Za bateriemi elektromobilů stojí úžasná technologie

Na rozdíl od jediné součásti, kterou může být např. palivová nádrž, se v případě elektromobilů (EV), jejich způsobu ukládání energie a související sady baterií jedná o stovky dílčích lithium-iontových článků (Li-Ion) zapojených v dlouhých řadách. Pokud nejsou využívány v rámci pečlivě řízeného provozního rozsahu, jejich kapacita nebo životnost se bude časem a za různých pracovních podmínek lišit a také zmenšovat.

Systém BMS (battery management system) zde zodpovídá za dosažení maximální možné kapacity, včetně životnosti článků, přičemž nelze opomíjet ani otázku bezpečnosti a spolehlivosti. Jádro zmíněného systému pak tvoří monitorovací obvody, které u baterií provádí měření, takže lze pro každý článek stanovit i klíčové parametry umožňující vyhodnotit jejich stav – SOC (state of charge) a také SOH (state of health).

V článku si představíme rodinu monitorovacích obvodů ADBMS6815 pro bateriové články – sady s vyšším napětím od společnosti Analog Devices [1], včetně klíčových vlastností, které je odlišují, takže lze u bateriových sad v automobilech počítat s maximální kapacitou, bezpečností, spolehlivostí a také životností.

Pár slov úvodem

Automobilový průmysl po desetiletí pozvolna sílil, přičemž technologie ani rozdíly mezi značkami již nehrály takovou roli. Hnací ústrojí, tedy systém, který přeměňuje energii na pohyb, se podle všeho stal tím nejcennějším duševním vlastnictvím výrobců aut, za kterým stojí více než jedno století dalšího zdokonalování. Z tohoto pohledu je vznik zcela nových automobilek skutečně pozoruhodný, protože technologie hnacího ústrojí patří k těm, které doznávají změny.

Typické vozidlo se spalovacím motorem (ICE) mívá nádrž, do které se vejde 15 galonů (po přepočtu cca 57 litrů), což odpovídá skoro 500 kWh elektrické energie. Takový objem benzínu pak u ICE představuje dojezd zhruba 600 km, zatímco 500 kWh elektrické energie již bude u EV znamenat asi 2 300 km.

Nesmírná výhoda z pohledu efektivity je důvodem, proč elektromobily nakonec vítězí, nicméně poslední úsek cesty je stále nutné dobře plánovat. Největší problém, kterému současná generace elektromobilů čelí, spočívá v nedostatečné kapacitě baterií, které by zajistily srovnatelný dojezd jako u vozidel se spalovacím motorem.

V čem je tedy problém?

Bateriová sada se u elektromobilů skládá ze stovek jednotlivých článků, které při zapojení do série vytváří napětí od 400 do 800 V. Přebíjení a také hluboké vybití zde mohou článek poškodit nebo mu zkrátit životnost. Kapacita či výdrž se proto snižuje, až článek nakonec selže. Primární funkcí systému BMS je proto stanovit a mít pod kontrolou SOC a SOH u každého z článků v jejich dlouhé řadě, ze které pak vzniká celá baterie. Nabíjení jakékoli Li-Ion baterie na 100 % SOC nebo zase vybíjení na 0 % SOC zde bude její kapacitu zhoršovat. Pro určení SOC je zapotřebí změřit napětí článku a také teplotu, přičemž přesnost zmíněných měření pak z pohledu tohoto parametru bezprostředně rozhoduje o kvalitě výsledku. Zkrátka a dobře, elektronické obvody BMS jsou v otázce maximálního provozního rozsahu, životnosti, spolehlivosti a také bezpečnosti bateriového systému EV naprosto klíčové.

 

Neexistuje žádný jednoduchý způsob, jak přesně a nepřetržitě měřit veškeré články baterie zapojené v dlouhé řadě o vysokém napětí tak, aby to bylo naprosto koordinované. Měření nesmí poznamenat vysoké úrovně elektrického rušení tvořeného invertory, akčními členy, spínači, vysílacími obvody apod. Samotnou elektroniku je kvůli vysokému napětí sady zapotřebí galvanicky oddělit a konečně, navzdory opotřebení, výkyvům počasí, stáří vozu a také počtu najetých kilometrů, zde bude muset ještě pracovat po celé roky.

 

Obr. 1 Zjednodušený nákres monitorovacího systému pro vícečlánkové baterie

BMS a jeho podstata

Jako přední dodavatel integrovaných obvodů (IO) a souvisejících řešení se v ADI u svých produktů pro řízení baterií zaměřují na několik stěžejních oblastí: měření jednotlivých článků (monitorování článků), měření celé sady (monitorování sady), komunikační prostředky pro vzájemné propojení součástek (pomocí drátů nebo i bez nich) a také software za účelem řízení zmíněných součástí. Smyslem takové elektroniky je umožnit všem článkům baterie bezpečné nabití s ohledem na nejvyšší možnou kapacitu, takže s celou sadou ukládáme i maximum energie a dosahujeme tím největšího dojezdu vozidla.

Nejdůležitější součástkou zde bude zřejmě integrovaný obvod pro monitorování článků s vysokým celkovým napětím. Takové IO pak u prvků baterie zapojených do série měří napětí článku plus teplotu, kdy na jeden sledovací obvod obvykle připadá 12 článků. Klíčové parametry jsou napětí článku a teplota, mezi stěžejní charakteristiky pak zařadíme přesnost měření a synchronnost.

Takové informace pak systému BMS dohromady umožní provozovat články napříč plným rozsahem, pokud jde o jejich bezpečnou oblast, aniž by se přitom namáhaly. Vlastnosti zmíněných sledovacích obvodů jsou tedy pro BMS a zajištění maximálního dojezdu vozidla, ale také z pohledu ceny, hmotnosti či spolehlivosti naprosto klíčové. Vzhledem k tomu, že se chyba měření promítá do méně efektivního řízení baterie, nabízely obvody BMS od ADI vždy tu nejvyšší přesnost. Nedávné představení rodiny precizních monitorovacích obvodů ADBMS6815 zde proto znamená ideální spojení funkcí pro dosažení bezpečnosti, výkonnosti a také hospodárnosti. Rodinu tvoří tři základní součástky odlišené počtem monitorovaných článků, kterých je v případě ADBMS6816 šest [2], pro ADBMS6817 pak osm [3] a za předpokladu ADBMS6815 v sérii konečně dvanáct. Se zmíněnými třemi různými počty sledovaných článků pak vyhovíme rozmanitým konfiguracím u celé řady bateriových sad.

Součástky lze vzájemně kombinovat a vytvořit přitom ideální počet kanálů pro monitorování článků. Vzhledem k tomu, že pracovní prostředí provází mimořádné elektrické rušení, nechybí zde ani nastavitelná filtrace typu dolní propusti pro omezení šumu zajišťující vysoce přesná měření.

 

Obr. 2 Koncept drátového systému BMS

BMS od ADI a otázka komunikace

Rodina obvodů pro sledování článků ADBMS6815 byla navržena tak, aby umožnila vzájemné propojení ve stylu „daisy-chain“ s využitím dvoudrátového komunikačního rozhraní nazvaného isoSPI™. Jedná se o robustní a elektricky oddělenou síť bez náchylnosti vůči EMI, která umožňuje obvody BMS od ADI provozovat, testovat a také synchronně řídit z mikrokontroléru BMS. Všechny články lze tudíž měřit synchronně s příslušným proudem a napětím sady, zatímco využijeme obvod právě pro sledování sady od ADI. Řetězec je přitom dovolené provozovat s jednou trasou pro každý obvod nebo duálně ve smyčce, kdy navíc zachováme přístup ke všem sledovaným datům v případě, že se přeruší vedení či selže konektor.

