Slik bruker du batterihåndterings-IC-er for stablede celler

Oppladbare batterier brukes i økende grad til å forsyne høyere spenninger og mer strøm i konstruksjoner som elektriske kjøretøyer (EV) og hybridelektriske kjøretøyer (HEV), elektroverktøy, plenutstyr og avbruddsfrie strømforsyninger. Selv om det er velkjent at kjemi av alle slag trenger nøye overvåking og styring for å sikre effektiv, pålitelig og sikker drift, krever de seriekoblede stablene – med mange titalls eller flere celler – som er nødvendig for å møte strømbehovet til disse enhetene, mer oppmerksomhet fra konstruktører, spesielt når antall celler per batteri øker.

Å overvåke og måle én enkelt celle eller en liten batteripakke med bare noen få celler er ikke noen stor utfordring, og det er langt enklere enn å gjøre det samme for en streng med flere celler i serie. Konstruktører av stablede, flercellede implementasjoner må ta i betraktning utfordringer som å utføre målinger til tross for høy fellesmodus-spenning, tilstedeværelse av farlige spenninger, implikasjoner av feil på enkeltceller, multipleksing på tvers av et stort antall celler, uoverensstemmelser og balansering av celler samt temperaturdifferensialer i batteristabler, for å nevne noen få. Disse krever avanserte batterihåndterings-IC-er (BMIC – battery management IC) og batterihåndteringssystemer (BMS – battery management system) for å utføre parametrisk måling og styring, og litt teknisk kunnskap for å kunne bruke dem på riktig måte.

Denne artikkelen tar for seg det grunnleggende og de generelle utfordringene relatert til batterihåndtering – særlig flercellede batterier. Den introduserer og viser deretter hvordan man bruker BMIC-er fra Analog Devices, Renesas Electronics Corp. og Texas Instruments som er spesialkonstruert for de unike problemene relatert til å håndtere seriekoblede cellestrenger.

Batteriseriestrenger kommer med noen unike utfordringer

Typisk batteriovervåking innebærer måling av strømflyten inn og ut av batteriet (drivstoffmåling), overvåking av terminalspenning, vurdering av batterikapasitet, overvåking av celletemperaturer og styring av lading-/utladningssykluser for å optimalisere energilagring og maksimere antallet slike sykluser over levetiden til et batteri. Mye brukte BMIC-er eller BMS-er leverer disse funksjonene for små batteripakker som består av kun én eller to celler med ensifrede spenningsnivåer. BMIC-en eller BMS-en fungerer som en datainnsamlings-frontend, der dataene rapporteres til en styring for cellehåndtering (CMC – cell management controller). I mer komplekse systemer kobles CMC-en til en funksjon av høyere orden kalt batterihåndteringsstyring (BMC – battery management controller).

I forbindelse med denne artikkelen er en «celle» en individuell energilagringsenhet, mens et «batteri» er hele strømforsyningsenheten, som omfatter flere celler i serie/parallell-kombinasjon. Selv om én enkelt celle kun produserer noen få volt, kan en batteripakke bygges opp av dusinvis eller flere celler og levere mange titalls volt, og kombinasjoner av batteripakker kan gå enda høyere.

De kritiske celleparametrene som må måles for å oppnå effektiv styring er terminalspenning, ladning-/utladningsstrøm og temperatur. Måleytelsen som trengs for moderne batteripakker er ganske høy: Hver celle må måles innenfor noen få millivolt (mV) og milliampere (mA), og til omtrent en celsiusgrad (°C). Årsakene til slik tett overvåking av nære celler omfatter:

