Hvorfor og hvordan man bruger batteristyrings-IC'er til stablede celler

Genopladelige batterier anvendes i stigende grad til at levere højere spændinger og mere strøm i applikationer som f.eks. elektriske køretøjer (EV'er) og hybrid-elektriske køretøjer (HEV'er), elværktøj, græsplæneudstyr og UPS'er. Mens det er velkendt, at alle slags kemikalier kræver omhyggelig overvågning og styring for at sikre effektiv, pålidelig og sikker drift, kræver de serieforbundne stakke af mange tiendedele celler eller flere. Disse er nødvendige for at opfylde disse enheders strømkrav, mere opmærksomhed fra designerne, især når antallet af celler pr. batteri stiger.

Overvågning og måling af en enkelt celle eller en lille batteripakke med kun få celler er en beskeden udfordring og er langt enklere end at gøre det samme for celler i en serie af flere celler. Designere af stablede implementeringer med flere celler skal overveje spørgsmål som f.eks. at udføre målinger på trods af høj common-mode spænding, tilstedeværelsen af farlige spændinger, konsekvenserne af fejl i en enkelt celle, multiplexing på tværs af et stort antal celler, manglende matchning og afbalancering af celler og temperaturforskelle mellem batteri og stak, for blot at nævne nogle få. Disse kræver avancerede batteristyrings-IC'er (BMIC'er) og batteristyringssystemer (BMS'er) til at udføre parametrisk måling og styring samt en vis teknisk knowhow for at kunne bruge dem korrekt.

Denne artikel omhandler det grundlæggende og udfordringerne ved batteristyring i almindelighed og flercellebatterier i særdeleshed. Derefter introduceres og vises det, hvordan man anvender BMIC'er fra Analog Devices, Renesas Electronics Corp. og Texas Instruments, som er specielt designet til de unikke problemer, der er forbundet med håndtering af serieforbundne celle.

Batteriserier i serie udgør unikke udfordringer

Typisk batteriovervågning omfatter måling af strømstrømmen ind og ud af batteriet (brændstofmåling), overvågning af polspænding, vurdering af batterikapacitet, overvågning af celletemperaturer og styring af opladnings-/afladningscyklusser for at optimere energilagring og maksimere antallet af sådanne cyklusser i batteriets levetid. Meget udbredte BMIC'er eller BMS'er leverer disse funktioner til små batteripakker bestående af blot en eller to celler med en enkeltcifret spænding. BMIC eller BMS fungerer som en front-end til dataindsamling, hvis data rapporteres til en cellestyringscontroller (CMC). I mere komplekse systemer er CMC'en forbundet til en højere funktion kaldet batteristyringscontroller (BMC).

I denne artikel er en "celle" en individuel energilagringsenhed, mens et "batteri" er hele energipakken, der består af flere celler i en serie/parallel kombination. Mens en enkelt celle kun producerer nogle få volt, kan en batteripakke bestå af snesevis eller flere celler og levere mange volt, og kombinationer af batteripakker kan levere endnu højere volt.

For at opnå en effektiv styring er de kritiske celleparametre, der skal måles, terminalspænding, opladnings-/afladningsstrøm og temperatur. Den nødvendige måleydelse for moderne batteripakker er ret høj: Hver celle skal måles med en nøjagtighed på få millivolt (mV) og milliampere (mA) og med en nøjagtighed på omkring en grad celsius (°C). Årsagerne til en så tæt overvågning af cellerne er bl.a.:

