Systémy řízení baterie v EV a úloha senzoru při řešení dojezdové vzdálenosti a bezpečnosti

Nejnovější senzory pomáhají nejen předcházet požárům na palubě vozidel, a to efektivněji než kdy dříve, ale svůj podíl mají rovněž na řešení dojezdové vzdálenosti, která trhu s elektromobily dominuje. Trendy navíc signalizují, že toho brzy zvládnou ještě víc.

Vždycky když přijde řeč na elektrovozidla (EV), stává se tématem číslo jedna vzdálenost, kterou dokážou urazit na jedno nabití. Pro většinu lidí, kteří si kupují auto s benzínovým či dieselovým motorem, není dojezdová vzdálenost s plnou nádrží zase tak důležitá, což ale v případě EV rozhodně neplatí. To je ale zvláštní, protože jedna cesta autem dosahuje v průměru asi 16 kilometrů. Navzdory tomu řidiči dle nedávného průzkumu očekávají u EV dojezd na jedno nabití zhruba 600 kilometrů. Skutečnost je v době psaní článku samozřejmě taková, že většina řidičů EV zmíněné vzdálenosti řádově nedosáhne ani s plně nabitou lithium-iontovou (Li-Ion) baterií.

V automobilovém sektoru tak vyplouvá na povrch jasné dilema – technologie používané v EV jsou zcela jiné oproti tomu, co již řidiči dobře znají a srovnání se spalovacími motory (ICE) proto nedávají smysl. Máme zde ale i další kritérium, které u lidí stále více ovládá jejich názor na elektromobily – bezpečnost, tedy téma, jehož význam v následujících letech podle všeho ještě poroste.

Proč se ale bezpečnost stala klíčovou záležitostí? Jednoduše proto, že moderní EV potřebujeme navrhnout tak, aby se daly nabíjet rychleji a vyhověly přitom výše popsaným požadavkům. Palubní systémy musí proto zvládnout vyšší proudy a také rostoucí napětí, což si ale vyžádá lepší izolaci. A to je také skutečná starost automobilového sektoru, ať již půjde o OEM, výrobce nabíječek pro EV, nebo i provozovatele nabíjecích míst, kteří sice musí zajistit vše, co řidiči očekávají, ovšem s naprostou prioritou, pokud jde o zamezení jakéhokoli možného úniku proudu či požáru samotného vozidla.

Automobilový průmysl proto v roce 2023 stojí a dál bude i stát před náročným úkolem spojit zdánlivě nemožné: požadavky na výkon, přesnost, uhlíkovou stopu a také bezpečnost.

Ukazatele State of Charge a State of Health

Abychom dokázali zmíněnou situaci zvládnout, neobejdeme se v jádru bez systému BMS (battery management system) instalovaného v každém elektrovozidle. BMS zde jako hlavní součást bateriové sady vozu zajišťuje z pohledu řidiče dva klíčové požadavky. Za prvé stanovuje úroveň SoC (state of charge), tedy míru vybíjení baterie EV související s její kapacitou, což také určuje dojezdovou vzdálenost, která je s vozidlem dosažitelná. Za druhé BMS řeší u baterií otázku SoH (state of health) společně s palubní bezpečnostní funkcí navrženou tak, aby předcházela únikům proudu či požáru. Čím přesnější takové výsledky budou, a je zcela zřejmé, že musí být tak precizní, jak jen to bude možné, o to spokojenější budou i řidiči, pokud jde o jejich obavy související s dojezdovou vzdáleností, stejně jako bezpečností.

Aby však mohl systém BMS tyto životně důležité funkce zajistit, musí obsahovat spolehlivé snímací prvky. Není žádným překvapením, že proudové senzory coby klíčové prvky jakéhokoli systému BMS prochází výraznými změnami s tím, jak se požadavky přicházející z oblasti EV zvyšují.

Aby mohla společnost LEM své zákazníky na této cestě doprovázet, vyvinula nedávno třetí generaci snímačů řady CAB pro zajištění vysoce přesných výpočtů SoC. Prémiová špičková řada CAB se pro účely systémů BMS poprvé objevila před 12 lety a s ohledem na požadavky odběratelů se pak dále rozvíjela. První model zde představoval průlomovou technologii umožňující dosáhnout přesnějších měření proudu díky vyloučení magnetického offsetu, přičemž hlavní výhodou bylo rovněž bezkontaktní měření proudu. Další model byl zase pověstný pro svůj vyšší proudový rozsah (od 300 A do 500 A) a také rostoucí úrovně bezpečnosti.

CAB 1500 – nový člen rodiny CAB od firmy LEM

Novinkou v nabídce se aktuálně stává špičkový model CAB 1500 s proudovým rozsahem rozšířeným až do ±1 500 A. Z pohledu funkční bezpečnosti tyto prvky ASIL C (automotive safety integrity level) splňují požadavky ISO26262 a umožňují v rámci systému BMS redundantní měření proudu s využitím pouze jednoho proudového čidla místo dvou, a to díky dvěma interním nezávislým kanálům. Elektrické funkce zapracované v senzoru CAB 1500 kvůli řízení bezpečnosti zde zahrnují detekci nadproudu s interním indikátorem chyby nastaveným na „1“, pokud proud překročí velikost 1 600 A. Nechybí zde ani příznak při nedodržení bezpečnostního cíle nastavený opět na jedničku (v závislosti na výsledcích kontroly věrohodnosti mezi analogovými a číslicovými kanály), „sequence counter“ nebo kontrola CRC zajišťující ochranu pro komunikaci E2E (end-to-end).

