса на клетките (State of health – SOH, State of charge – SOC) и други възможности.

Друго решение е BD99954 на Rohm – зареждаща ИС за 1-4 клетки с два захранващи входа (например два USB порта). Тя има широк обхват на захранващото напрежение (4 – 25 V), програмируема работна честота на ключовото захранване от 600 до 1200 kHz, гъвкаво управление между товара и батерията, защити по пренапрежение, детекция на късо съединение на батерията и много други възможности. Основните й приложения са в професионални инструменти, преносими компютри и др.

 

Интегралните схеми за безжично зареждане

оформят специален и бързо развиващ се клас (Taбл. 1). Основна част от устройствата с възможност за безжично зареждане поддържат Qi стандарт за безжично зареждане, който e въведен и се поддържа от организацията Wireless Power Consortium (WPC). WPC e отворена платформа, която се поддържа от над 150 компании, сред които производители на мобилни телефони и мобилни оператори, производители на индустриална и комерсиална електроника, както и производители на полупроводникови прибори. След въвеждането на Qi през 2009 г., организацията е одобрила стотици комерсиални продукти и се превръща в глобален стандарт, който гарантира съвместната работа между продукти на различни производители.

Всяка Qi система се състои обикновено от предавател и приемник, като обменът на енергия се осъществява чрез електромагнитна индукция. Qi може да работи на разстояние до 40 мм, с типична ефективност над 70%, като внимателният дизайн на системата води и до по-добри резултати. Типични мощности, с които Qi обикновено работи, са 5 W (Baseline Power Profile, BPP), 15 W (Extended Power Profile, EPP), 30 – 65 W (extended, с възможност до 200 W), както и специализирани такива за големи мощности 1 kW+(Ki).

Последната действаща версия на стандарта е Qi 1.3 (от 2021 г). В началото на 2023 г. е обявена бъдеща версия на стандарта – Qi 2. С повишаване на работната мощност и усложняването на архитектурата и комуникацията се въвеждат и съобщения за опознаване и контрол, които се предават по същия безжичен път. Разбира се, съществуват и опростени системи за предаване на малки мощности, които обикновено са специфични за определен производител, не са съвместими помежду си и работят с мощност до 5 W, но имат предимството да са компактни, евтини и оптимизирани за специфични приложения. Такива са например ADI LTC4125 (TX, 5W), LTC4120(RX) и LTC4124(RX).
Широко използван тип специализирани зареждащи ИС представляват така наречените

 

тракери - MPPT

Те намират приложение най-често за фотоволтаични системи, от най-малки единични слънчеви клетки до големи инсталации. LT8490 на Analog Devices представлява buck/boost регулатор с възможност да зарежда различни типове оловни или Li батерии, работи самостоятелно, без нужда от външен контролер. Входното напрежение Vin е от 6 до 80 V, напрежението на батерията Vbat – от 1,3 до 80 V, разполага с автоматичен MPPT (Maximum Power Point Tracking) при заряд от слънчеви клетки, възможност за работа от слънчев панел или външно DC захранване. Buck/boost архитектурата изисква само един дросел при фиксирана работна честота 100 – 400 kHz и дава възможност за големи разлики в захранващото напрежение. Предлага се в QFN64 корпус.

Подобни ИС са също ADI LT3652, LTM8061/8062/8062A, както и Texas Instruments BQ24650. LT3652 e зареждащ тракер с Vin от 4,95 до 32 V, ток на зареждане до 2 А, може да работи с оловни, Li-Ion/Li-Polymer и LiFePO4 батерии. Има вграден step-down блок с работна честота 1 MHz, а зареждането на батерията може да се прекрати по ток 1/10C или с таймер. Предвиден е и вход за термистор на батерията. LTM8062/8062А са част от фамилията микромодули (mModule) – представляват завършена зареждаща система в "блокче" с размери 9 x 15 x 4,32 мм LGA (Фиг. 3). Допълнително са необходими само външен филтриращ кондензатор и резисторен делител за програмиране на изходното напрежение. Входното напрежение е 6 – 32 V, а изходното – до 14,4/18,8 V според модификацията. Също поддържат до 2 А заряден ток, както и работа с различни типове батерии. Предвиден е вход за термистор, както и защита от обратно свързване на входното захранване. За единични клетки и с програмируемо ограничение на входния ток могат да се използват модулите LTM8061-4,1/4,2/8,2/8,4.

BQ24650 на Texas Instruments, която е с вграден 600 kHz buck регулатор, работи самостоятелно и има възможност за програмируем MPPT в зависимост от входното напрежение. Може да зарежда оловни, Li-Ion/Li-Polymer и LiFePO4 батерии при серийно свързани 1-6 клетки. ИС разполага със защити от пренапрежение, вход за температурата на батерията, липсваща / прекъсната батерия, изключване при прегряване. Предлага се в QFN16 корпус.

Интересна възможност при изискване за допълнителен контрол и функционалност дава комбинацията от тракер като MP2731 на MPS с микроконтролер. Типичното му приложение използва USB или мрежов адаптер, но няма проблем те да бъдат заменени или комбинирани със слънчев панел. Входното напрежение e 3,7 – 16 V, а токът на зареждане е ограничен до 3 А.


Вижте още от Електроника


Ключови думи: BMS, BMS системи, батерийни системи, батерийни монитори, монитори за напрежение, управление на зареждането, следене на състоянието, акумулаторни батерии



Новият Специален брой: Иновации за автомобилната индустрия - оборудване и технологии/2024

Специален брой: Иновации за автомобилната индустрия - оборудване и технологии-2024

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



Top