• Bestemmelse af batteripakkens opladningstilstand (SOC) og helbredstilstand (SOH) med henblik på at give nøjagtige forudsigelser af batteripakkens resterende kapacitet (driftstid) og den forventede samlede levetid.
• Tilvejebringelse af de data, der er nødvendige for at implementere cellebalancering, som udligner spændingen for opladede celler i forhold til hinanden på trods af deres interne forskelle samt forskellige placeringer, temperaturer og ældning. Manglende afbalancering af cellerne resulterer i bedste fald i nedsat batteripakkeydelse og i værste fald i fejl på cellerne. Balancering kan foretages ved hjælp af passive eller aktive teknikker, hvor sidstnævnte giver noget bedre resultater, men er mere omkostningskrævende og kompleks.
• Forebyggelse af mange forhold, der kan beskadige batteriet og føre til sikkerhedsproblemer for brugeren (f.eks. et køretøj og dets passagerer). Disse omfatter uønskede scenarier som f.eks:
• Overspænding eller opladning ved for store strømme, hvilket kan føre til termisk runaway.
• Underspænding: En enkelt overafladning vil ikke forårsage katastrofale fejl, men den kan begynde at opløse anodelederen. Efterfølgende gentagne overafladningscyklusser kan føre til lithiumplettering i genopladningscellen og igen til potentiel termisk runaway.
• Overtemperatur påvirker celleelektrolytmaterialet og reducerer SOC. Dette kan også øge dannelsen af en SEI (Solid-Electrolyte Interphase), hvilket resulterer i øget og uensartet resistivitet og effekttab.
• For lav temperatur er også et problem, da det kan forårsage aflejring af lithium, hvilket også resulterer i et kapacitetstab.
• Overstrøm og deraf følgende intern opvarmning på grund af ujævn intern impedans og eventuel termisk runaway, hvilket kan øge SEI-lagene i batteriet og øge modstandsevnen.

Der er et dilemma her, da det f.eks. er ret ligetil at måle spændingen for en enkelt celle nøjagtigt på en testbænk eller i en anden godartet situation. En designer skal blot tilslutte et flydende (ikke-jordet) eller batteridrevet digitalt voltmeter (DVM) på tværs af den pågældende celle (Figur 1).

Figur 1: Måling af spændingen over en enkelt celle i en seriekobling er enkel i princippet og kræver kun et flydende digitalt voltmeter. (Bill Schweber)

Det er dog af mange grunde langt vanskeligere at gøre det med tillid og sikkerhed i en elektrisk og miljømæssigt vanskelig situation som f.eks. i en EV eller HEV. Dette fremgår tydeligt af et repræsentativt eksempel på en EV-strømforsyningspakke med 6720 Li+ celler, der styres af otte kontrolmoduler (figur 2).

Figur 2: En batteripakke fra den virkelige verden er en række serie- og parallelforbundne celler i moduler med en betydelig mængde lagret energi hvilket er faktorer, der i høj grad komplicerer opgaven med at måle cellespændinger. (Billedkilde: Analog Devices)

Hver celle har en kapacitet på 3,54 amperetimer (Ah), hvilket giver en samlet nominel energilagring på 100 kilowatttimer (kWh) (3,54 Ah x 4,2 volt x 6720 celler). Hver af de 96 seriekoblede rækker består af 70 parallelle celler, hvilket giver en batterispænding på 403,2 volt (96 rækker × 4,2 volt) og en kapacitet på 248 Ah (100 kWh/403,2 volt eller 3,54 Ah × 70 kolonner).

Blandt emnerne er:

