Inteligentní řízení baterií pro průmyslové aplikace

Úvod: 20 let vývoje baterií Li-Ion

Technologie lithium-iontových (Li-Ion) baterií se poprvé objevila na počátku roku 1990 jako řešení s vysokým výkonem pro aplikace přenosných počítačů. Již na konci roku 1990 se pak baterie staly ideálním řešením i pro mobilní telefony. Li-Ion články rychle pokořily energetickou hustotu akumulátorů NiCd a NiMH, které byly do té doby používány a v krátké době se staly ideálním zdrojem elektrické energie pro produkty, kde hlavní roli hrála jejich nízká hmotnost a dlouhá doba provozu (v typických provozních podmínkách). Avšak i po více než deseti letech se tato technologie výkonných baterií omezila především na nízko a středně výkonové aplikace. Zatímco Li-Ion články měly extrémně vysokou hustotu energie (kapacita ve watthodinách) a nízkou hmotnost, stále byly poměrně drahé a navíc vyžadovaly použití přesných elektronických obvodů pro správu a údržbu baterie v každém jednotlivém pouzdře (nebo systému).

Později se však podařilo vyvinout nové variace tradičních Li-Ion článků, které jsou lépe optimalizované pro nové typy aplikací. Pomocí kombinace zdokonalení mechanického provedení, nových materiálů a chemických sloučenin, jakož i lepších výrobních metod máme nyní k dispozici celou řadu různých druhů Li-Ion článků a máme tak z čeho vybírat. Některé z nich jsou díky své vysoké energetické hustotě stále ideální pouze pro nízko a středně výkonné aplikace, kde zajišťují dlouhou životnost při častém používání. Jiné jsou naopak určeny pro extrémně vysoké proudy po krátkou dobu, nebo naopak mají prodlouženu životnost pro zajištění dlouhodobého provozu.

Nyní jsme schopni vybrat takové články, které mají ideální parametry přímo pro danou aplikaci, a to od tradičních přenosných počítačů a mobilních telefonů až po výkonné průmyslové terminály, skenery, ruční nástroje, bezšňůrové elektrické nástroje, elektrická vozidla i velké záložní zdroje pro serverové (stacionární) systémy. Řídicí obvody pro aplikace Li-Ion článků, které byly dříve výsadou jen několika málo výrobců, jsou dnes snadno dostupným prvkem dodávaným celou řadou firem.

Přesné elektronické systémy jsou rozhodující pro všechny Li-Ion aplikace

V prvních dnech uvedení Li-Ion článků na trh byla většina konstruktérů elektronických aplikací silně znepokojena potřebou nových obvodů pro správu napájení. Na rozdíl od klasických NiCd / NiMH a olověných akumulátorů nové články nesnášejí jakékoliv přebíjení a jejich poškození hrozí i při rychlém vybíjení. Aby byla splněna podmínka přesného a úplného nabití v každém cyklu, a to bez přebíjení, jsou vyžadovány precizní vnější obvody. Pokud se navíc Li-Ion články používají ve výpočetní technice nebo jako záloha v datových centrech, nehlídá se pouze jejich nevhodné použití, ale používá se i další kategorie obvodů informujících obsluhu o aktuálním stavu jejich kapacity. Je velmi důležité, aby byl uživatel upozorněn s dostatečným předstihem, že jsou baterie téměř vybité, aby stihl uložit všechny důležité údaje ještě před vypnutím systému.

Původní obvody pro monitorování baterií jednoduše změřily svorkové napětí a tuto hodnotu porovnaly s jednou (nebo více) předem stanovenou rozhodovací úrovní (s určitou tolerancí). Výsledkem byla jednoduchá informace, že baterie je plná, skoro prázdná nebo se pohybuje někde mezi tím. Tato metoda je však použitelná pouze při velmi malé zátěži (nebo v režimu stand-by, kdy je baterie v klidovém stavu), protože hodnota napětí je vlivem vnitřního odporu baterie silně závislá na aktuálním proudu. Mnohem přesnější technikou monitorování stavu baterie je počítání coulombů. Tato technika spočívá v měření energie – mAh dodané do baterie i odevzdané zpět do zařízení. Cílem je udržovat průběžný součet kapacity baterie na základě počátečního referenčního bodu (od prázdné nebo plné baterie).

