Системи за управление на зареждането и следене на състоянието на акумулаторни батерии - част 1

• Всяка BMS система се състои от специализирани и стандартни ИС, както и микроконтролера, периферията му, захранването, сензорите и най-вече управляващия софтуер
  
  
• Съвременните монитори обикновено могат да измерват максимално 14/16/18 клетки, като има тенденция броят на обслужваните клетки да се увеличава, което понижава цената на единичен канал.
  
  
• Бъдещите батерийни монитори вероятно ще имат допълнителна възможност и за електро-импедансни измервания, наричани още импедансна спектроскопия (EIS)

Специализирани компоненти за зареждане на батерии, за комбинирано мрежово и батерийно захранване, както и за управление и контрол на батерийни системи присъстват в програмите на повечето производители на полупроводникови елементи. В резултат всеки, който се занимава с проектиране на електронни устройства, днес разполага с огромен избор от нови и класически интегрални схеми (ИС) с основно приложение зареждане на акумулаторни батерии.

На пръв поглед изборът на конкретна ИС изглежда трудна задача тъй като кратък преглед на предложенията в стандартен търговски каталог показва, че наличните решения са десетки и стотици. Но след като се вземат предвид специфичната химия и напрежение на единична клетка, пакет или батерия, съставена от няколко пакета, желаната температура на работа и съхранение, броят цикли заряд/разряд, необходимостта от самостоятелна работа или интегриране с микроконтролер, търсената надеждност и функционална безопасност, индикацията на различните състояния, възможността за комбиниране на различни захранващи източници, вариантите за интелигентно/автоматично управление на захранването към товара и батерията, подходящите решения за конкретната ситуация бързо се ограничават до само няколко.

Допълнителни фактори

които много бързо отделят реалните решения от тези, които няма да решат конкретната задача, дори и да изглеждат идеални, са цената, складовите наличности и възможностите за регулярна доставка. След няколко кризисни години, в които ИС и периферните компоненти увеличиха многократно своите цени и срок на доставка (ако изобщо можеха да бъдат доставени), пазарът на електронни компоненти навлезе във фаза на относително спокойствие, но проблемът още не е отминал и всички работещи в областта са много внимателни.

Безопасността и надеждността

ще бъдат само споменати в тази статия, защото това е огромна тема според вида на използваните батерии и по-специално при литиевите. Всички батерии трябва да бъдат максимално надеждни и безопасни, като в същото време трябва да гарантират описаните в спецификацията им напрежение, капацитет и запазването на гарантираните характеристики по време на работа, зареждане и покой. Това често са противоположни изисквания, но максималната безопасност и предотвратяването на неконтролируемо загряване/запалване е на първо място.
Нека се опитаме да разделим зареждаемите батерии и системи за зареждането им в няколко класа. Ще разгледаме предимно такива за зареждане на литиеви батерии.

Клас А

включва прибори за масова употреба, с малък капацитет – мобилни телефони, преносими батерийни банки, безжични слушалки, играчки, фенерчета и други подобни. При тези устройства най-често се използва само една клетка, като по-рядко се срещат решения с 2,3,4 клетки или повече. Такива клетки обикновено са със сравнително нисък капацитет, консумираният и зарядният ток са относително малки, работят при стайна или близка до стайната температура.

Клас Б

обхваща устройства за професионална и индустриална употреба, с относително малък капацитет – пробивни и режещи инструменти, системи за безопасност, контрол и наблюдение, светлинна сигнализация и други. Решенията също могат да бъдат с една, но по-често са с няколко клетки. Тук може да добавим и стационарните решения при отпадане на основната захранваща мрежа или компенсиращи моментни върхови натоварвания, всички със среден до голям капацитет. Можем да добавим батериите за медицински, военни и други специализирани приложения.

