Varför och hur man använder integrerade kretsar för batterihantering av staplade celler

Laddningsbara batterier används i allt större utsträckning för att leverera högre spänningar och mer kraft i tillämpningar som elfordon och hybridfordon, elverktyg, gräslippare och avbrottsfria strömförsörjningar. Det är välkänt att alla typer av kemikalier behöver noggrann övervakning och hantering för att garantera en effektiv, tillförlitlig och säker drift, och de seriekopplade staplarna med många tiotals celler eller mer som krävs för att uppfylla dessa enheters effektkrav kräver mer uppmärksamhet från konstruktörerna, särskilt när antalet celler per batteri ökar.

Att övervaka och mäta en enskild cell eller ett litet batteripaket med bara några få celler är en blygsam utmaning och mycket enklare än att göra detsamma för celler i lång kedja av flera seriekopplade celler. Konstruktörer av staplade implementationer med flera celler måste ta hänsyn till problem som att utföra mätningar trots hög common mode-spänning, förekomst av farliga spänningar, konsekvenserna av fel på en enskild cell, multiplexering över ett stort antal celler, felmatchning och balansering av celler och temperaturskillnader mellan batteri och stapel, bara för att nämna några exempel. Dessa kräver avancerade integrerade kretsar för batterihantering (BMIC) och batterihanteringssystem (BMS) för att utföra mätning av parametrar och styrning, samt viss teknisk kunskap för att använda dem korrekt.

Artikeln diskuterar grunderna och utmaningarna med batterihantering i allmänhet och batterier med flera celler i synnerhet. Den presenterar och visar därefter hur man använder avancerade integrerade kretsar för batterihantering från Analog Devices, Renesas Electronics Corp. och Texas Instruments som är särskilt utformade för de unika problemen vid hantering av flera seriekopplade celler.

Flera seriekopplade batterier skapar unika utmaningar

Typisk batteriövervakning omfattar mätning av strömflödet in och ut ur batteriet (laddningsmätning), övervakning av spänningen på anslutningarna, bedömning av batterikapaciteten, övervakning av celltemperaturer och hantering av laddnings- och urladdningscykler för att optimera energilagringen och maximera antalet sådana cykler under batteriets livslängd. Vanligt förekommande BMIC- eller BMS-enheter tillhandahåller dessa funktioner för små batteripaket som bara består av en eller två celler med ensiffriga spänningar. BMIC och BMS fungerar som en frontände för datainsamling, vars data rapporteras till en cellhanteringsstyrenhet (CMC). I mer komplicerade system ansluts CMC:n till en högre funktion som kallas batterihanteringsstyrenhet (BMC).

I den här artikeln är en "cell" en enskild energilagringsenhet, medan ett "batteri" är hela kraftpaketet, som består av flera celler i en serie-/parallellkopplad kombination. Medan en enskild cell bara producerar några få volt, kan ett batteripaket bestå av dussintals eller fler celler och leverera flera tiotals volt, och kombinationer av batteripaket kan ge ännu högre spänningar.

De kritiska cellparametrar som behöver mätas för en effektiv hantering är anslutningsspänning, laddnings-/urladdningsström och temperatur. Mätprestandan som krävs för moderna batteripaket är ganska hög: varje cell måste mätas med en noggrannhet på några millivolt (mV) och milliampere (mA), och med en noggrannhet på ungefär en grad Celsius (°C). Skälen för en sådan noggrann cellövervakning är bland annat:

