Systémy pro ukládání energie aneb jak snadno a ve zdraví řídit vaši sadu baterií

Lithium-iontové (Li-ion), ale také další typy článků tvoří základní stavební prvky nejen ve světě automobilů. Ve velké míře se totiž budou obecně používat i v systémech ESS (energy storage system).

Obří továrny mohou kupříkladu denně vyrábět několik MWh energie získané z obnovitelných zdrojů. Jak si však poradíme s různým zatížením sítě po celou dobu 24 hodin? Odpovědí zde budou systémy BESS (battery-based energy storage system). V článku se pro účely vývoje i nasazení systémů ESS zaměříme na způsoby řešení kontrolérů pro řízení baterie a také jejich efektivitu.

Lithium-iontové baterie. To není jen tak

V případě Li-ion článků bude zapotřebí systém pro řízení baterie BMS. Jedná se o nutné řešení, protože takové baterie mohou být i nebezpečné. Pokud se přebíjejí, hrozí nekontrolovatelné přehřátí a následná exploze. Když je navíc hluboce vybijeme, dochází u článků k chemickým reakcím, které zase trvale ovlivňují jejich schopnost udržet náboj. V obou případech se přitom bude jednat o nebezpečné ztráty, které něco stojí.

Další důvod pro nasazení systému BMS odkazuje na Li-ion články, které se často řadí tak, aby vytvářely celé sady. Nabíjení takto „vyskládaných“ prvků běžně probíhá sériově po zapojení zdroje konstantního proudu, souběžně s danou sadou. Zde již ale musíme ošetřit vyvažování, kdy pro všechny články zajišťujeme stejné SoC (state of charge). Jak ale zcela nabíjet či vybíjet veškeré dílčí baterie, aniž by u kterékoli z nich hrozilo přebíjení nebo zase hluboké vybití? Odpovědí je právě zmíněné vyvažování – jedna z mnoha zásadních výhod u kvalitního systému BMS, mezi jehož prvořadé funkce řadíme:

• sledování parametrů daného článku, jeho napětí, teploty a vstupujícího či vystupujícího proudu
• výpočet SoC na základě měření výše zmíněných ukazatelů, stejně jako proudu při nabíjení a vybíjení, kdy na základě počítadla coulombů uvažujeme ampérsekundy [A.s]
• vyvažování článku (pasivní), abychom pro každý z nich zaručili stejné SoC

Jak na systém pro řízení baterie

Firma Analog Devices má ve své nabídce početnou rodinu obvodů BMS (ADBMSxxxx). Tak třeba ADBMS1818 [4] se bude hodit pro průmyslové aplikace, včetně BESS, kde dokáže pracovat se sadou čítající 18 článků. Každý integrovaný obvod ADBMS dále vyžaduje mikrokontrolér. MCU zde komunikuje s BMS, přijímá změřená data a provádí výpočty s cílem stanovit SoC nebo i další parametry. Se systémy BMS může sice komunikovat většina mikrokontrolérů, ale ne všechny se k tomu budou hodit. Žádoucí jsou právě MCU s vysokým výkonem. Informací, které BMS odesílá zpět, může být opravdu hodně, zejména když uvážíme obrovské sady baterií (u některých počítáme s napětím 1500 V a mohou se skládat až z 32 obvodů ADBMS1818 zapojených v rámci „daisy chainu“). V takovém případě musí mít mikrokontrolér dostatečnou šířku pásma, aby v systému zvládl komunikovat s různými obvody BMS, zatímco ještě zpracovává výsledky. MCU MAX32626 [5] bude mít jako součást platformy BMS dva zdroje napájení, řízené kontrolérem PowerPath™. Ten pak stanovuje priority při napájení v závislosti na konkrétních požadavcích systému (připojené periférie, zátěž spojená se zpracováním apod.).

Většina monitorovacích obvodů od ADI přichází s rozšířitelnou architekturou, vhodnou pro vysokonapěťové systémy, kdy lze větší počet analogových front – endů (AFE) zapojit do systému daisy chain. Pro desku kontroléru BMS, jinak také ESCU (energy storage controller unit), je tudíž charakteristické, že bude mj. souběžně pracovat s více AFE.

Na obr. 1 vidíme typický blokový diagram systému BMS s jednotkou ESCU zvýrazněnou modře. ESCU není sice optimalizována z pohledu aplikací a jejich funkční bezpečnosti, nicméně vývojáři zde mohou zapracovat ochranné obvody a/nebo redundance, aby tak vyhověli daným požadavkům SIL (Safety Integrity Level).