Класовете В и Г

включват съответно решения за електромобилност с малък до среден капацитет – електрически велосипеди, мопеди/скутери, професионални дронове и решения с голям капацитет - автомобили, камиони, специализирани транспортни средства, строителна техника, фериботи, самолети и др. В класове А до В, дори в Г могат да се използват и безжични решения, на които също е отделено място в статията.
Ще започнем с компонентите, предназначени за

електромобили, камиони и специализирани превозни средства

Общото название на системата, която наблюдава и контролира съответната батерия или няколко батерии е Battery Management System (BMS). Тя следи напрежението на всяка една клетка, общото напрежение и ток на цялата батерия, температурата в определени точки, а понякога и влажност, налягане и други параметри. Повечето хибридни решения (HEV/PHEV) имат батерии с относително ниски напрежения 48 – 96 V. На Фиг.1. е показана BMS за 48 V, при която са използвани два различни (BQ79612 и BQ79652) монитора за напрежение, ток и управление на контактор (cell monitors, analog front end) за клетките, свързани последователно чрез изолиран сериен интерфейс.

Електрическите автомобили (BEV) обикновено имат батерии с високи напрежения 400 – 800 V и дори повече, често означавани само като High Voltage (HV) батерии. На Фиг. 2. е показана блокова схема за 400/800 V система. Типично тук е използването на няколко монитора за клетките (BQ7961x), както и voltage/current/isolation (UIR) монитор BQ79631 в същия комуникационен кръг. Серийната комуникация може да бъде допълнително осигурена с цел по-голяма надеждност.

Всяка BMS система се състои от специализирани и стандартни ИС, като не трябва да забравяме микроконтролера, периферията му, захранването, сензорите и най-вече управляващия софтуер, но в тази статия ще се фокусираме върху специализираните ИС. Производителите на полупроводникови елементи се конкурират в доставянето на оптимални като възможности, качество и надеждност решения и конкретни компоненти за автомобилната индустрия. Някои от тях имат дълги традиции в компонентите около зареждаемите батерии, други навлизат отскоро в тази област – но всички се борят техните продукти да бъдат избрани за производството на следващия автомобил или батерия, предназначена за превозно средство.

В Таблица 1 са описани интегрални схеми, които се произвеждат серийно и са относително отскоро на пазара. Разбира се съществуват и такива, които се разработват в момента, или са предназначени само за партньори, които са подписали дългосрочни договори, но техните характеристики и наименования обикновено са търговска тайна.

Мониторите за напрежение на Texas Instruments - BQ79616/18, NXP MC33771, Analog Devices - ADBMS2951/6832M/33M, Renesas - ISL78714/RAA489204/206, Infineon - TLE9012 и ST Microelectronics - L9963E могат да работят самостоятелно или да се свързват последователно, през сериен интерфейс, за да обслужват по-голям брой клетки. Съвременните монитори често могат да измерват максимално 14/16/18 клетки, като има тенденция броят на обслужваните клетки да се увеличава, което понижава цената на единичен канал. Тези ИС могат да се сравнят с прецизни, бързи многоканални мултиметри измерващи напрежението на всяка една клетка с точност под няколко миливолта. Те разполагат също така с допълнителни АЦП входове за температурни и други аналогови сензори. Осигурено е и пасивно балансиране между клетките, с токове до 200 mA чрез вградените в ИС MOSFET транзистори. При необходимост от по-голям балансиращ ток, е възможно да се използват външни транзистори.

ИС следи и сигнализира за възможните гранични състояния – много ниска или много висока температура, липса на контакт с клетката, превишаване на максималното допустимо напрежение и др. При превишаването им мониторната ИС изпраща съобщение до свързващата ИС, която от своя страна “събужда” захранването на управляващия микроконтролер/автомобилен компютър и/или сигнализира шофьор/оператор. АЦП интерфейсите са дублирани с цел постигане на съоветния клас на безопасност (ASIL), Трябва да се отбележи, че автомобилните приложения все по-често изискват нива ASIL C/D.

Батерийните монитори могат да бъдат свързани и последователно (daisy chain), често до 30+ монитора, с цел да могат да обслужват всички клетки в съответната HV система, които могат до достигнат до стотици. Мониторите се свързват обикновено чрез капацитивно или индуктивно изолиран сериен интерфейс, реазлизиран физически чрез усукана, неекранирана двойка. Скороста на обмен варира между 1-4 Мбит/с, като по-високите скорости са необходими при по-голям брой монитори/клетки и използване на повече температурни и други сензори.

