Zarządzanie bateriami w ogniwach piętrowych

Każde ogniwo ma pojemność 3,54Ah, co daje całkowitą pojemność znamionową 100kWh (3,54Ah x 4,2V x 6720 ogniw). Każdy z 96 połączonych szeregowo rzędów składa się z 70 połączonych równolegle ogniw, dając napięcie baterii 403,2V (96 rzędów × 4,2V) i pojemność 248Ah (100kWh/403,2V lub 3,54Ah × 70 kolumn).

Niektóre z problemów:

• Wyzwaniem jest zapewnienie wymaganej rozdzielczości i dokładności podczas pomiaru niskich napięć o wartości kilku woltów w celu uzyskania wysokiej precyzji rzędu miliwoltów ze względu na obecność wysokiego napięcia sygnału wspólnego (CMV), które może przeciążać układ pomiarowy lub wpływać na poprawność odczytu. Napięcie CMV jest sumą napięć wszystkich ogniw połączonych szeregowo, aż do ogniwa mierzonego względem wspólnego punktu układu (określanego również jako 'uziemienie', chociaż jest to mylące). Należy pamiętać, że w pojazdach elektrycznych bateria może mieć 96, a nawet 128 ogniw połączonych szeregowo, co daje CMV rzędu setek woltów.
• Ze względu na wysokie napięcie sygnału wspólnego (CMV) konieczne jest galwaniczne odizolowanie ogniw od reszty układu zarówno w celu zapewnienia integralności elektrycznej, jak i bezpieczeństwa użytkownika/układu, ponieważ ani użytkownik, ani układ nie powinien być narażony na działanie pełnego napięcia CMV.
• Odczyt w zakresie miliwoltów mogą z łatwością zakłócać szumy elektryczne i udary.
• Aby uzyskać dokładny ogólny obraz statusu ogniw i pakietu baterii, konieczny jest niemal jednoczesny - w ciągu kilku milisekund - pomiar wielu ogniw. W przeciwnym razie przesunięcie czasowe między pomiarami ogniw może skutkować błędnymi wnioskami i wynikającymi z nich działaniami.
• Duża liczba ogniw oznacza, że potrzebny jest pewien rodzaj multipleksowania między ogniwem a resztą podsystemu akwizycji danych, w przeciwnym razie rozmiar, waga i koszt okablowania łączącego stają się zaporowe.

Wreszcie, istnieją istotne wymagania związane z bezpieczeństwem, redundancją i raportowaniem błędów, które trzeba wziąć pod uwagę i spełnić. Normy różnią się w zależności od branży. Narzędzia przemysłowe i elektryczne bardzo różnią się od samochodów, a normy dla tych drugich są najbardziej rygorystyczne. W systemach samochodowych o znaczeniu krytycznym, takich jak te związane z zarządzaniem baterią, utrata funkcjonalności nie może prowadzić do niebezpiecznych sytuacji. W przypadku awarii systemu stan 'bezpieczny' wymaga wyłączenia elektroniki, a kierowca pojazdu musi być ostrzeżony za pomocą lampki na desce rozdzielczej lub innego wskaźnika.

Jednak w przypadku niektórych systemów awaria lub utrata funkcjonalności mogą potencjalnie prowadzić do niebezpiecznego zdarzenia, podczas którego systemu nie można po prostu wyłączyć, dlatego jednym z celów bezpieczeństwa może być zdefiniowanie wymogu 'dostępności zapewniającej bezpieczeństwo'. W takich przypadkach może być wymagane zastosowanie tolerancji dla niektórych rodzajów błędów w systemie, aby uniknąć niebezpiecznych zdarzeń.

Taka dostępność zapewniająca bezpieczeństwo wymaga zapewnienia podstawowej funkcjonalności lub zdefiniowanej drogi 'wyjścia' przez określony czas - pomimo zdefiniowanych warunków awarii - a system bezpieczeństwa musi tolerować awarię przez ten czas. Ta tolerancja awarii umożliwia dłuższe działanie systemu przy akceptowalnym poziomie bezpieczeństwa. Kluczowe sekcje normy ISO 26262 'Bezpieczeństwo funkcjonalne pojazdów drogowych' zawierają wskazówki dla deweloperów systemów, które dotyczą wymagań dostępności zapewniającej bezpieczeństwo.

Układy scalone jako rozwiązanie problemów

Dostawcy opracowali układy scalone systemów monitorowania baterii (BMS), które zostały zaprojektowane w celu rozwiązania problemu dokładnego odczytu pojedynczego ogniwa w łańcuchu ogniw - pomimo wysokiego napięcia sygnału wspólnego (CMV) i trudnych warunków elektrycznych. Wspomniane układy scalone zapewniają nie tylko podstawowe odczyty, ale także rozwiązują problemy techniczne związane z multipleksowaniem, izolacją i przesunięciem czasowym. Spełniają one odpowiednie normy bezpieczeństwa, a w stosownych przypadkach posiadają aprobatę ASIL-D do zastosowań motoryzacyjnych, która wymaga spełnienia najwyższych i najbardziej rygorystycznych wymagań.

Poziom nienaruszalności bezpieczeństwa w motoryzacji (ASIL) to schemat klasyfikacji ryzyka określony przez normę ISO 26262 - 'Bezpieczeństwo funkcjonalne pojazdów drogowych'. Stanowi on adaptację poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) używanego w normie IEC 61508 do wymogów przemysłu motoryzacyjnego.

Chociaż ogólne funkcje omawianych systemów BMS są podobne, różnią się one do pewnego stopnia architekturą, liczbą obsługiwanych ogniw, szybkością skanowania, rozdzielczością, unikalnymi funkcjami i sposobem podłączania:

• Izolowana architektura CAN opiera się na konfiguracji gwiazdowej i jest wytrzymała, ponieważ przerwa w przewodzie komunikacyjnym w izolowanej architekturze CAN zakłóca pracę tylko jednego układu scalonego, podczas gdy reszta pakietu baterii pozostaje bezpieczna. Jednak architektura CAN wymaga mikroprocesora i magistrali CAN dla każdego układu scalonego, co czyni to podejście bardziej kosztownym, dając w zamian stosunkowo niską prędkość komunikacji.

• Architektura łańcuchowa jest ogólnie bardziej opłacalna, ponieważ stosowany w niej uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART) oparty na połączeniu łańcuchowym jest w stanie zapewnić niezawodną i szybką komunikację bez złożoności magistrali CAN. Najczęściej wykorzystywana jest izolacja pojemnościowa, ale możliwa jest również izolacja transformatorowa. Ze względu na to, że przerwanie przewodu w architekturze łańcuchowej może zakłócić komunikację, niektóre systemy tego typu oferują „obejścia” i obsługują niektóre operacje podczas przerwy w przewodzie.

Reprezentatywne przykłady układów scalonych BMS

• System BMS MAX17843 firmy Analog Devices: MAX17843 to programowany, 12-kanałowy interfejs akwizycji danych do monitorowania stanu baterii z rozbudowanymi funkcjami bezpieczeństwa (ilustracja 3). Jest on zoptymalizowany pod kątem pracy z bateriami do instalacji samochodowych, pakietami baterii pojazdów hybrydowych (HEV), pojazdami elektrycznymi (EV) i dowolnymi systemami, w których znajdziemy stosy długich połączonych ze sobą szeregowo łańcuchów pomocniczych baterii metalowych o napięciu do 48V.

Ilustracja 3: 12-kanałowy interfejs do akwizycji danych i monitorowania stanu baterii MAX17843 zawiera wiele funkcji bezpieczeństwa, dzięki czemu nadaje się do zastosowań i zadań motoryzacyjnych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Interfejs MAX17843 zawiera szybką różnicową magistralę UART zapewniającą niezawodną komunikację szeregową w układzie łańcuchowym i obsługuje maksymalnie 32 układy scalone połączone w jeden łańcuch (ilustracja 4). Uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART) wykorzystuje izolację pojemnościową, która nie tylko zmniejsza koszt wykazu materiałów (BOM), ale także poprawia współczynnik awaryjności (FIT).

Ilustracja 4: 12-kanałowy interfejs MAX17843 wykorzystujący pojemnościową izolację galwaniczną w konfiguracji łańcuchowej UART, obsługujący maksymalnie 32 urządzenia w jednym łańcuchu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Analogowy układ front-end łączy 12-kanałowy system akwizycji danych do pomiaru napięcia z wejściem zespołu przełączników wysokiego napięcia. Wszystkie pomiary są wykonywane różnicowo na poszczególnych ogniwach. Pełnoskalowy zakres pomiarowy wynosi od 0 do 5,0V, natomiast użyteczny - od 0,2 do 4,8V. Szybki przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) z aproksymacją sukcesywną (SAR) służy do digitalizacji napięć ogniw z 14-bitową rozdzielczością z nadpróbkowaniem. Pomiar wszystkich dwunastu ogniw jest możliwy w czasie krótszym niż 142μs.

Interfejs MAX17843 do zbierania pomiarów ogniw i korygowania ich pod kątem błędów wykorzystuje strategię dwukrotnego skanowania, co zapewnia doskonałą dokładność w przedziale temperatur roboczych. Dokładność pomiaru różnicowego ogniwa jest określona na poziomie ±2mV przy 25°C i 3,6V. Aby ułatwić projektowanie z wykorzystaniem omawianego układu scalonego, firma Analog Devices oferuje zestaw ewaluacyjny MAX17843EVKIT# z graficznym interfejsem użytkownika (GUI) opartym na komputerze PC do konfiguracji i oceny.