Obr. 1 Zjednodušený blokový diagram systému BMS, podporovaný ze strany příslušných řešení od ADI

Deska kontroléru BMS: hardware

Řídicí jednotka ESCU od ADI zde spolupracuje s různými obvody BMS (AFE, měření spotřeby, transceiver isoSPI). Mezi nejdůležitější hardwarové prvky a součásti desky kontroléru BMS patří následující:

Vlastní mikrokontrolér

MAX32626 s jádrem Arm^® Cortex^®-M4 je určený pro aplikace řešící ukládání energie. Vykazuje nízkou spotřebu a vyniká svou rychlostí – vždyť má také interní oscilátor pracující s kmitočtem až 96 MHz. Pro účely úspory energie dokáže v režimu s nízkým odběrem běžet na rychlostech jen 4 MHz. Chlubí se vynikajícími vlastnostmi, pokud jde o řízení napájení – odběrem 600 nA v nízkopříkonovém režimu s aktivními hodinami reálného času RTC. V případě MAX32626 nechybí ani optimální výběr periférií, zahrnující SPI, UART, I²C, rozhraní 1-Wire^®, USB 2.0, bloky s PWM, 10bitový A/D převodník a mnoho dalšího. Součástí zmíněného MCU je rovněž TPU (trust protection unit) s pokročilými bezpečnostními funkcemi.

Rozhraní

Jednotka ESCU hostí celou řadu rozhraní:

• SPI, I²C a CAN
• isoSPI pro robustní a bezpečný přenos informací přes vysokonapěťovou bariéru
• USB-C za účelem napájení desky a flashování MCU
• JTAG, pokud jde o programování mikrokontroléru a také ladění
• konektor Arduino (umožňuje větší flexibilitu s možností rozšíření o desky kompatibilní s Arduino, např. Ethernet Shield, desky senzorů nebo i Proto Shield)

Transceivery isoSPI

Systém počítá se dvěma obvody LTC6820 [6], aby prostřednictvím daisy chainu, a s využitím jediného transformátoru, zajistil komunikaci na způsob isoSPI s IO pro BMS. Deska bude proto zcela oddělena od IO pro BMS připojených k vysokému napětí bateriových sad. Přítomnost duálního transceiveru isoSPI znamená redundantní obousměrnou komunikaci s oddělením, kde host MCU pro účely monitorování integrity signálu střídá komunikační porty (další verze této desky počítá s duálním transceiverem isoSPI, obvody ADBMS6822 [7], pro vyšší přenosové rychlosti a také podporu funkce LPCM (low power cell monitoring), která je u nejnovějších IO pro systémy BMS od firmy ADI k dispozici).

Řízení napájení

• DC napájení lze zajistit buď pomocí jacku nebo s využitím USB připojení k PC přes rozhraní USB 2.0 (k dispozici je konektor USB-C).
• Obvod pro stanovení priority, využívající LTC4415 [8], spravuje a také volí zdroj napájení. V závislosti na zatížení ze strany kontroléru či periférií pak vybírá mezi DC jackem a vstupem USB-C. Pokud je např. připojen aktivní Arduino shield, poroste spotřeba desky nad možnosti, které dokáže vykrýt USB-C. Struktura OR s ideální diodou obvodu LTC4415 následně přepíná a volí jako zdroj DC napájení jack.
• Napájecí systém nabízí různé napěťové hladiny (3,3 V, 2,5 V a 5 V) s možností konfigurace na základě propojek.

Bezpečnost a ochrana

MAX32626 řídí přítomný izolovaný budič hradla ADuM4120 [9], který zase ovládá N-FET připojený k vnějšímu spínacímu prvku (např. na desce u baterií). Jedná se o funkci ochrany, kdy MCU prostřednictvím ADuM4120 zapíná a také vypíná MOSFET s cílem rozepnout spínací prvky a v naléhavém případě nebo během poruchy odpojit baterii.

Obr. 2 Zevrubný blokový diagram hardwaru řídicí jednotky ESCU

Blokový diagram na úrovni jednotlivých součástek, vyzdvihující klíčové prvky ESCU, zachycuje obr. 2. Deska plošných spojů měří pouze 10 x 9 cm. Její nejdůležitější rozhraní pak sledujeme na obr. 3.

Obr. 3 ESCU a horní strana desky

Deska kontroléru BMS: software

Z pohledu softwaru poskytuje firma ADI kompletní řešení zahrnující otevřené grafické uživatelské rozhraní (GUI), které lze využít ke komunikaci s deskou kontroléru. GUI zde přitom podporuje až tři obvody ADBMS zapojené v daisy chainu.