Електрическите характеристики и протоколът между мониторите не са общи и стандартизирани, а обикновено са специфични за всеки производител и съответно мониторите на различни производители за момента не са съвместими помежду си. Обикновено се изолират/преобразуват стандартни UART или SPI интерфейси, които може да бъдат организирани в пълен кръг за по-голяма надеждност при възможно физическо прекъсване в една или няколко части на изолирания интерфейс.

Специфична особеност на някои свързващи ИС е интегрирането на два независими SPI интерфейса, които се конфигурират като Master/Slave за обслужване на изолирания комуникационен кръг, докато при други това е решено чрез вътрешна логика и се използва само единичен SPI/UART интерфейс.

Според състоянието и химичните процеси, работните напрежения за всяка една клеткa могат да бъдат от отрицателни до 5 V+, a според броя клетки напрежението на пакета от клетки може да достигне до 100 V+. При присъединяване към монитора към клетките се получава преходен процес (Hotplug), който може да повреди частично или напълно монитора, затова често се взимат специални мерки за защита, както и постепенно се увеличава максималното работно напрежение. Последните две цифри в името на монитора обикновено означават броя на максималното обслужваните клетки, a минималният брой е обикновено два пъти или повече пъти по-малко от максималния.

Някои нови монитори поддържат също така и допълнителен Master I2C/SPI интерфейс за памети, сензори и т.н., както и още по-високи скорости на обмен през серийния интерфейс и по-висока точност на измерванията. Тъй като батерийните монитори са винаги захранени от самата батерия, производителите се състезават за възможно най-ниска консумация в нормален и в режим на намалена консумация, висока скорост на измерване, висока точност и допълнителни възможности за сензори и защита.

При превишаване на максималните параметри, и извън нормалния работен режим тези интегрални схеми могат да изпратят сигнал за събуждане към управляващия контролер. При изцяло дублирана/кръгова серийна връзка физическото прекъсване лесно се изолира, а комуникацията продължава да работи, което позволява непрекъснатост на функциониране на батерията. Грешката обаче се регистрира, и посещението на сервиз е задължително при първа възможност.
Относителна новост, която постепенно си пробива път е

безжичната BMS система

при която мониторите се изолират и комуникират помежду си и с управляващия микроконтролер без нуждата от изолиран жичен интерфейс. Реализацията на подобна система е примамлива, но невинаги оправдана за конкретно приложение.

BMS системите са затворени в метални корпуси, което води до множество нежелани отражения и интерференция. Сертифицирането на цялата система (въпреки че модулите вече са сертифицирани) също отнема време за проучване, проектиране, изпълнение и тестване. Освен това безжичните модули обикновено означават поне още един микроконтролер към всеки монитор, което означава допълнителен хардуер/софтуер и допълнително тестване. Въпреки това, всички големи производители предлагат подобни решения и твърдят, че те са успешно реализирани в серийно произвеждани автомобили. На Фиг. 3 е показана типична блокова схема на безжичен BMS.

Някои производители използват стандартен или модифициран Bluetooth протокол (NXP, Renesas, Infineon), докато други имат свои собствени специфични реализации (Analog Devices, Texas Instruments). Всички използват стандартния 2,4 GHz обхват, но вероятно е въпрос на време да се появят решения и в други честотни обхвати.

Бъдещите батерийни монитори

вероятно ще имат допълнителна възможност и за електро-импедансни измервания, наричани още импедансна спектроскопия (Electro-impedance spectroscopy, EIS). Така ще се осигури допълнителна информация в реално време за състоянието на всяка една клетка, което пък допълнително ще увеличи ефективността и безопасността. На Фиг. 4 е показана блокова схема на EIS на батерия (сега реализирана с няколко чипа), каквато в бъдеще вероятно може да бъде вградена стандартно или като опция в мониторите за напрежение.

Друга интересна възможност е използването на активното балансиране (Фиг. 5), което е по-ефективно, но и по-сложно и скъпо и по тези причини - не толкова популярно. Дискутират се дори възможности за машинно самообучение (ML/AI), които фино да настройват оптималните модели за зареждане и балансиране според специфичния профил на употреба.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю