Innowacyjne podejście do BMS

Analog Devices opublikował szeroki materiał na temat układów zarządzania pracą baterii - przedstawia w nim między innymi nowatorską koncepcję bezprzewodowego systemu BMS oraz publikuje szereg wskazówek na temat projektowania tego typu układów.

Michał

2021-09-10

Znaczenie dokładności pomiaru

Dokładność jest ważną cechą BMS i ma krytyczne znaczenie dla akumulatorów LiFePO4.3. Aby zrozumieć znaczenie tej cechy, rozważmy przykład na rysunku 5. Aby zapobiec przeładowaniu i rozładowaniu, ogniwa akumulatora powinny być utrzymywane między 10% a 90% pełnej pojemności. Mając to na uwadze, w akumulatorze o pojemności 85 kWh, do normalnej pracy jest dostępne tylko 67,4 kWh. Jeśli błąd pomiaru wynosiłby 5%, aby kontynuować bezpieczną pracę akumulatora, ogniwa musiały by być utrzymywane na poziomie od 15% do 85% ich pojemności. Całkowita dostępna pojemność została zmniejszona z 80% do 70%. Jeśli dokładność zostanie poprawiona do 1% (dla akumulatorów LiFePO4 błąd pomiaru 1 mV przekłada się na 1% błędu SOC), akumulator może teraz pracować w zakresie od 11% do 89% pełnej pojemności, co oznacza wzrost o 8%. Przy takim samym akumulatorze i dokładniejszym BMS zwiększa się przebieg samochodu na jednym ładowaniu.

Rysunek 5: Limity naładowania baterii © Analog Devices

Aby oszacować dokładność układu pomiarowego ogniwa, projektanci obwodów polegają na specyfikacjach. Jednak w rzeczywistości na błąd pomiaru często wpływają też inne czynniki:

Tolerancja początkowa
Dryf temperatury
Dryf długoterminowy
Wilgotność
Naprężenia powstałe podczas montażu PCB
Odporność na szumy

Aby zapewnić bardzo wysoką wydajność, dobry BMS musi uwzględniać wszystkie te czynniki. Dokładność pomiaru układu scalonego jest przede wszystkim ograniczona przez napięcie odniesienia, a te z kolei jest wrażliwe na naprężenia mechaniczne. Krzem ulega naprężeniu pod wpływem zmian temperatury w procesie lutowania PCB. Kolejną przyczyną występowania naprężeń w krzemie jest wilgotność, która potrafi przeniknąć do wnętrza obudowy. Naprężenie krzemu zmniejsza się z czasem, prowadząc do długoterminowego dryfu napięcia odniesienia.

Układy scalone do pomiaru stanu baterii określają napięcie odniesienia wykorzystując technikę band gap lub diodę Zenera (szczegółowy opis obu metod znajdziecie w innym materiale Analog Devices, dostępnym pod tym linkiem). W tym drugim przypadku, projektanci IC wykorzystują złącze NPN emiter-baza działające w odwrotnym przebiciu. Na powierzchni matrycy, gdzie ewentualnie mogą występować zanieczyszczenia i tlenki, następuje stopniowe pogorszenie parametrów złącza, a wówczas połączenie staje się wrażliwe na szumy i podlegają nieprzewidywalnemu krótko- i długoterminowemu dryfowi. Aby umieścić złącze diody Zener’a z dala od zanieczyszczeń i tlenków, umieszcza się je pod powierzchnią krzemu (buried Zener). Rezultatem jest uzyskanie złącza diody Zener’a o doskonałej długoterminowej stabilności, niskim poziomie hałasu i stosunkowo dokładnej tolerancji początkowej. Z tego powodu, zjawisk w warunkach rzeczywistych, stosowanie diod Zenera do ustalania napięcia odniesienia jest znacznie lepsze w łagodzeniu negatywnych w długim okresie czasu.

Rodzina LTC68xx wykorzystuje diodę Zenera klasy laboratoryjnej, technologię, którą ADI udoskonalało przez ponad 30 lat. Rysunek 6 pokazuje dryft błędu IC pomiaru akumulatora w stosunku do temperatury dla pięciu typowych jednostek. Dryf w pełnym zakresie aplikacji motoryzacyjnych (tj. od -40°C do +125°C) wynosi mniej niż 1 mV.

Rysunek 7 przedstawia porównanie długoterminowego dryftu napięcia odniesienia w technice band gap i zakopanej diody Zenera. Pomiary początkowe są kalibrowane dla błędu 0 mV.

Dryf pomiarowego w okresie 10 lat modelowany jest na bazie dryfu po 3.000 h w 30°C. Wykres wyraźnie pokazuje znacznie lepszą stabilność rozwiązania opartego na diodzie Zenera, co najmniej 5x lepszą niż przy metodzie band gap. Podobnie testy wilgotności i naprężeń w zmontowanej PCB pokazują lepszą wydajność ‘zakopanej’ diody Zenera w stosunku do napięcia odniesienia uzyskanego metodą band gap.

Rysunek 7: Porównanie dryftu długoterminowego napięcia odniesienie przy zastosowaniu technik band gap oraz zakopanej diody Zenera © Analog Devices.

Kolejnym czynnikiem ograniczającym dokładność są szumy. Akumulator samochodowy jest bardzo trudnym środowiskiem dla elektroniki ze względu na zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez silnik elektryczny, falownik, konwertery DC-DC i inne wysokoprądowe systemy przełączania w EV/HEV. BMS powinien zapewniać wysoki poziom tłumienia szumów w celu utrzymania dokładności pomiarów. Klasyczną metodą stosowaną do redukcji niepożądanego szumu jest zastosowanie filtra, jednak istnieje kompromis pomiędzy redukcją szumów a szybkością konwersji. Ze względu na dużą liczbę ogniw wytwarzających napięcie, które ma być konwertowane i przesyłane, czas konwersji nie może być zbyt wolny. Często preferowanym wyborem są konwertery SAR, ale w systemie multipleksowym prędkość jest ograniczona przez czas ustalania się sygnału multipleksowanego. W takim przypadku konwertery sigma-delta (Σ-Δ) mogą być interesującą alternatywą.

Układy pomiarowe ADI wykorzystują przetworniki analogowo-cyfrowe typu sigma-delta (ADC). W przypadku konwertera sigma-delta dane wejściowe są wielokrotnie próbkowane podczas konwersji, a następnie uśredniane. Rezultatem jest wbudowane filtrowanie dolnoprzepustowe, stosowane w celu wyeliminowania szumu jako źródła błędu pomiaru; częstotliwość graniczna jest ustalana przez częstotliwość próbkowania. LTC6811 wykorzystuje przetwornik ADC sigma-delta z programowalnymi częstotliwościami próbkowania i ośmioma wybieranymi częstotliwościami odcięcia. Rysunek 8 przedstawia odpowiedź filtra dla ośmiu programowalnych wartości odcięcia częstotliwości. Wyjątkową redukcję szumów osiągnięto dzięki umożliwieniu pomiaru wszystkich 12 ogniw akumulatora z szybkością do 290 µs. Test podawania prądu masowego, w którym 100 mA szumu RF jest sprzężony z przewodami łączącymi akumulator z układem scalonym, wykazał błąd pomiaru mniejszy niż 3 mV.