• Att konstatera batteripaketets laddningstillstånd (SOC) och status (SOH) för att ge exakta prognoser om batteripaketets återstående kapacitet (drifttid) och förväntad livslängd.
• Att tillhandahålla den information som krävs för att implementera cellbalansering, som utjämnar spänningen för laddade celler i förhållande till varandra, trots deras interna skillnader, samt olika platser, temperaturer och åldrande. Om cellbalansering inte utförs kan batteripaketets prestanda i bästa fall försämras och i sämsta fall kan cellerna gå sönder. Balansering kan ske med passiv eller aktiv teknik. Den sistnämnda tekniken ger något bättre resultat men är dyrare och mer komplicerad.
• Att förhindra många förhållanden som kan skada batteriet och leda till säkerhetsproblem för användaren (t.ex. ett fordon och dess passagerare). Dessa inkluderar oönskade scenarier som t.ex:
• Överspänning eller laddning med för höga strömmar, vilket kan leda till termisk överbelastning.
• Underspänning: En enda överladdning orsakar inte katastrofala fel, men den kan börja lösa upp anodens ledare. Upprepade överladdningscykler kan leda till litiumplätering i laddningscellen och, återigen, till potentiell termisk överbelastning.
• Övertemperaturer påverkar cellens elektrolytmaterial och minskar laddningstillståndet, vilket även kan öka bildning av fast elektrolytinterfas (SEI), vilket leder till ökad och ojämn resistivitet och effektförlust.
• För låga temperaturer är också ett problem, eftersom det kan orsaka litiumavlagringar, vilket också leder till kapacitetsförlust.
• Överström, och därmed intern uppvärmning på grund av ojämn intern impedans och eventuell termisk överbelastning, kan öka SEI-skikten i batteriet och öka resistiviteten.

Det finns ett dilemma här eftersom det exempelvis är ganska enkelt att mäta den exakta spänningen på en enskild cell i testbänken eller i en annan vänlig miljö. En konstruktör behöver bara ansluta en flytande (icke-jordad) eller batteridriven digital voltmeter (DVM) över den aktuella cellen (figur 1).

Figur 1: Att mäta spänningen över en enskild cell i en seriekopplad kedja är enkelt i teorin och kräver endast en flytande digital voltmeter. (Bildkälla: Bill Schweber)

Det är dock av många skäl mycket svårare att göra det med tillit och säkerhet i en elektriskt och miljömässigt tuff situation som i ett elfordon eller hybridfordon. Detta framgår tydligt av ett exempel på ett representativt EV-effektpaket som består av 6720 Li+ celler som hanteras av åtta styrmoduler (figur 2).

Figur 2: Ett verkligt batteripaket är en uppsättning serie- och parallellkopplade celler i moduler, med en betydande mängd lagrad energi, vilket är faktorer som kraftigt försvårar mätningen av cellspänningar. (Bildkälla: Analog Devices)

Varje cell har en kapacitet på 3,54 Ah, vilket ger en total nominell energilagring på 100 kWh (3,54 Ah x 4,2 V x 6720 celler). Var och en av de 96 seriekopplade raderna består av 70 parallella celler, vilket ger en batterispänning på 403,2 V (96 rader × 4,2 V) och en kapacitet på 248 Ah (100 kWh/403,2 V eller 3,54 Ah × 70 kolumner).

Några av problemen är:

• Det är en utmaning att tillhandahålla den nödvändiga upplösningen och noggrannheten vid mätning av en låg, ensiffrig spänning för att få en meningsfull precision vid flera millivolt på grund av förekomsten av en hög common mode-spänning (CMV), som kan överbelasta mätsystemet eller påverka avläsningens giltighet. Denna CMV är summan av spänningarna för alla seriekopplade celler, fram till den som mäts, i förhållande till systemets gemensamma spänning (även kallad "jord", även om det är en felaktig benämning). Observera att det i ett elfordon kan finnas upp till 96 eller till och med 128 battericeller i serie, vilket ger en CMV på flera hundra volt.
• På grund av det höga CMV-värdet är det nödvändigt att isolera cellerna galvaniskt från resten av systemet för både elektrisk integritet och användar-/systemsäkerhet, eftersom ingen av dem bör utsättas för hela CMV-värdet.
• Elektriska störningar och strömrusningar kan lätt förstöra mätningen i millivolt-området.
• De många cellerna måste mätas nästan samtidigt inom några få millisekunder för att skapa en korrekt helhetsbild av cellerna och batteripaketets status. Annars kan tidsförskjutningar mellan cellmätningarna leda till missvisande slutsatser och åtgärder.
• Det stora antalet celler innebär att det behövs någon form av multiplexering mellan cellerna och resten av delsystemet för datainsamling, annars blir storleken, vikten och kostnaden för sammankopplingsledningarna oöverkomliga.

Slutligen finns det viktiga och obligatoriska överväganden i fråga om säkerhet, redundans och felrapportering som måste uppfyllas. Standarderna skiljer sig från bransch till bransch; industri- och elverktyg skiljer sig mycket från bilar, och standarderna för de senare är de hårdaste. I affärskritiska fordonssystem, t.ex. sådant som rör batterihantering, får en förlust av funktionalitet inte leda till en farlig situation. Om det uppstår ett fel i systemet måste elektroniken stängas av i det "säkra" tillståndet och föraren måste varnas via en lampa på instrumentbrädan eller någon annan indikering.

För vissa system kan dock en funktionsstörning eller förlust av funktionalitet potentiellt leda till en farlig händelse och de kan inte bara stängas av. Därför kan säkerhetsmålen omfatta ett definierat krav på "säkerhetsrelaterad tillgänglighet". I sådana fall kan det krävas tolerans för vissa typer av fel i systemet för att undvika farliga händelser.

Sådan säkerhetsrelaterad tillgänglighet kräver att grundläggande funktionalitet eller en definierad "utgångsväg" tillhandahålls under en viss tidsperiod - trots de definierade felförhållandena - och att säkerhetssystemet måste tolerera ett fel under denna tidsperiod. Denna feltolerans gör att systemet kan fortsätta att fungera längre med en acceptabel säkerhetsnivå. Viktiga avsnitt i ISO 26262 "Vägfordon - Funktionssäkerhet i el- och elektroniksystem" ger vägledning för systemutvecklare när det gäller säkerhetsrelaterade tillgänglighetskrav.

De integrerade kretsarna blir bättre för att tillhandahålla lösningar

Leverantörerna har utvecklat integrerade kretsar för batterihanteringsstyrning som är utformade för att lösa problemet med att läsa av en enskild cell i en seriell kedja med noggrannhet - trots hög CMV och den hårda elektriska miljön. Dessa integrerade kretsar tillhandahåller inte bara de grundläggande avläsningarna utan hanterar även de tekniska problem som rör multiplexering, isolering och tidsförskjutning. De uppfyller de relevanta säkerhetsstandarderna och är i förekommande fall ASIL-D-godkända för fordonstillämpningar, vilket är den högsta och hårdaste nivån.

Automotive Safety Integrity Level (ASIL) är ett riskklassificeringssystem som definieras i standarden ISO 26262 - Vägfordon - Funktionssäkerhet i el- och elektroniksystem Det är en anpassning av den säkerhetsintegritetsnivå (SIL) som används i IEC 61508 för fordonsindustrin.

Även om funktionerna i dessa BMS-enheter är i stort sett likartade, skiljer de sig i viss mån åt i fråga om arkitektur, antal celler som de kan hantera, skanningshastighet, upplösning, unika funktioner och sammankopplingsmetod:

• Den isolerade CAN-arkitekturen är baserad på en stjärnkonfiguration och är robust, eftersom ett brott i kommunikationkabeln i den isolerade CAN-arkitekturen endast stör en integrerad krets, medan resten av batteripaketet förblir säkert. CAN-arkitekturen kräver dock en mikroprocessor och CAN för varje integrerad krets, vilket gör detta tillvägagångssätt dyrare och ger relativt låga kommunikationshastigheter.

• Den seriekopplade arkitekturen är generellt sett mer kostnadseffektiv, eftersom den universella seriekopplingen baserat på asynkrona mottagare/sändare (UART) kan leverera en tillförlitlig och snabb kommunikation utan CAN-bussens komplexitet. Den använder oftast kapacitiv isolering, men har även stöd för transformatorbaserad isolering. Ett kabelbrott i den seriekopplade arkitekturen kan dock störa kommunikationen, så vissa sådana seriekopplade system erbjuder "lösningar" som stöder viss drift under kabelbrottet.

Bland de representativa integrerade kretsarna för BMS:

• MAX17843 BMS från Analog Devices: MAX17843 är ett programmerbart 12-kanals gränssnitt för datainsamling för batteriövervakning med omfattande säkerhetsfunktioner (figur 3). Den är optimerad för användning med batterier för fordonssystem, batteripaket för hybridfordon, elfordon och alla system som staplar långa kedjor av sekundära metallbatterier på upp till 48 V.