• Fastsettelse av batteripakkens ladetilstand (SOC – state-of-charge) og helsetilstand (SOH – state-of-health) for å gi nøyaktige beregninger av gjenværende batterikapasitet (driftstid) og samlet forventet levetid.
• Tilveiebringe dataene som trengs for å implementere cellebalansering, som utjevner spenningen til ladede celler i forhold til hverandre, til tross for interne forskjeller, samt forskjellige steder, temperaturer og aldring. Hvis cellebalansering ikke utføres, vil dette i beste fall resultere i en reduksjon i ytelsen til batteripakken og i verste fall cellefeil. Balansering kan oppnås ved å bruke passive eller aktive teknikker. Sistnevnte gir litt bedre resultater, men er mer kostbar og kompleks.
• Forhindre mange forhold som kan skade batteriet og føre til sikkerhetsproblemer for brukeren (for eksempel en bil og passasjerene i den). Disse omfatter uønskede scenarier, for eksempel:
• Overspenning eller lading ved overstrøm, noe som kan føre til ustabil varmeutvikling.
• Underspenning: Én enkelt overladning vil ikke forårsake katastrofale feil, men det kan føre til at anodelederen begynner å smelte. Påfølgende gjentatte overladningssykluser kan føre til litiumbelegging i ladecellen og, igjen, potensiell ustabil varmeutvikling.
• Overtemperatur påvirker celleelektrolyttmaterialet, noe som reduserer SOC. Dette kan også øke dannelsen av SEI (solid-electrolyte interphase), noe som resulterer i økt og ikke-uniform resistivitet og effekttap.
• Under-temperatur er også et problem, da det kan forårsake avsetning av litium, som også resulterer i tap av kapasitet.
• Overstrøm og den resulterende interne oppvarmingen på grunn av ujevn intern impedans og den resulterende ustabile varmeutviklingen. Dette kan øke SEI-lagene i batteriet og øke resistiviteten.

Vi har et litt kinkig problem her fordi det er for eksempel ganske enkelt å nøyaktig måle spenningen til en individuell celle på testbenken eller i en annen fordelaktig omgivelse. En konstruktør trenger bare koble til et jordingsfritt eller batteridrevet digitalt voltmeter (DVM) over den aktuelle cellen (figur 1).

Figur 1: Måling av spenning over en hvilken som helst enkeltcelle i en seriestreng er enkelt i teorien, og krever bare et jordingsfritt digitalt voltmeter. (Bildekilde: Bill Schweber)

Det er imidlertid, av mange grunner, langt vanskeligere å gjøre dette med visshet og sikkerhet i en elektrisk og miljømessig tøff situasjon, for eksempel i en elbil (EV) eller et hybridelektrisk kjøretøy (HEV). Dette gjøres tydelig med et representativt eksempel på en EV-strømforsyningsenhet som omfatter 6720 Li+-celler, håndtert av åtte styringsmoduler (figur 2).

Figur 2: En batteripakke i den virkelige verden er en rekke serie- og parallellkoblede celler i moduler, med en betydelig mengde lagret energi. Dette er faktorer som i stor grad kompliserer måling av cellespenninger. (Bildekilde: Analog Devices)

Hver enkelt celle har en kapasitet på 3,54 ampere-timer (Ah), noe som resulterer i en total nominell energilagring på 100 kilowatt-timer (kWh) (3,54 Ah x 4,2 volt x 6720 celler). Hver av de 96 seriekoblede radene består av 70 parallelle celler, for en batterispenning på 403,2 volt (96 rader × 4,2 volt), med en kapasitet på 248 Ah (100 kWh/403,2 volt eller 3,54 Ah × 70 kolonner).

Noen av problemstillingene er:

