Vítejte, dnes je
neděle
17.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Do elektrovozů s vysokým napětím míří obvody pro sledování nízkonapěťových baterií.
Pokud jste ještě neřídili elektroautomobil (EV) – hybridní HEV (Hybrid Electric Vehicle), plug-in hybrid PHEV (Plug-in Hybrid Vehicle) nebo kompletně elektrický vůz, pravděpodobně se k tomu brzy dostanete. Obavy z nedostatečného dojezdu se již staly věcí minulosti. Nyní můžete pomoci chránit životní prostředí, aniž byste se přitom strachovali, že někde uvíznete. Vlády po celém světě přicházejí se štědrými finančními motivacemi, kterými chtějí kompenzovat prémiové ceny EV. Doufají přitom, že tím zákazníky odradí od koupě vozidel se spalovacími motory (ICE). Některé úřady se přitom rozhodly pověřit výrobce automobilů konstrukcí a prodejem EV v naději, že s nimi nakonec ovládnou trh, zatímco jiní jdou ještě dále. Například Německo hodlá od roku 2030 zakázat auta se spalovacími motory úplně.
Inovace se po valnou část automobilové historie soustředily na zlepšování účinnosti ICE při spalování pohonných hmot, takže bylo možné snižovat emise a zároveň si přitom řidiče i hýčkat. Drtivá většina novinek z poslední doby však v oblasti ICE přímo souvisí s pokrokem v oboru elektroniky. Zlepšení se tak dotýkají podvozku, převodového ústrojí, požadavků na autonomní řízení, systémů ADAS (Advanced Driver Assistance System), infotainmentu ve vozidle a také bezpečnostních prvků. EV obsahují spoustu stejných elektronických systémů jako auta se spalovacím motorem, samozřejmě plus hnací soustavu samotnou. Hodnotu EV podle Micron Technology tvoří až ze tří čtvrtin elektronika, zatímco se tento podíl bude dále zvyšovat s tím, jak pokroky v polovodičových technologiích nadále srážejí cenu nejrůznějších elektronických modulů a subsystémů. O své sousto z krajíce se dokonce nechtějí nechat připravit ani hráči, kteří v automobilovém průmyslu tradičně nepůsobí, třeba Intel®.
Není žádným překvapením, že se výrobci, a stejně tak i spotřebitelé, ze všech elektronických subsystémů v elektrovozidle soustředí právě na jeho jádro, tedy soustavu baterií. Bateriový systém zde zahrnuje nabíjecí články samotné, aktuálním standardem jsou Li-Ion akumulátory, a také prvky BMS pro jejich řízení (Battery Management System), takže je možné maximální měrou prodloužit výdrž baterií a stejně tak ošetřit i bezpečnost. Standardem pro jejich monitorování se stávají řešení BMS od společnosti Analog Devices. Nejnovějším přírůstkem v široké nabídce chytře řešených integrovaných obvodů – BMS pozvedajících návrhy EV nové generace bude monitorovací obvod pro bateriové sady v elektrovozidlech, LTC2949 od ADI [1].
Základní funkce systému BMS spočívá v monitorování stavu baterie nebo, chcete-li, v případě EV obrovské spousty společně zapojených článků. BMS v případě jednotlivého článku a také jejich sady zpravidla sleduje napětí, proudy, teplotu, parametry SOC (state of charge), SOH (state of health) a další související funkce, např. proudění chladicího média. Vedle zcela zřejmých výhod systému BMS, pokud jde o bezpečnost a také výkon, se přesné monitorování zmiňovaných parametrů obecně projeví na lepších „zážitcích“ za volantem, kde jsou také řidiči spolehlivě informováni o stavu baterie v reálném čase.
Aby vše fungovalo efektivně, musí být měřicí obvody systému BMS, třeba jako u nového monitorovacího prvku pro sady baterií LTC2949, přesné a také rychlé, vykazovat vysoké potlačení souhlasného napětí, spotřebovávat málo energie a bezpečně komunikovat s dalšími součástkami. Mezi další „povinnosti“ systému BMS pro EV řadíme zprostředkování návratu energie zpět do bateriové sady při regeneračním brzdění, vyvažování jednotlivých článků, ochranu celé sady před nebezpečnými úrovněmi napětí, proudu či teploty a také komunikaci s dalšími subsystémy (např. nabíječky, zátěže, řízení teploty a nouzové zastavení).