• Det er en udfordring at opnå den nødvendige opløsning og nøjagtighed ved måling af en lav, encifret spænding for at opnå en meningsfuld præcision ved flere millivolt på grund af tilstedeværelsen af en høj common-mode spænding (CMV), som kan overbelaste målesystemet eller påvirke målingens gyldighed. Denne CMV er summen af spændingerne fra alle de seriekoblede celler op til den celle, der måles, i forhold til systemets fælles spænding (også kaldet "jord", selv om det er en forkert betegnelse). Bemærk, at der i et EV kan være op til 96 eller endog 128 battericeller i serie, hvilket giver en CMV på flere hundrede volt.
• På grund af den høje CMV er det nødvendigt at isolere cellerne galvanisk fra resten af systemet af hensyn til både den elektriske integritet og brugerens/systemets sikkerhed, da ingen af dem potentielt bør udsættes for den fulde CMV.
• Elektrisk støj og overspænding kan let forvrænge millivolt-aflæsningen.
• De mange celler skal måles næsten samtidig inden for få millisekunder for at skabe et nøjagtigt samlet billede af cellerne og batteripakkens status. Ellers kan tidsforskydninger mellem målingerne af cellerne føre til misvisende konklusioner og deraf følgende foranstaltninger.
• Det store antal celler betyder, at der er behov for en eller anden form for multiplexing mellem cellerne og resten af datafangstundersystemet, da størrelsen, vægten og omkostningerne ved forbindelsesledningerne ellers bliver uoverkommelige.

Endelig er der væsentlige og obligatoriske overvejelser vedrørende sikkerhed, redundans og fejlrapportering, som skal opfyldes. Standarderne er forskellige fra branche til branche. Industri- og elværktøj er meget anderledes end biler, og standarderne for sidstnævnte er de strengeste. I missionskritiske bilsystemer, f.eks. systemer til batteristyring, må et funktionstab ikke føre til en farlig situation. I tilfælde af en fejl i systemet kræver den "sikre" tilstand, at elektronikken slukkes, og at føreren af køretøjet advares via en lampe på instrumentbrættet eller en anden indikator.

For nogle systemer kan en fejlfunktion eller tab af funktionalitet imidlertid potentielt føre til en farlig hændelse og kan ikke blot slukkes, så sikkerhedsmålene kan omfatte et defineret krav om "sikkerhedsrelateret tilgængelighed". I sådanne tilfælde kan det være nødvendigt med tolerance over for visse typer fejl i systemet for at undgå farlige hændelser.

En sådan sikkerhedsrelateret tilgængelighed kræver, at der stilles grundlæggende funktionalitet eller en defineret "exit"-vej til rådighed i en bestemt tidsperiode, på trods af de definerede fejlbetingelser, og at sikkerhedssystemet skal kunne tåle en fejl i denne tidsperiode. Denne fejltolerance gør det muligt for systemet at fortsætte med at fungere i længere tid med et acceptabelt sikkerhedsniveau. Centrale afsnit i ISO 26262 - "Functional Safety for Road vehicles" giver vejledning til systemudviklere om sikkerhedsrelaterede krav til tilgængelighed.

IC'er træder frem for at levere løsninger

Leverandørerne har udviklet BMS-IC'er, der er designet til at løse problemet med at aflæse en enkelt celle i en seriestreng med nøjagtighed, på trods af høj CMV, og det barske elektriske miljø. Disse IC'er leverer ikke kun de grundlæggende aflæsninger, men tager også fat på tekniske problemer med multiplexing, isolation og timingforskudthed. De opfylder de relevante sikkerhedsstandarder og er, hvis det er relevant, klassificeret til ASIL-D-godkendelse til bilapplikationer, hvilket er det højeste og mest stringente niveau.

ASIL-niveauet (Automotive Safety Integrity Level) er en risikoklassificeringsordning, der er defineret i ISO 26262 - Functional Safety for Road Vehicles-standarden. Dette er en tilpasning af det sikkerhedsintegritetsniveau (SIL), der anvendes i IEC 61508 for bilindustrien.

Selv om disse BMS-enheder har de samme "brede" funktioner, er de til en vis grad forskellige med hensyn til arkitektur, antal celler, de kan håndtere, scanningshastighed, opløsning, unikke funktioner og sammenkoblingsmetode:

• Den isolerede CAN-arkitektur er baseret på en stjernekonfiguration og er robust, da et brud på kommunikationskablet i den isolerede CAN-arkitektur kun forstyrrer én IC, mens resten af batteripakken forbliver sikker. CAN-arkitekturen kræver imidlertid en mikroprocessor og CAN til hver enkelt IC, hvilket gør denne fremgangsmåde dyrere og samtidig giver relativt langsomme kommunikationshastigheder.