• Det er en utfordring å levere den nødvendige oppløsningen og nøyaktigheten under måling av en lav (ensifret) spenning for å oppnå meningsfull presisjon ved flere millivolt på grunn av tilstedeværelsen av høy fellesmodusspenning (CMV – common-mode voltage), som kan overbelaste målesystemet eller påvirke gyldigheten til avlesningen. Denne CMV-verdien er summen av spenningene til alle seriekoblede celler, opp til cellen som måles, med hensyn til «system common» (også kalt «jord», selv om dette er en feilbetegnelse). Vær oppmerksom på at det i en EV kan være opptil 96, eller til og med 128, battericeller i serie, noe som gir en CMV på hundrevis av volt.
• På grunn av den høye fellesmodusspenningen (CMV), er det nødvendig å galvanisk isolere cellene fra resten av systemet for å oppnå både elektrisk integritet og bruker-/systemsikkerhet, siden ingen av dem potensielt bør utsettes for hele CMV-en.
• Elektrisk støy og strømstøt kan lett ødelegge avlesninger i millivolt-området.
• Flere celler må måles nesten samtidig i løpet av noen få millisekunder for å skape et nøyaktig helhetsbilde av statusen til cellene og batteripakken. Ellers kan tidsskjevhet mellom cellemålingene resultere i misvisende konklusjoner og resulterende handlinger.
• Det store antallet celler betyr at det er behov for en type multiplekssammenstilling mellom cellene og resten av undersystemet for datainnhenting, ellers blir størrelsen, vekten og kostnaden for sammenkoblingskablingen uoverkommelig.

Til slutt er det vesentlige og obligatoriske hensyn til sikkerhet, redundans og feilrapportering som må tilfredsstilles. Standardene varierer fra bransje til bransje. Industri- og elektroverktøy er veldig forskjellige fra de som brukes i kjøretøy, der standardene for sistnevnte er de strengeste. I driftskritiske kjøretøysystemer, for eksempel de som er relatert til batteristyring, må ikke tap av funksjonalitet føre til farlige situasjoner. Hvis det skulle oppstå funksjonsfeil i systemet, krever «trygg»-tilstanden at elektronikken slås av, og kjøretøyets sjåfør må varsles via en varsellampe eller en annen indikator.

For noen systemer kan imidlertid en funksjonsfeil eller tap av funksjonalitet potensielt føre til en farlig hendelse og kan ikke bare slås av, så sikkerhetsmålene kan omfatte et definert krav om «sikkerhetsrelatert tilgjengelighet». I slike tilfeller kan det være nødvendig med toleranse for enkelte feiltyper i systemet for å unngå farlige hendelser.

En slik sikkerhetsrelatert tilgjengelighet krever at det finnes grunnleggende funksjonalitet eller en definert bane for «avslutning» i en bestemt tidsperiode – til tross for de definerte feilforholdene – og sikkerhetssystemet må tolerere en feil i denne tidsperioden. Denne feiltoleransen gjør det mulig for systemet å fortsette å fungere lenger, med et akseptabelt sikkerhetsnivå. Viktige deler i ISO 26262 «Funksjonssikkerhet for kjøretøyer på vei» gir veiledning til systemutviklere om sikkerhetsrelaterte tilgjengelighetskrav.

IC-er står til tjeneste for levere løsninger

Leverandører har utviklet BMS IC-er som er konstruert for å løse problemet relatert til å lese én enkelt celle i en seriestreng med nøyaktighet – til tross for høy CMV og det tøffe elektriske miljøet. Disse IC-ene gir ikke bare grunnleggende avlesninger, de tar også for seg tekniske problemer knyttet til multipleksing, isolasjon og tidsforvrengning. De oppfyller de relevante sikkerhetsstandardene og er, dersom det er hensiktsmessig, klassifisert for ASIL-D-godkjenning for bruk i bilutrustning, som er det høyeste og strengeste nivået.

ASIL (Automotive Safety Integrity Level) er et risikoklassifiseringssystem definert i ISO 26262 – Standard for funksjonssikkerhet for kjøretøy på vei (Functional Safety for Road Vehicles). Dette er en tilpasning av sikkerhetsintegritetsnivået (SIL – Safety Integrity Level) som brukes i IEC 61508 for bilindustrien.

Selv om de generelle funksjonene til disse BMS-enhetene ligner hverandre, har de noen små forskjeller i arkitektur, antall celler de kan håndtere, skannehastighet, oppløsning, unike funksjoner og sammenkoblingsmetode:

•Den isolerte CAN-arkitekturen er basert på en stjernekonfigurasjon og er robust, da et brudd i kommunikasjonsledningen i den isolerte CAN-arkitekturen kun avbryter én IC, mens resten av batteripakken forblir sikker. CAN-arkitekturen krever imidlertid en mikroprosessor og CAN for hver IC, noe som gjør denne tilnærmingen mer kostbar, samtidig som den gir relativt trege kommunikasjonshastigheter.