V průběhu let se technologie spojené s měřením stavu baterií vyvinuly do takového stavu, kdy jsme dnes schopni určit aktuální kapacitu (SOC – State- -Of-Charge) baterie s přesností lepší než +/– 1%, a to ve většině provozních stavů. Nejpřesnější metoda (Impedance Track™) spočívá v měření napětí článku na prázdno (OCV – Open-Circuit Voltage) a jeho srovnání s tabulkou známých hodnot (Chemical ID Table). Chemická ID tabulka koreluje konkrétní hodnoty OCV do určité SOC pro určitý typ chemického složení baterie. Ze známé hodnoty SOC, v případě, že je baterie nabitá nebo vybitá, lze již snadno měřit proud z/do baterie v jednom ze dvou směrů a opět v mAh monitorovat aktuální energii v článku. Jakmile se baterie dostane opět do klidového stavu, je načtena nová hodnota OCV (ta koresponduje rovněž s jinou úrovní SOC). Protože je však již v tuto chvíli známo, kolik mAh odpovídá rozdílu mezi těmito dvěma úrovněmi SOC, lze přesně určit celkovou kapacitu dané baterie. Vzhledem k tomu, že rovněž známe také aktuální stav nabíjení (SOC2) i celkovou dostupnou kapacitu, je možné přesně určit zbývající energii v mAh dané baterie. Viz [4] pro více informací k tomuto algoritmu.

Kromě SOC však v praxi obvykle chceme znát také celkový stav akumulátoru (SOH – State-Of-Health). SOC nám říká, kolik energie zbývá v akumulátoru, naproti tomu SOH indikuje stav, kdy je třeba celou baterii vyměnit. Dejme tomu, že máme novou baterii, která má celkovou kapacitu v plně nabitém stavu (FCC) = 10 Ah. V případě, že hodnota SOC je rovna 70 %, máme k dispozici 7 Ah zbývající energie. Jak však baterie stárne, postupně klesá i její maximální kapacita v plně nabitém stavu. Po několika stech cyklech se tak při novém změření/ výpočtu FCC můžeme dostat na hodnotu pouhých 8,5 Ah. To znamená, že baterie není ani po svém plném dobití schopna dodat tolik energie, jako by to udělala, kdyby byla nová. V tomto případě máme hodnotu SOH rovnu 85 %. Většina aplikací je dnes nastavena tak, aby požadovala výměnu baterie při SOH nižším než 75 % z důvodu rizika jejího náhlého nebo neočekávaného selhání.

Jak se liší Li-Ion pro průmyslové vs. spotřebitelské aplikace?

V případě spotřebitelských aplikací je u napájecí baterie a battery managementu kladen hlavní důraz na co možná nejmenší rozměry a zároveň dostatečné množství energie. Obvody pro správu napájení jsou vyvinuty s cílem poskytnout nejvyšší možnou míru integrace a často jsou určeny přímo pro jeden, možná dva, druhy aplikací specifických pro daný obvod. Příklad obvodu pro řízení vícečlánkového akumulátorového packu z notebooku je uveden na obr. 2. Všechny potřebné funkce jsou zde implementovány v jediném obvodu – konkrétně se jedná o bq20z65 s volitelnou redundantní sekundární ochranou napájeného zařízení.

Obor průmyslových aplikací zabírá obrovskou škálu systémů s velmi rozdílnými požadavky. Obecně platí povědomí, že průmyslové aplikace vyžadující odolnější a robustnější napájecí zdroje s vysokou úrovní spolehlivosti a celkově vyšším výkonem. Konkrétní požadavky se však obvykle liší v závislosti na dané aplikaci. Například pro oblast elektrického nářadí jsou typické občasné výkyvy velmi vysokého proudu, které jsou však vzájemně odděleny relativně dlouhou dobou klidu. Dá se říci, že v těchto aplikacích je schopnost dodávky vysokého proudu (obvykle v řádech jednotek ampér po dobu 10 až 100 s) vlastně důležitějším parametrem než například dlouhodobá hustota energie. Běžný uživatel může mít snadno k dispozici více baterií pro jeden nástroj a v okamžiku, kdy je jedna baterie používána, je druhá baterie připojena k nabíječce. Po vybití jedné jsou baterie vyměněny a uživatel může bez problému pokračovat v práci. Rovněž velmi přesné měření stavu baterie je v tomto případě mnohem méně důležité, neboť zde nehrozí ztráta dat v případě, kdy je nástroj dočasně vypnut.

Požadovaného výkonu je dosaženo použitím odpovídajících článků nebo jejich sério/paralelní kombinací. Některé z typických konfigurací článků/packů z oblasti spotřební a průmyslové elektroniky jsou uvedeny v tab. 2.