• Daisy-chain arkitekturen er generelt mere omkostningseffektiv, da den universelle asynkrone modtager/sender (UART)-baserede daisy chain kan levere pålidelig og hurtig kommunikation uden CAN's kompleksitet. Den anvender oftest kapacitiv isolation, men kan også understøtte transformer baseret isolation. Et ledningsbrud i daisy-chain-arkitekturen kan imidlertid afbryde kommunikationen, så nogle af disse daisy-chain-systemer tilbyder "løsninger" og understøtter en vis drift under ledningsbruddet.

Blandt de repræsentative BMS IC'er er:

• MAX17843 BMS fra Analog Devices: MAX17843 er en programmerbar 12-kanals grænseflade til dataindsamling fra batteriovervågning med omfattende sikkerhedsfunktioner (figur 3). Den er optimeret til brug med batterier til bilsystemer, HEV-batteripakker, EV'er og alle systemer, der stabler lange serier af sekundære metalbatterier på op til 48 volt.

Figur 3: MAX17843 12-kanals grænseflade til dataindsamling fra batteriovervågning med 12 kanaler indeholder flere sikkerhedsfunktioner, hvilket gør den velegnet til applikationer og krav i bilindustrien. (Billedkilde: Analog Devices)

MAX17843 indeholder en differentiel UART-bus med høj hastighed til robust seriekommunikation i daisy-chained seriekommunikation, der understøtter op til 32 IC'er tilsluttet i en enkelt daisy-chain (Figur 4). UART'en anvender kapacitiv isolation, hvilket ikke kun reducerer materialekostprisen (BOM), men også forbedrer FIT-raten (failure in time).

Figur 4: Den 12-kanals MAX17843 bruger kapacitiv galvanisk isolation i sin daisy-chain UART-konfiguration, der understøtter op til 32 enheder i en enkelt kæde. (Billedkilde: Analog Devices)

Den analoge front-end kombinerer et 12-kanals spændingsmålingssystem til dataindsamling med en højspændings switch-bank-indgang. Alle målinger foretages differentielt på tværs af hver celle. Det fulde måleområde er fra 0 til 5,0 volt, med et brugbart område på 0,2 til 4,8 volt. Der anvendes en højhastigheds-successiv approximation (SAR) analog-digitalkonverter (ADC) til at digitalisere cellespændingerne med 14-bit opløsning med oversampling. Alle tolv celler kan måles på under 142 mikrosekunder (μs).

MAX17843 bruger en 2-scan tilgang til at indsamle cellemålinger og korrigere dem for fejl, hvilket giver en fremragende nøjagtighed i hele driftstemperaturområdet. Nøjagtigheden af celledifferentialmålingen er specificeret til ±2 millivolt (mV) ved +25 °C og 3,6 volt. For at lette design med dette IC tilbyder Analog Devices evalueringskittet MAX17843EVKIT# med en PC-baseret grafisk brugergrænseflade (GUI) til opsætning, konfiguration og vurdering.

• ISL78714ANZ-T from Renesas: ISL78714 Li-ion BMS IC overvåger op til 14 serieforbundne celler og giver nøjagtig overvågning af cellespænding og temperatur, cellebalancering og omfattende systemdiagnostik. I en typisk konfiguration kommunikerer en master ISL78714 med en host-mikrocontroller via en SPI-port (Serial Peripheral Interface) og op til 29 yderligere ISL78714-enheder, der er forbundet med hinanden via en robust, proprietær to-tråds daisy chain (Figur 5). Dette kommunikationssystem er meget fleksibelt og kan anvende kondensatorisolation, transformerisolation eller en kombination af begge dele med op til 1 megabit pr. sekund (Mbits/s).