Prvky CAB 1500 typu „plug-and-play“ s možností ztrojnásobit v rámci stejného motivu proudový rozsah přichází s nejvyšší přesností ve své třídě, 0,5 % napříč teplotním rozsahem -40 °C až +85 °C. Stejně jako mimořádně nízký offset umožňující precizní „počítání coulombů“ za účelem stanovení SoC nové senzory rovněž nabízí pohodlný způsob měření, společně s plným galvanickým oddělením a také kompatibilitou s 800V aplikacemi. Další klíčové vlastnosti CAB 1500 pak zahrnují možnost volby provedení (pro sběrnici či montáž na panel) a unipolární napájení z baterie +12 V. Snímací část systému s technologií fluxgate se pak skládá z indukční cívky spojující evidentně vysokou permeabilitu s nízkou remanencí (H_c), takže lze zajistit rychlý přechod mezi lineární oblastí a stavem nasycení. Fluxgate je pro špičkové systémy BMS ideální technologií, protože nabízí nejlepší rozlišení ve své třídě, až 0,1 %, stejně tak i nejvyšší přesnost, pokud jde o I_p max. a offset, jednoduchý způsob měření, oddělení na úrovni až 2,5 kV a ve srovnání s bočníky také nízkou spotřebu energie.

Nejmodernější snímače pro řízení baterií

Společnost LEM, která se v oblasti měření proudu pro systémy BMS pyšní dlouhou historií, chtěla vytvořit řadu technicky a také ekonomicky optimalizovaných řešení. Firma neustále posouvá technologické hranice a OEM nebo i další, kteří se pohybují v oboru EV, proto dokážou vyvíjet produkty, které vyhoví nejen proudovým požadavkům, ale mohou je s ohledem na uživatele elektrovozidel pohánět i kupředu a zvyšovat přitom po celém světě zájem o vozy, které na životním prostředí zanechají minimální stopu – dnes, ale i do budoucna.

Díky provázání odborných znalostí se zkušenostmi, pokud jde o pomoc vývojářům systémů BMS při řešení řady problémů, kterým čelí, společnost LEM věří, že technici mohou po začlenění většiny pokročilých senzorů proudu do způsobu řešení svých nových produktů v tržním prostředí i prorazit. Když se také snímače stávají chytřejšími, dokážou vývojáři zapracovat vyspělejší software, takže lze jednodušeji sbírat a zpracovávat větší objemy dat v rámci jediného zařízení. Vývojáři svým zákazníkům na základě dosahovaných vlastností, ceny a také bezpečnosti zároveň umožní dostat EV, které pak na trhu nabízí, do popředí zájmu.

Společnost LEM nyní s ohledem na očekávanou potřebu vyšších bezpečnostních úrovní aktivně pracuje na dvou nových konceptech, u kterých čerpá z intenzivních diskuzí s OEM a také svých znalostí daného trhu. První z konceptů zahrnuje především nárůst možností s tím, jak se čidla stávají multifunkčními a začínají v rámci jednotky pro odpojení baterie sledovat různé faktory v širším rozsahu. A tak zatímco např. proudový senzor u sady baterií obvykle změřil pouze proud, nyní se od něj rovněž očekává, že dokáže v různých místech monitorovat napětí takové sady, stejně jako detekovat jakákoli horká místa. Zájem však roste také o funkce, jako jsou aktivace pyro pojistky v případě výskytu jakéhokoli nadproudu či monitorování izolace vysokonapěťové sady, abychom tak zajistili skutečné oddělení mezi bateriemi a kostrou vozidla. S takovým trendem se pak proudový snímač pro systém BMS mění ve skutečnosti na měřicí uzel (hub). 

Druhý koncept, na kterém inženýři v LEM pracují, je založen na dvou různých technologiích měření proudu. Spojení bočníku a Hallova jevu do jediného pouzdra nemusí být zase tak převratné, nicméně představuje to skutečně konkurenceschopné řešení. Bude zde totiž těžit z firemních padesáti let zkušeností s měřením, pokud jde o technologii otevřené smyčky, a zbrusu nového obvodu ASIC, takže lze u redundantní trasy dosáhnout opravdu vysokých úrovní přesnosti. Takový koncept – přehled různých verzí lze použít jako samostatný modul nebo vedle vícebodového modulu měření − nabízí totiž optimalizované a robustní řešení měřicí části, která je nesporně kompatibilní s nejvyšší kategorií úrovně bezpečnosti ASIL D.

Obrovský skok dopředu

Stručně řečeno, požadavky přicházející z automobilového sektoru stojí za technologickým pokrokem, který je zde také vyžadován, i když někteří hráči se pouze ustavičně snaží dohnat konkurenci. Důležitým zjištěním však pro ně bude fakt, že požadavky nebudou zkrátka jednodušší a stále jen porostou. Musí v této hře uspět a k tomu vede pouze osvojení si technologií, které je na trhu posunou mílovými kroky kupředu. V samotném jádru takových změn se pro EV nachází proudové senzory pracující jako součást sofistikovaných systémů řízení baterie, které vozidla poháněná elektřinou posunou na zcela novou úroveň.

Proudový snímač se v budoucnu stane klíčovou součástí „inteligence“ systému BMS, když bude zapotřebí přenášet data do BMS najednou. Poplatně dalšímu pokroku, kdy se od zmíněného systému, ale i sady baterií očekává menší a také lehčí provedení, však bude rozhodovat i cena, včetně mechanického řešení. Společnost LEM je připravena využít svých obrovských zkušeností a také znalostí z oblasti senzorů tak, aby zajistila schůdná řešení, která výkonnost systémů pro řízení baterie v rychle se rozvíjejícím prostředí EV maximální měrou navýší.