•Den seriekoblede arkitekturen er generelt sett mer kostnadseffektiv, siden dens universelle asynkrone mottaker/sender (UART – universal asynchronous receiver/transmitter)-baserte seriekobling kan levere pålitelig og rask kommunikasjon uten kompleksiteten til CAN. Den bruker oftest kapasitiv isolasjon, men kan også støtte transformatorbasert isolasjon. Et ledningsbrudd i den seriekoblede arkitekturen kan imidlertid avbryte kommunikasjonen, så noen slike seriekoblede systemer tilbyr «alternative løsninger» og støtter noen operasjoner under ledningsbruddet.

Noen av de representative BMS IC-ene er:

• MAX17843 BMS fra Analog Devices: MAX17843 er et programmerbart 12-kanals grensesnitt for batteriovervåking med omfattende sikkerhetsfunksjoner (figur 3). Det er optimalisert for bruk med batterier for kjøretøysystemer, HEV-batteripakker, elbiler og alle systemer som stabler lange seriestrenger av sekundære metallbatterier på opptil 48 volt.

Figur 3: Det 12-kanals grensesnittet for innhenting av batteriovervåkingsdata, MAX17843, har flere sikkerhetsfunksjoner, noe som gjør det egnet for kjøretøyutrustninger og -mandater. (Bildekilde: Analog Devices)

MAX17843 innlemmer en høyhastighets differensiell UART-buss for robust seriekoblet seriellkommunikasjon, som støtter opptil 32 IC-er koblet til én enkelt seriekobling (figur 4). UART bruker kapasitiv isolasjon som ikke bare reduserer materialkostnadene (BOM), men også forbedrer FIT-hendelser (FIT – failure in time).

Figur 4: Den 12-kanals MAX17843 bruker kapasitiv galvanisk isolasjon i sin seriekoblede UART-konfigurasjon, og støtter opptil 32 enheter i én enkelt kjede. (Bildekilde: Analog Devices)

Den analoge inngangen (front-end) kombinerer et 12-kanals system for innhenting av spenningsmålingsdata med en høyspent bryter-bank-inngang. Alle målinger gjøres differensielt på tvers av hver celle. Måleområdet i fullskala er fra 0 til 5,0 volt, med et utnyttbart område på 0,2 til 4,8 volt. En høyhastighets suksessiv approksimasjon (SAR) A-D-omformer (ADC) brukes til å digitalisere cellespenningene i en 14-biters oppløsning med oversampling. Alle tolv cellene kan måles på under 142 mikrosekunder (μs).

MAX17843 bruker en tilnærming med to skanninger for å samle inn cellemålinger og korrigere dem for feil, noe som gir utmerket nøyaktighet over driftstemperaturområdet. Nøyaktigheten til celledifferensialmålingen er spesifisert ved ±2 millivolt (mV) ved +25 °C og 3,6 volt. For å legge til rette for konstruksjon med denne IC-en, tilbyr Analog Devices MAX17843EVKIT#-evalueringssettet med et PC-basert grafisk brukergrensesnitt (GUI) for oppsett, konfigurasjon og vurdering.

• ISL78714ANZ-T fra Renesas: ISL78714 Li-ion BMS IC-en overvåker opptil 14 seriekoblede celler og tilbyr nøyaktig cellespenning- og temperaturovervåking, cellebalansering og omfattende systemdiagnostikk. I en typisk konfigurasjon kommuniserer en ISL78714-master til en vertsmikrokontroller via en SPI-port (SPI – serial peripheral interface), og opptil 29 ytterligere ISL78714-enheter koblet sammen av en robust, proprietær to-lederseriekobling (figur 5). Dette kommunikasjonssystemet er svært fleksibelt og kan bruke kondensatorisolasjon, transformatorisolasjon eller en kombinasjon av disse på opptil 1 megabit per sekund (Mb/s).