Figur 5: ISL78714 bruger en SPI-port til at forbinde flere enheder i en to-tråds daisy chain, der kan bruge enten kapacitiv eller transformer baseret isolation. (Billedkilde: Renesas Electronics Corp.)

Den indledende spændingsmåling er ±2 mV med 14-bit opløsning over et område på 1,65 til 4,28 volt fra 20 °C til +85 °C med en nøjagtighed efter montering på kortet er en nøjagtighed på ±2,5 mV over et celleindgangsområde på ±5,0 volt (det negative spændingsområde er ofte nødvendigt for busbarer).

Dette BMS indeholder tre cellebalanceringstilstande: Manuel balanceringstilstand, tidsafbalanceret balanceringstilstand og automatisk balanceringstilstand. Auto-balance-tilstand afslutter balanceringen, når en host-specificeret mængde opladning er blevet fjernet fra hver celle. Blandt den integrerede systemdiagnostik for alle nøglefunktioner er en watchdog-afbryder, hvis kommunikationen går tabt.

• BQ76PL455APFCR (og BQ79616PAPRQ1) fra Texas Instruments: bq76PL455A er en integreret 16-celle batteriovervågnings- og beskyttelsesenhed, der er designet til industrielle højspændingsapplikationer med høj pålidelighed og høj spænding. Den integrerede højhastigheds, differentielle, kondensatorisolerede interface understøtter op til seksten bq76PL455A-enheder, der kommunikerer med en host via en enkelt højhastigheds UART-grænseflade via en daisy-chain med twisted-pair-kabler med op til 1 Mbits/s (figur 6).

Figur 6: bq76PL455A-batterihåndterings-IC'en med 16 celler er rettet mod industrielle anvendelser og bruger kapacitiv isolation til at forbinde op til 16 enheder med parsnoede kabler, der kommunikerer med op til 1 Mbits/s via en daisy-chain. (Billedkilde: Texas Instruments)

Den 14-bit ADC bruger en intern reference med alle celleudgange konverteret på 2,4 millisekunder (ms). bq76PL455A overvåger og registrerer flere forskellige fejltilstande, herunder overspænding, underspænding, overtemperatur og kommunikationsfejl. Den understøtter passiv cellebalancering med eksterne n-FET'er samt aktiv balancering via eksterne switch-matrix gate-drivere.

Dette BMS kan nemt håndtere stenge med færre end det maksimale antal på 16 celler. Den eneste begrænsning er, at indgangene skal bruges i stigende rækkefølge, idet alle ubrugte indgange skal forbindes sammen med indgangen til den højest anvendte VSENSE_input. I et 13-celledesign bruges indgangene VSENSE14, VSENSE15 og VSENSE16 f.eks. ikke (Figur 7).

Figur 7: bq76PL455A kan bruges med færre end 16 celler og sådanne tilfælde skal de ubrugte celleindgange være de højeste i kæden. (Billedkilde: Texas Instruments)

Andre IC'er, såsom Texas Instruments bq79616PAPRQ1, omfatter understøttelse af ringkonfiguration og tovejs kommunikation, hvilket gør det muligt for systemet at fortsætte med at overvåge batteripakkens sundhedstilstand og sikkerhed (figur 8).

Figur 8: bq79616PAPRQ1 understøtter en tovejs ring-topologi for at sikre en ekstra forbindelsesvej i tilfælde af ledningsbrud eller knudefejl. (Billedkilde: Texas Instruments)

Hvis der er en fejl, åben eller en kortslutning mellem to af batteriovervågnings-ASIC'erne i denne konfiguration, vil kontrolprocessoren kunne fortsætte kommunikationen med alle batteriovervågnings-ASIC'erne ved at skifte meddelelsesretning frem og tilbage. Hvis der opstår en fejl i den normale kommunikation, kan systemet således opretholde tilgængeligheden ved hjælp af ringkommunikationsfunktionens fejltolerance, og det sker uden tab af spændings- og temperaturoplysninger fra batterimodulerne. For designere, der ønsker at eksperimentere med bq79616PAPRQ1, tilbyder Texas Instruments evalueringskortet BQ79616EVM.