Aby výrobci automobilů vyhověli požadavkům, pokud jde o přesnost, spolehlivost, snadnou výrobu, cenu a také z hlediska výkonů, využívají při monitorování s BMS různé topologie. Rozdělený přístup zachycený na obr. 1 např. zdůrazňuje vysokou přesnost s lokální znalostí situace, podporu výroby při uvážení sad baterií zapojených do série nebo též minimální vlastní spotřebu a vysokou míru spolehlivosti z titulu nízkopříkonových rozhraní SPI a isoSPI™ pro vzájemnou komunikaci mezi integrovanými obvody.
Obvod LTC2949 je zde využitý ke snímání proudu na nižší straně napájení, zatímco komunikační linky isoSPI™ máme zapojené souběžně se spodním prvkem LTC6811-1 pro sledování baterií [2]. Pro zlepšení spolehlivosti lze navrhnout duální komunikační schéma, a to tak, že k horní části bateriové sady zapojíme druhý transceiver isoSPI™ a vytvoříme tím kruhovou topologii, ve které je možné komunikovat v obou směrech. Oddělenou komunikaci s kontrolérem SPI Master řešíme prostřednictvím signálového převodníku isoSPI™ na SPI, obvodu LTC6820 [3]. Rodinu dále rozšířitelných obvodů LTC681x [4], prvků od společnosti Analog Devices pro monitorování baterií složených z většího počtu článků, je možné využít k měření jednotlivých napětí až 6, 12, 15 nebo 18 článků baterie zapojených do série, přičemž ke stanovení celkových parametrů sady poslouží jeden obvod LTC2949.
LTC2949 je velmi přesným obvodem pro měření proudu, napětí a teploty a také stanovení náboje, výkonu a energie, který byl speciálně navržený pro potřeby elektrovozidel. Díky změření těchto klíčových parametrů mají vývojáři k dispozici základ k výpočtu parametrů SOC a SOH v reálném čase, stejně jako u dalších stěžejních popisů pro celou bateriovou sadu. Na obr. 2 sledujeme blokový diagram obvodu LTC2949 použitého při snímání proudu na vyšší straně napájení. LTC2949 v tomto případě využije přizpůsobitelné plovoucí topologie umožňující sledovat sady baterií o vysokém napětí, zatímco se neomezuje svým vlastním napěťovým rozsahem 14,5 V. Napájení obvodu LTC2949 zajišťuje měnič typu Flyback s galvanickým oddělením a obvodem LT8301 [5]. VCC je zapojeno ke kladné svorce baterie.
Ačkoli automobilisté u obvodů LTC2949 ocení číslicové výstupy a přesnost, vývojáři si budou vážit analogové části LTC2949, souvisejících parametrů a možnosti bezproblémového zapracování prakticky do jakéhokoli systému BMS pro EV. Jádro obvodu LTC2949 tvoří pět rail-to-rail A/D převodníků typu sigma-delta (Σ-Δ) s nízkým offsetem zajišťujících přesná napěťová měření. Z pěti ADC jsou dva 20bitové A/D převodníky k dispozici pro měření úbytku napětí na dvou snímacích rezistorech, jak to také vidíme na obr. 2. S působivou přesností 0,3 % tím zprostředkují informace o proudu tekoucím v případě dvou samostatných hladin. Společně s offsetem menším než 1 μV obvody LTC2949 rovněž nabízí mimořádně velký dynamický rozsah. Podobně je také měřeno celkové napětí sady baterií – s rozlišením až 18 bitů a přesností 0,4 %. Dva speciální A/D převodníky pro měření výkonu poté pracují se vstupy z bočníku a napětím sady baterií. Výsledkem jsou informace o výkonu s přesností 0,9 %. Poslední 15bitový ADC poslouží při měření až 12 souvisejících napětí, což se také bude hodit v souvislosti s vnějšími teplotními čidly nebo odporovými děliči. Na základě vestavěného multiplexeru s obvody LTC2949 vyřešíme rozdílová rail-to-rail napěťová měření mezi jakoukoli dvojicí 12 oddělených vstupů s přesností 0,4 %.
Abychom si vše zjednodušili, pět A/D převodníků obvodu LTC2949 nám zde vytváří tři kanály sběru dat. Každý kanál lze přitom v závislosti na aplikaci nakonfigurovat s některou ze dvou rychlostí – viz také tabulka 1. Dva kanály je např. možné použít k monitorování jednoho shunt rezistoru – v jednom případě pro pomalá (100 ms) velmi přesná měření proudu, výkonu, náboje a energie, zatímco v dalším pak pro rychlá (782 μs) zhodnocení proudu synchronizovaná s měřením napětí sady baterií pro účely sledování impedance nebo měření před nabíjením. Jindy zase budeme situaci na dvou rozdílně velkých shunt rezistorech sledovat prostřednictvím dvou samostatných kanálů, opět jako na obr. 2, takže u každého bočníku dokážeme udržet v rovnováze přesnost a výkonové ztráty. Třetí pomocný kanál může mezitím posloužit buď k rychlým měřením zvolených oddělených vstupů nebo auto-round-robin (RR) měřením dvou konfigurovatelných vstupů, napětí sady, teploty čipu, napájecího napětí a také napětí referenčního.
Pokud jsou kterékoli ze tří kanálů sběru dat u obvodu LTC2949 nakonfigurovány pro práci v rychlém režimu, tedy s dobou převodu v délce 782 μs a s rozlišením 15 bitů, může LTC2949 svá měření napětí sady a také proudu synchronizovat s měřeními napětí článků zprostředkovanými kterýmkoli obvodem LTC681x pro monitorování vícečlánkových zdrojů. V případě samostatných článků tak bude možné vyvodit impedanci, stáří a také SOH. S touto informací lze již vyhodnotit výdrž (kondici) sady baterií, protože nejslabší článek zde dříve či později rozhodne o SOH celé sestavy.
Vzhledem k tomu, že parametr SOH úzce souvisí se životním cyklem baterie nebo celé sestavy a také jejím stavem, pokud jde o míru opotřebení, bude nutné využívat precizní monitorovací obvody BMS pro EV, se kterými nejen maximalizujeme dojezd vozidla, ale rovněž minimalizujeme riziko nenadálého selhání zdroje. A pokud již hovoříme o výdrži, obvody LTC2949 zde při zapnutí spotřebovávají pouze 16 mA, resp. během spánku jen 8 μA.
Digitální část obvodu LTC2949 uvažuje akumulátory a násobičku s možností převzorkování, takže obdržíme 18bitové hodnoty výkonu a 48bitové hodnoty pro energii a náboje. Hlášena jsou minima a také maxima, stejně jako výstrahy v závislosti na uživatelsky definovaných limitech. Kontroléru BMS a sběrnici tím ulehčíme práci, protože již nemusí neustále žádat LTC2949 o napěťová a proudová data, která je navíc dále nutné početně zpracovávat. Budeme-li tedy pracovat se vzorky výkonu na taktu A/D převodníku (oversample, predec. filtr) místo, abychom násobili průměrované hodnoty, obdržíme díky obvodům LTC2949 přesná měření výkonu za současné přítomnosti proudových i napěťových změn, které zdaleka přesahují rychlost převodu, tzn. se signály až do 50 kHz.
Vzhledem k tomu, že LTC2949 sledují minimální a také maximální úrovně proudu, napětí, výkonu a teploty, může sběrnice společně s host systémem řešit v průběhu hodinových cyklů jiné úlohy, protože se již nemusí neustále dotazovat obvodu LTC2949. Kromě detekce a ukládání minimálních a maximálních hodnot dokáže LTC2949 vydat i varovnání, pokud bude některý z uživatelsky definovaných prahů překročen. Host kontroléru a sběrnici se tím opět ulehčí od povinnosti dotazovat se. Stejný obvod může rovněž generovat upozornění na přetečení poté, co již bylo dodáno stanovené množství energie či náboje nebo když uplynul přednastavený čas.