Pro průmyslové aplikace s vyšším počtem článků je však nutné použít speciální řešení pro správu vícečlánkových baterií. Použití jednočipového měřiče / ochranného obvodu v případě většího množství článků v baterii je poněkud nepraktické. Mnohem častěji se tak v praxi používá řešení, kdy analogové funkce (vyvažování a ochrana článků) jsou zajištěny jedním nebo více (vysokonapěťovými) obvody, zatímco samotná inteligence (měření energie a hlídání kapacity) je soustředěna v samostatném (obvykle čistě digitálním) obvodu. Analogové obvody mohou zajistit také regulaci napětí pro ochranu baterie, podobně jako je tomu na obr. 3.

Konstrukce větších baterií je náročnější i z pohledu zvýšené péče. Vyšší dostupný výkon znamená větší bezpečnostní riziko v případě selhání nebo poruchy, jako je přehřátí, zkrat výstupních svorek, přetížení, nebo naopak přebíjení. Je-li použito větší množství Li-Ion článků řazených v sérii, je kritickým problémem i jejich vzájemné vyvažování. Pokud by tomu tak nebylo a jednotlivé články by v baterii nebyly individuálně sledovány a pravidelně vyvažovány, hrozí, že se jejich vzájemný stav postupně rozjede, a to až do bodu, kdy u jednoho z článků dojde ke katastrofálnímu selhání, čímž dojde ke zničení celé baterie. Články se přitom mohou od sebe rozejít z mnoha důvodů – ať už kvůli počátečnímu rozdílu kapacity (z důvodu výrobních tolerancí), rozdílu vnitřního odporu, počáteční hodnotě SOC, nebo například i vlivem různých provozních teplot (baterie v přenosných počítačích). V případě, že jsou články baterie opakovaně nabíjeny a vybíjeny bez obnovení rovnováhy, nesoulad (rozdíly mezi články) se s každým cyklem postupně zvyšují (obr. 4).

Prakticky změřená data na obr. 4 ukazují, jak může nerovnováha v jednotlivých cyklech postupně narůstat. V grafu jsou uvedeny napětí tří sériově řazených článků. Dva články baterie se přitom chovají téměř shodně – viz zelený a žlutý průběh, které vypadají téměř jako jediný záznam. Třetí článek, který je zaznamenán v růžové barvě, má však o poznání nižší napětí. Aby se zabránilo poškození baterie úplným vybitím, dojde k jejímu odpojení ve chvíli, kdy napětí článku poklesne pod úroveň bezpečného napětí 3,0 V. Při každém vybíjecím cyklu bude právě tento nejslabší článek zdrojem předčasného vypnutí celé baterie. A naopak při nabíjení dosáhnou dva nejsilnější články konečného napětí (4,2 V) mnohem dříve. V praxi to znamená, že tyto dva nejsilnější články budou nabíjeny až do své maximální bezpečnostní hranice 4,25 V, než dojde k přerušení proudu. Ale v tomto okamžiku třetí článek není stále ještě plně nabit. V dalším cyklu tak začíná s nižší energií a je opět první, kdo zapříčiní bezpečnostní vypnutí celého systému. V dalších cyklech nabíjení/vybíjení se situace ještě zhoršuje, protože článek je vždy nabitý na nižší SOC. Pokud je pak baterie dlouhodobě provozována v nevyváženém stavu, trpí tím i její celkový výkon, neboť její silnější články mohou být opakovaně vystavovány přebíjení, jak zde bylo uvedeno.

Zrekapitulujme si nyní některé klíčové otázky spojené s většími bateriemi: Velké akumulátory se rovnají vyšší napětí a větší proudy. Úroveň zátěže i nabíjecí proudy se mohou pohybovat v širokém rozmezí a ochranné FET obvody musí být dimenzovány odpovídajícím způsobem. Systémy mohou mít oddělené cesty pro nabíjení a vybíjení, nejčastěji v případě elektrického nářadí. Větší baterie mohou rovněž trpět nerovnoměrným rozložením tepla za provozu. Nerovnoměrný ohřev jednotlivých článků může být opět potenciálním zdrojem vzniku nerovnovážného stavu. Pro bezpečnější provoz je tak vhodné použití více teplotních senzorů. Správné vyvážení baterie je vždy velmi důležité.

Zátěž a baterie mohou být navzájem i poměrně vzdálené, jako například u elektromobilů. Dlouhé přívodní kabely pak mají při zapínání a vypínání zátěže za následek vysoké napěťové (indukční) špičky. Všechny obvody řízení baterie musí být přitom navrženy tak, aby přechodové přepětí zvládly. V závislosti na typu zátěže může toto napětí dosahovat i více než dvojnásobku nominální hodnoty.