• LTC6813-1 fra Analog Devices Inc.: LTC6813-1 er en bilkvalificeret multi-celle batteri stack-monitor, der måler op til 18 serieforbundne battericeller med en samlet målefejl på mindre end 2,2 mV via sin 16-bit delta-sigma ADC med programmerbart støjfilter (figur 9). Bemærk, at dette er et højere antal celler, end nogle af de andre IC'er kan understøtte direkte. Alle 18 celler kan måles på under 290 mikrosekunder (μs), og der kan vælges lavere dataindsamlingshastigheder for at opnå en højere støjreduktion.

Figur 9: LTC6813-1 understøtter det højeste antal celler (18) og bruger en 16-bit ADC til at opnå en nøjagtighed på 2,2 mV og højhastigheds-cellescanning. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

Flere LTC6813-1-enheder kan tilsluttes i serie, hvilket muliggør samtidig celleovervågning af lange højspændingsbatterier. LTC6813-1 understøtter to typer af serielle porte: En standard fire-tråds SPI-grænseflade med fire ledere og en isoleret grænseflade med to leder (isoSPI). Den ikke-isolerede firetråds port er velegnet til kortere forbindelser og visse ikke-automotive applikationer (Figur 10).

Figur 10: LTC6813-1 understøtter en standard fire-wire SPI-forbindelse med fire ledere til kortere afstandsforbindelser og visse ikke-automotive applikationer. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

Den isolerede serielle kommunikationsport på 1 Mbit/s bruger et enkelt snoet par til afstande på op til 100 meter (m) med lav modtagelighed for elektromagnetisk interferens (EMI) og emissioner, da interfacet er designet til lave pakkefejlrater, selv når kablet er udsat for høje RF-felter. Denne daisy chain's tovejsfunktion sikrer kommunikationsintegritet selv i tilfælde af fejl, f.eks. en afbrudt leder langs kommunikationsvejen.

I dens to-tråds konfigurationstilstand opnås isolering via en ekstern transformer med standard SPI-signaler kodet til differentielle impulser. Styrken af sendeimpulsen og modtagerens tærskelniveau indstilles af to eksterne modstande, R_B1 og R_B2 (figur 11). Modstandernes værdier vælges af designeren for at opnå en afvejning mellem strømforbrug og støjimmunitet.

Figur 11: LTC6813-1 tilbyder også en 2-tråds, 1 Mbit/s, transformerisoleret, seriel kommunikationsport via et enkelt twisted pair til afstande på op til 100 m, med både lav EMI-modtagelighed og emissioner. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

LTC6813-1 kan forsynes direkte fra den batteripakke, som den overvåger, eller fra en separat isoleret forsyning. Den omfatter også passiv balancering for hver enkelt celle samt individuel styring af arbejdscyklus ved hjælp af pulsbreddemodulation (PWM).

Konklusion

Nøjagtig måling af spænding, strøm og temperatur for en enkelt celle eller en lille batteripakke med kun få celler er en beskeden teknisk udfordring. Det er imidlertid en udfordring at måle disse samme parametre nøjagtigt på individuelle celler i en seriestreng og at gøre det i barske bilindustrien og industrien med ubetydelig tidsforskydning fra celle til celle på grund af det store antal celler, den høje CMV, elektrisk støj, lovkrav og andre problemer.

Som det fremgår, kan designere anvende IC'er, der er specielt designet til disse applikationer. De understøtter den nødvendige galvaniske isolation, præcision og hurtige scanningstid for at løse problemerne. Som følge heraf leverer de nøjagtige, brugbare resultater, der gør det muligt at træffe vigtige beslutninger om batteristyring på højt niveau.