Aby šlo při monitorování zajistit přesnost, podporují obvody LTC2949 práci s programovatelnými korekčními faktory pro zesílení, s nimiž dokážou kompenzovat tolerance součástek pro měření – dva v případě shunt rezistorů, napěťového děliče u baterie a čtyř multiplexovaných vstupů. Zmíněné korekční faktory je možné uložit do vnější paměti EEPROM a umožnit tím standardizovaný přístup s ohledem na tovární kalibraci bateriových sad. LTC2949 mimo to dokáže linearizovat údaje o teplotě až ze dvou externích NTC termistorů na základě Steinhart-Hartových rovnic s nastavitelnými koeficienty. Takové hodnoty pak mohou být použity při automatické teplotní kompenzaci výstupů získaných pomocí shunt rezistorů. Díky nepřetržité kompenzaci řešící jak vliv teploty, tak i tolerance, zlepšujeme nejen přesnost samotného monitorování, ale můžeme využívat i vnějších součástek s nižší cenou.
Pro účely přímého spojení s mikrokontrolérem dostává obvod LTC2949 standardní rozhraní SPI. K dispozici je rovněž chráněné rozhraní isoSPI™ od ADI. isoSPI™ zde znamená úpravu fyzické vrstvy standardního SPI na úrovni čipu odemykající plný potenciál cenově efektivních architektur s dělenými sadami. isoSPI™, které bylo navržené pro potřeby systémů s vysokým napětím a stejně tak i rušením, zajišťuje bezpečný a rovněž i robustní přenos informací s rychlostí do 1 Mbps po kabelovém vedení v délce až sto metrů, přičemž využijeme pouze jediný kroucený pár a obyčejný pulzní transformátor. S rozhraním isoSPI™ se dále pojí menší náklady, než je tomu v případě jiných palubních řešení vzájemného oddělení. Na obr. 3 vidíme, jakým způsobem pracuje LTC2949 s isoSPI™ − společně s obvodem LTC6811-1, jako poslední prvek v daisy chainu, resp. v rámci adresovatelné paralelní konfigurace.
Elektrovozidla se již stala něčím zcela běžným a je pouze otázkou času, kdy bude nutné i zde počítat s obrovskými objemy zakázek. Aby vývojáři zůstali konkurenceschopní, potřebují věnovat bedlivou pozornost jak bateriím, tak též technologiím BMS, což také silně ovlivňuje koncového uživatele a jeho dojmy z řízení. Obvody LTC2949, nejnovější aktivita společnosti ADI na poli monitorování se systémy BMS, jednoduše nahrává konfiguracím a topologiím, které při sledování uvažují větší počet bateriových sad. S prvky LTC2949 řešíme systémy pro řízení baterií, které budou prakticky při jakékoli úrovni napětí či proudu spolehlivé, flexibilní, bezpečné a vykážou i skvělé vlastnosti.
Díky přesným údajům o proudu, napětí, výkonu, energii, náboji, teplotě a času máme okamžitě k dispozici pravdivá zhodnocení s parametry baterie SOH a SOC. Schopnosti obvodu LTC2949 sledované v analogové oblasti jsou navíc v rovnováze s využitelnými číslicovými výstupy odrážejícími možnosti vysokorychlostního zpracování. Klíčová minima, maxima a také výstrahy lze měřit, počítat a také hlásit prostřednictvím „neprůstřelného“ rozhraní isoSPI™. Snižujeme tím požadavky kladené na možnosti host systému, návrh a testování sběrnice nebo i softwarové řešení. V souvislosti s digitálně řešenými prvky zmiňujeme např. násobičku, akumulátor, registry min/max, nastavitelné výstrahy či kompenzaci teploty, resp. tolerance vnějších součástek.
Obvody LTC2949 jsou navržené tak, aby pracovaly nezávisle nebo s jakýmkoli prvkem řady LTC681x pro monitorování baterií složených z většího počtu článků. Řeší přitom zásadní potřeby nové generace systémů BMS pro EV, zatímco dále vyhovují přísným požadavkům z hlediska AEC-Q100 a také bezpečnostních standardů ISO 26262.
[1] Obvody LTC2949, https://www.analog.com/en/products/ltc2949.html
[2] Obvody LTC6811-1, https://www.analog.com/en/products/ltc6811-1.html
[3] Obvody LTC6820, https://www.analog.com/en/products/ltc6820.html
[4] Obvody LTC681x, https://www.analog.com/en/search.html?q=LTC681
[5] Obvody LT8301, https://www.analog.com/en/products/lt8301.html