Olovo je stále důležité

Olověné baterie se používají již od roku 1859 a i dnes jsou stále populární díky své robustní konstrukci, nízkým výrobním nákladům a lepšímu procesu recyklace [1]. Z toho důvodu jsou také stále hojně využívány v automobilovém průmyslu, jako nezastupitelný zdroj energie pro startér, palubní rozvody i světla (SLI – Starting-Lighting-Ignition). I v případě dalších dopravních aplikací, jako jsou lodě, vysokozdvižné vozíky či kupříkladu golfové vozíky, kde se musíme v praxi potýkat s hlubokým vybitím, jsou stále nejpoužívanějším zdrojem energie. Podobně také expanze datových serverů a vzdálených bezdrátových základen tvoří místo, kde jsou olověné akumulátory stále nepostradatelné pro schopnost pokrytí vysoké spotřeby energie. Ve všech těchto případech je nezbytné přesné monitorování a přehled o aktuálním stavu baterie, především hodnot SOC a SOH. V případě zálohovacích baterií je důležité vědět, zda je schopna dodat požadovaný výkon v okamžiku, kdy je to nejvíce potřeba, a nehrozí ztráta kritických dat nebo výpadek bezdrátového pokrytí.

Jak již bylo zmíněno, prosté měření napětí baterie nám neposkytuje žádné přesné hodnoty SOC a SOH, které jsou závislé především na nabíjecím/ vybíjecím proudu a provozní teplotě. Hodnota napětí vychází pouze z chemické reakce při nabíjení a vybíjení baterie. Pokud bychom přesto z napětí baterie chtěli mít alespoň odhad hodnoty SOC, je potřeba nechat baterii alespoň několik hodin v klidu pro dosažení rovnovážného stavu před OCV a při tom je vhodné měřit napětí naprázdno. Doporučené hodnoty dle BCI (Battery Council International) pro 12V olověné startovací baterie jsou uvedeny v [2]. Alespoň přibližnou hodnotu SOC lze získat pouze v klidovém stavu, při nabíjení/ vybíjení jednoduché měření svorkového napětí nestačí. Rovněž hodnotu SOH nelze získat pouze z napětí, protože zde zcela chybí informace o stárnutí baterie.

Další metodou užívanou v případě olověných akumulátorů je měření specifické hmotnosti (SG) elektrolytu. Ovšem i tato metoda trpí silným nedostatkem v přesnosti informace SOH, na které má vliv mimo jiné teplota, koncentrace a rozvrstvení elektrolytu i potřeba dostatečné stabilizace před její aplikací.

Vzhledem k omezení u výše uvedených metod je pro řešení správy baterie třeba použít takové zařízení, které je schopno automatické funkce a s dostatečnou přesností poskytuje hodnoty SOC a SOH. Společnost TI má v nabídce nejnovější obvod pro správu olověných akumulátorů s označením bq34z110. Obvody pro přesné měření a vyhodnocení stavu baterie, včetně SOC a SOH, využívají metodu Track™gauging [3].

Závěr

Technologie lithium-iontových baterií se vyvinula do takové míry, že je dnes lze využít v celé řadě aplikací, snad jen mimo oblast nízkopříkonové spotřební elektroniky. K dispozici jsou i vysocekapacitní články a rozměrnější baterie, včetně plně optimalizovaných, potřebných elektronických řešení pro jejich správu. Také průmyslové aplikace jsou konečně schopny těžit z vysoké kapacity a nízké hmotnosti, které technologie Li-Ion nabízí. V některých konkrétních případech, jako jsou motorové pily nebo obecně venkovní elektrické nářadí, mohou svou kapacitou dokonce nahradit i malé spalovací motory a nabídnout lehčí, jednodušší a čistší provoz. Společným jmenovatelem všech aplikací Li-Ion baterií je však potřeba přesné elektroniky, vedoucí k zajištění bezpečného a spolehlivého provozu.

Naopak v případě stacionárních aplikací a dopravních prostředků, kde je místo nízké hmotnosti mnohem důležitější nízká cena a dlouhá životnost, zůstávají na prvním místě populární klasické olověné akumulátory. Doplněním o inteligentní monitorovací systém mohou koncoví uživatelé získat přehled o SOH baterie i informaci o potřebě její výměny nebo servisního zásahu. Tím lze snadno zjednodušit aspekt údržby u velkých průmyslových aplikací.