Figur 5: ISL78714 bruker en SPI-port til å koble sammen flere enheter i en to-lederseriekobling som kan bruke enten kapasitiv- eller transformatorbasert isolasjon. (Bildekilde: Renesas Electronics Corp.)

Innledende nøyaktighet for spenningsmåling er ±2 mV med 14-biters oppløsning over et område på 1,65 til 4,28 volt fra 20 °C til +85 °C. Nøyaktighet for monteringsenheten etter kortet er et tett område på ±2,5 mV over et celleinngangsområde på ±5,0 volt (det negative spenningsområdet er ofte nødvendig for samleskinner).

Denne BMS-en omfatter tre cellebalansemoduser: manuell balanse-modus, tidsinnstilt balanse-modus og automatisk balanse-modus. Automatisk balanse-modus avslutter balansering etter at en vertsspesifisert mengde med ladning er fjernet fra hver celle. En av de integrerte systemdiagnostikkene for alle viktige funksjoner er en overvåkende avstengningsenhet for de tilfellene når kommunikasjonen går tapt.

• BQ76PL455APFCR (og BQ79616PAPRQ1) fra Texas Instruments: bq76PL455A er en integrert 16-cellers batteriovervåkings- og beskyttelsesenhet som er utviklet for industrielle konstruksjoner med høy pålitelighet og høy spenning. Det integrerte differensielle, kondensatorisolerte grensesnittet med høy hastighet støtter opptil 16 bq76PL455A-enheter, og kommuniserer med en vert gjennom et enkelt høyhastighets UART-grensesnitt via en seriekobling med tvunnet parkabel på opptil 1 Mb/s (figur 6).

Figur 6: bq76PL455A, den 16-cellers batterihåndterings-IC-en, er rettet mot industrielle konstruksjoner og bruker kapasitiv isolasjon til å koble sammen opptil 16 enheter med tvunnet parkabel som kommuniserer med opptil 1 Mb/s via en seriekoblingssammenstilling. (Bildekilde: Texas Instruments)

Den 14-biters ADC-en bruker en intern referanse der alle celleutganger konverteres på 2,4 millisekunder (ms). Bq76PL455A overvåker og detekterer flere forskjellige feiltilstander, deriblant overspenning, underspenning, overtemperatur og kommunikasjonsfeil. Den støtter passiv cellebalansering med eksterne n-FET-er, samt aktiv utbalansering via eksterne svitsjmatrise-gatedrivere.

Denne BMS-en håndterer strenger med færre enn de maksimalt 16 cellene. Den eneste begrensningen når dette gjøres, er at inngangene må brukes i stigende rekkefølge, der alle ubrukte innganger kobles sammen med inngangen til den høyest brukte VSENSE_-inngangen. Inngangene VSENSE14, VSENSE15 og VSENSE16 brukes for eksempel ikke i en 13-cellers konstruksjon (figur 7).

Figur 7: bq76PL455A kan brukes med færre enn 16 celler, og i slike tilfeller må de ubrukte celleinngangene være de høyeste i koblingskjeden. (Bildekilde: Texas Instruments)

Andre IC-er, for eksempel Texas Instruments bq79616PAPRQ1, omfatter støtte for ringkonfigurasjon og toveiskommunikasjon, slik at systemet kan fortsette å overvåke batteripakkens helse- og sikkerhetstilstand (figur 8).

Figur 8: bq79616PAPRQ1 støtter toveis ringtopologi for en ekstra koblingsbane i tilfelle det skulle oppstå ledningsbrudd eller nodesvikt. (Bildekilde: Texas Instruments)

Hvis det er en feil, åpen eller kortsluttet kobling mellom to av ASIC-ene for batteriovervåking i denne konfigurasjonen, vil styringsprosessoren kunne fortsette å kommunisere med alle ASIC-ene for batteriovervåking ved å veksle meldingsretningen bakover og fremover. Sådan, hvis normal kommunikasjon støter på en feil, kan systemet opprettholde tilgjengeligheten ved å bruke feiltoleransen til ringkommunikasjonsfunksjonen, og dette uten tap av spennings- og temperaturinformasjon fra batterimodulene. For konstruktører som ønsker å eksperimentere med bq79616PAPRQ1, tilbyr Texas Instruments BQ79616EVM-evalueringskortet.