GUI komunikuje s MCU prostřednictvím jasně definovaného open-source komunikačního protokolu, který lze snadno rozšířit. Protokol nám definuje zprávy, které jsou odesílány do MCU pomocí sériového portu. Zprávy jsou dále chráněny s využitím CRC (cyclic redundancy check), takže je možné odhalit i chyby. Uživatel se proto k MCU připojí a také odpojuje řádným způsobem. Nastavuje parametry systému, provádí měření, aktivuje, kontroluje závady a vkládá jakékoli nezbytné příkazy pro prvky ADBMS. Aplikační kód MCU využívá vlákna free RTOS k vykonávání souběžných činností. To je užitečné, protože měření pak může běžet paralelně s kontrolou chyb, takže lze zavést i příslušný interval.

SW rozhraní je poskytováno s deskou kontroléru BMS a napsáno v Pythonu. Mezi nejdůležitější části zde pro uživatele zařadíme:

1) Systémové ovládací prvky

Jedná se o hlavní či vstupní stránku aplikace (obr. 4). Uživateli umožňuje navázat sériovou komunikaci s PC, zvolit počet připojených desek AFE a rozhodnout o intervalu měření, včetně prahových úrovní, pokud jde o přepěťové nebo podpěťové kontroly. Jakmile je spojení navázáno, lze začít s měřením. Když oba systémové statusy zezelenají (viz opět obr. 4), ukáží se v závislosti na počtu desek vložených uživatelem ovládací prvky měření.

Obr. 4 Uživatelská aplikace a systémové ovládací prvky

2) Ovládací prvek/prvky pro BMS

Jak vidíme na obr. 5, v tomto případě se nám zobrazují měření zpracovaná jednotkou ESCU pro každý připojený AFE. Jedná se o napětí článku a GPIO, status či chyby spojené s deskou AFE. Změřené napětí článku je k dispozici rovněž graficky a bude vykreslováno v reálném čase.

Obr. 5 Měření v systému BMS a jeho prvky

3) Referenční prvky

GUI zde zahrnuje i tyto prvky, reprezentující blokový diagram desky na úrovni jednotlivých součástek a schémata zapojení.

Schématická znázornění a soubory Gerber jsou společně s firmwarem pro účely zhodnocení, GUI a také uživatelskou příručkou otevřeného typu zajišťovány ze strany ADI.

Závěr

Na rychle se rozvíjejícím trhu spojeném s energií sledujeme naléhavou potřebu systémů BESS. Nutný požadavek se přitom týká kompletního řešení, které je rovnou připravené k nasazení. Abychom dále zkrátili dobu potřebnou k uvedení na trh, navíc bez rizika nepředvídatelných zpoždění, neobejdeme se ani bez podpory. Firma ADI je společně se svou jednotkou ESCU připravena vyhovět zmíněným požadavkům do posledního detailu. Deska zajišťuje klíčové funkce vyžadované pro systém BESS a poskytne i ucelený základ s možností dalšího přizpůsobení.

Díky řešení od ADI, pokud jde o kontrolér BMS, mohou vývojáři:

• souběžně pracovat s větším počtem AFE, protože řešení cílí na komplexní a dále rozšířitelné architektury. Není vyžadována žádná další deska s transceiverem isoSPI
• hladce odladit systém BMS, a to díky přítomnému JTAG, stavovým LED nebo i různým konektorům či rozhraním
• na základě otevřeného hardwaru i softwaru zkrátit dobu potřebnou k uvedení na trh

Deska kontroléru BMS od ADI je vybavena klíčovými funkcemi, nezbytnými pro BESS a představuje flexibilní základ, bez kterého se další vývoj neobejde.

Odkazy

[1] Lithium-Ion Battery Energy Storage Solutions. Analog Devices, Inc., 2022. Dostupné z https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6317140179112.html

[2] Energy Storage Solutions. Analog Devices, Inc. Dostupné z https://www.analog.com/en/solutions/energy/energy-storage.html

[3] Amina Bahri. AN-2093: ADBMS1818 Slave Module Solution. Analog Devices, Inc., 2021. Dostupné z https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an-2093.pdf

[4] Obvody ADBMS1818, https://www.analog.com/en/products/adbms1818.html

[5] Obvody MAX32626, https://www.analog.com/en/products/max32626.html

[6] Obvody LTC6820, https://www.analog.com/en/products/ltc6820.html

[7] Obvody ADBMS6822, https://www.analog.com/en/products/adbms6822.html

[8] Obvody LTC4415, https://www.analog.com/en/products/ltc4415.html

[9] Obvody ADuM4120, https://www.analog.com/en/products/adum4120.html