O systému isoSPI™ se dozvíte více i z videa [4].

Rodina obvodů ADBMS6815 také podporuje činnost v rámci bezdrátových BMS (wBMS), kde je drátový systém daisy-chain u sledovacích obvodů pro články nahrazen bezdrátovým uzlem BMS v pásmu 2,4 GHz.

Bezpečnost

BMS plní řadu funkcí, ovšem zajištění bezpečného provozu bateriové sady bude tou nejdůležitější. Rozpoznání a řešení případných selhání však u IO vyžaduje možnost vlastních „self-testů“ a také redundanci. Jedná se o duplicitní trasy měření, zlepšenou synchronizaci mezi vstupními signály, již zmiňované testy a spoustu dalšího.

Obvody skupiny ADBMS6815 byly navržené tak, aby podporovaly standard ISO 26262 ASIL-D. Jedná se o univerzálně přijímaný standard funkční bezpečnosti v automobilovém průmyslu vyvinutý s ohledem na zajištění bezpečnosti po celou dobu životnosti elektrických zařízení a systémů ve vozidle. ASIL-D pak bude klasifikací rizik, která u takového standardu ISO představuje v systému nejvyšší úroveň bezpečnosti. Součástky od ADI jsou navržené a certifikované tak, aby ASIL-D podporovaly, takže výrobci mohou s jejich přičiněním tohoto klíčového bodu i dosáhnout.

Pokud navíc vývojáři vyhoví požadavkům standardu ISO 26262, mohou se obvykle zabývat i dalšími standardy funkční bezpečnosti typu IEC 61508 a vyhovět stejně tak i potřebám vně automobilového průmyslu.

Obr. 3 Systém wBMS nahrazuje vodiče rádiovou cestou

Monitorování článků s nízkou spotřebou

Vedle zajištění stabilního, předvídatelného a spolehlivého zdroje energie k pohonu vozidla musí BMS zajistit, že v bezpečí budou vždy i samotné články. Nestává se to často, ale porucha na článku baterie může nakonec způsobit jeho zkrat a vést k vývinu tepla s katastrofickými scénáři. Systém BMS proto sleduje podmínky, které mohou signalizovat jakýkoli případný problém.

To, že se články baterie zrovna nepoužívají, ještě neznamená, že budou netečné. Jako elektrochemické součástky se budou měnit s časem, a to i tehdy, jsou-li v klidu. Postupné selhávání článku tak může jinými slovy pokračovat, aniž by bylo vozidlo v provozu. Aby šlo články v bateriové sadě nepřetržitě sledovat, a to i v zaparkovaném voze, vyvinuli v ADI systém LPCM (low power cell monitoring). Jedná se o pokročilou funkci pro sledování článků baterie, která pravidelně a také autonomně kontroluje klíčové parametry. Monitorovací obvody pak díky ní upozorní BMS, který se tak probouzí a spouští příslušné kontroly, budou-li detekovány jakékoli možné problémy. Systém BMS je rovněž varován v případě, kdy sledovací obvody selžou při poskytování kladného periodického potvrzování. Jak se s tím v ADI vypořádali, uvidíte v dalším videu [5] vysvětlujícím funkci LPCM.

Flexibilně s dalšími schopnostmi, ale i hospodárně

Obvody skupiny ADBMS6815 nabídnou ideální spojení funkcí odrážejících celou řadu požadavků doplňujících již zmiňovanou bezpečnost, spolehlivost a také výkonnost. Součástky použijí stejné pouzdro i rozvržení vývodů, takže mohou vývojáři kombinovat různé počty kanálů (6, 8 či 12 článků baterie sledovaných každou součástkou) a vytvořit obecné řešení, které u sad či modulů vyhoví ještě více konfiguracím.