• LTC6813-1 fra Analog Devices, Inc.: LTC6813-1 er en kjøretøykvalifisert monitor for flercellet batteristabel som har opptil 18 seriekoblede battericeller, og den har en total målefeil på mindre enn 2,2 mV via den 16-biters delta-sigma ADC-en med programmerbart støyfilter (Figur 9). Vær oppmerksom på at dette er et høyere antall celler enn noen av de andre IC-ene kan støtte direkte. Alle de 18 cellene kan måles på under 290 mikrosekunder (μs), og lavere datainnsamlingshastigheter kan velges for å oppnå bedre støyreduksjon.

Figur 9: LTC6813-1 støtter det høyeste antallet celler (18) og bruker en 16-biters ADC til å oppnå 2,2 mV nøyaktighet og celleskanning med høy hastighet. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Flere LTC6813-1-enheter kan kobles sammen i serie, noe som gjør det mulig å overvåke celler av lange, høyspente batteristrenger samtidig. LTC6813-1 støtter to typer serieporter: En standard SPI med 4-leder og et isolert grensesnitt (isoSPI) med 2-leder. Den ikke-isolerte porten med 4-leder er egnet for forbindelser over kortere avstander og visse bruksområder som ikke er for bilindustrien (figur 10).

Figur 10: LTC6813-1 støtter en standard SPI-forbindelse med 4-leder for forbindelser over kortere avstander og visse bruksområder som ikke er for bilindustrien. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Den isolerte seriekommunikasjonsporten på 1 Mb/s bruker ett enkelt tvunnet par for avstander på opptil 100 meter (m) med lav EMI-susceptibilitet og lavt EMI-utslipp, siden grensesnittet er konstruert for lave pakkefeilrater selv når kablene utsettes for høye RF-felt. Denne seriekoblingens toveisfunksjon sikrer kommunikasjonsintegritet selv i tilfeller hvor feil skulle oppstå, for eksempel en ødelagt ledning langs kommunikasjonsstien.

I konfigurasjonsmodusen med 2-leder oppnås isolasjon gjennom en ekstern transformator, der standard SPI-signaler kodes i differensialpulser. Styrken på overføringspulsen og terskelnivået til mottakeren angis av to eksterne motstander, R_B1 og R_B2 (figur 11). Verdiene til motstandene velges av konstruktøren slik at en avveining mellom effektavledning og støyimmunitet er mulig.

Figur 11: LTC6813-1 tilbyr også en transformatorisolert seriekommunikasjonsport med 2-leder og 1 Mb/s, via ett enkelt tvunnet par for avstander på opptil 100 m, med både lav EMI-susceptibilitet og lavt EMI-utslipp. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1 kan drives direkte fra batteristakken den overvåker, eller fra en separat isolert forsyning. Den inkluderer også passiv balansering for hver celle, sammen med individuell driftssyklusstyring ved hjelp av pulsbreddemodulasjon (PWM).

Konklusjon

Nøyaktig måling av spenning, strøm og temperatur for én enkelt celle eller en liten batteripakke med bare noen få celler, er ikke noen stor teknisk utfordring. Det er imidlertid en utfordring å nøyaktig måle disse samme parametrene på individuelle celler i en seriestreng – og å gjøre dette i tøffe bil- og industrimiljøer med ubetydelig celle-til-celle-tidsskjevhet – på grunn av det store antallet celler, høye CMV-en, elektriske støyen, regulatoriske mandatene og andre problemer.

Som vist, kan konstruktører bruke IC-er som er spesialutviklet for disse bruksområdene. De støtter den galvaniske isolasjonen, presisjonen og raske skannetiden som trengs for å løse problemene. Som et resultat leverer de nøyaktige, handlingsdyktige resultater som legger til rette for viktige beslutninger om batteristyring på høyt nivå.