Nechybí zde ani GPIO fungující jako číslicové vstupy/výstupy nebo analogové vstupy. V posledně zmiňovaném případě pak měříme jakékoli napětí až do 5 V se stejnou přesností, jako je tomu u primárního sledování článku. Za účelem ještě přesnějších výpočtů SOC pak lze tato doplňková měření, jako je teplota či proud, navíc synchronizovat s měřeními jednotlivých článků. Zmíněné piny I/O mohou rovněž ovládat dílčí obvody s I²C či SPI a umožnit složitější funkce – přidat multiplexery pro rozšíření analogových vstupů či EEPROM k uložení informací o kalibraci. A pak zde ještě máme schopnost systému vyvažovat, zatímco kterýkoli článek vybíjíme proudem o velikosti až 300 mA. SOC lze proto mezi všemi články v sadě vyrovnat a udržet stejné. „Sjednocující“ proces je možné nastavit s ohledem na určitou dobu a také automaticky ukončit, bude-li dosaženo předem definovaných prahových úrovní. Vyvažovat lze i dlouhodobě, zatímco se obvod pro sledování článků baterie dokonce nachází v režimu spánku.

Přehled vlastností

– ADBMS6815 (12 kanálů)

– ADBMS6817 (8 kanálů)

– ADBMS6816 (6 kanálů)

– podporuje ASIL-D

– celková chyba měření po dobu životnosti, max. na úrovni 1,5 mV

– rozšířitelná architektura pro sady baterií s vyšším napětím

– 304 μs ke změření všech článků v systému

– 16bitový A/D převodník s nastavitelným filtrem pro rušení

– pasivní vyvažování článků, 300 mA na kanál, nastavitelné řízení s PWM

– elektricky oddělená komunikace s isoSPI™ a rychlostí 2 Mb/s

– vyžaduje pouze dva vodiče a kondenzátory či transformátor

– obousměrná komunikace podporuje kruhovou topologii a umožňuje komunikovat i v případě potíží na trase

– sedm vývodů univerzálního rozhraní, použitelné jako analogové či digitální vstupy nebo digitální výstupy, podpora teplotních čidel, možnost konfigurace jako I²C či SPI

– proudový odběr v režimu spánku 5,5 μA

– 48vývodová pouzdra typu LQFP o rozměrech 7 × 7 mm

Závěr

Během následujících třiceti let přejde svět u osobních vozidel ze spalovacích motorů na elektrický pohon. Stane se to díky nesmírně neefektivnímu využívání benzínu, produktu získávanému z omezených zdrojů. Geopolitické a ekologické zájmy takový trend jen urychlí. Elektrovozidlům tedy patří budoucnost a BMS zde bude klíčovou technologií.

Tvořit budoucnost můžete s předními produkty BMS, jako je rodina certifikovaných integrovaných obvodů ADBMS6815, které vyhovují z pohledu ISO 26262 ASIL-D a nabídnou nejvyšší přesnost při měření napětí článku baterie a teploty. Zmíněné součástky vychází z mnoha generací IO pro monitorování baterií, které se na cestách již osvědčily. Navržené byly tak, aby překonaly požadavky automobilových a dalších průmyslových aplikací, pokud jde o životní prostředí, spolehlivost a také bezpečnost. Efektivně dále řeší rozvíjející se náročné požadavky vozového parku EV a obrovských systémů pro ukládání energie. Vývojáři mohou zvolit firmu ADI s důvěrou, že jejich přední technologie dnes zajistí ty nejlepší možné systémy BMS a do budoucna pak nastolí cestu pro špičkové systémy založené na stále větších inovacích.

Pokud chcete vědět víc, kontaktujte skupinu ADI Battery Management Group a také navštivte analog.com/BMS.

Odkazy:

[1] Obvody ADBMS6815, https://www.analog.com/en/products/adbms6815.html

[2] Obvody ADBMS6816, https://www.analog.com/en/products/adbms6816.html

[3] Obvody ADBMS6817, https://www.analog.com/en/products/adbms6817.html

[4] Video isoSPI™, https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664860001.html

[5] Video LPCM, https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664639001.html