Figur 3: Det 12-kanaliga gränssnittet för batteriövervakning och datainsamling i MAX17843 innehåller flera säkerhetsfunktioner, vilket gör den lämplig för fordonstillämpningar och krav. (Bildkälla: Analog Devices)

MAX17843 innehåller en differentiell snabb UART-buss för robust seriell kommunikation, med stöd för upp till 32 integrerade kretsar som är anslutna i en enda seriell kedja (figur 4). UART:en använder kapacitiv isolering vilket inte bara minskar materialkostnaden utan även förbättrar andelen fel i tid (FIT).

Figur 4: Den 12-kanaliga MAX17843 använder kapacitiv galvanisk isolering i sin seriekopplade UART-konfiguration och har stöd för upp till 32 enheter i en enda kedja. (Bildkälla: Analog Devices)

Den analoga frontänden kombinerar ett 12-kanals system för spänningsmätning och datainsamling med en högspänningsingång för växling av bank. Alla mätningar görs differentiellt över varje cell. Mätområdet för full skala är från 0 till 5 V, med ett användbart område på 0,2 till 4,8 V. En analog-till-digitalomvandlare (ADC) med hög hastighet och successiv approximation (SAR) används för att digitalisera cellspänningarna med 14-bitars upplösning och översampling. Samtliga tolv celler kan mätas på mindre än 142 μs.

MAX17843 använder en metod med två skanningar för att samla in cellmätningar och korrigera dessa för fel, vilket ger en utmärkt noggrannhet i hela driftstemperaturområdet. Noggrannheten för differentialmätningen av cellerna är specificerad till ±2 mV vid +25 °C och 3,6 V. För att underlätta konstruktionen med den integrerade kretsen erbjuder Analog Devices utvärderingskitet MAX17843EVKIT# med ett PC-baserat grafiskt användargränssnitt (GUI) för installation, konfiguration och bedömning.

• Den integrerade Li-jon-kretsen ISL78714ANZ-T från Renesas för BMS övervakar upp till 14 seriekopplade celler och ger noggrann övervakning av cellspänning och temperatur, cellbalansering och en omfattande systemdiagnostik. I en typisk konfiguration kommunicerar en master ISL78714 med en värdmikrokontroller via en SPI-port (Serial Peripheral Interface) och upp till 29 ytterligare ISL78714-enheter som är anslutna till varandra genom en robust, egenutvecklad seriekoppling med två trådar (figur 5). Kommunikationssystemet är mycket flexibelt och kan använda kondensatorisolering, transformatorisolering eller en kombination av båda med upp till 1 megabit per sekund (Mbit/s).

Figur 5: ISL78714 använder en SPI-port för att länka flera enheter i en tvåtrådars seriekoppling som kan använda antingen kapacitiv eller transformatorbaserad isolering. (Bildkälla: Renesas Electronics Corp)

Den initiala noggrannheten vid spänningsmätning är ±2 mV med 14-bitars upplösning i ett intervall från 1,65 till 4,28 V från 20 °C till +85 °C. Noggrannheten efter montering på kortet är ±2,5 mV över ett cellinmatningsintervall på ±5 V (det negativa spänningsintervallet behövs ofta för jordskenor).

Detta BMS har tre lägen för cellbalansering: manuellt balanseringsläge, tidsstyrt balanseringsläge och automatiskt balanseringsläge. Det automatiska balanseringsläget avslutar balanseringen när en värdspecificerad mängd laddning har tagits bort från varje cell. Bland den integrerade systemdiagnostiken för viktiga funktioner finns en avstängningsanordning med övervakningsenhet för enheten om kommunikationen går förlorad.

• BQ76PL455APFCR (och BQ79616PAPRQ1) från Texas Instruments: Bq76PL455A är en integrerad 16-cells batteriövervaknings- och skyddsanordning som är utformad för industriella tillämpningar med hög tillförlitlighet och hög spänning. Det integrerade differentiella, kondensatorisolerade gränssnittet med hög hastighet har stöd för upp till 16 bq76PL455A-enheter som kommunicerar med en värd via ett enda UART-gränssnitt med hög hastighet via en seriekoppling över partvinnade kablar med upp till 1 Mbit/s (figur 6).

Figur 6: Batterihanteringsenheten bq76PL455A med 16 celler är avsedd för industriella tillämpningar och använder kapacitiv isolering för att koppla samman upp till 16 enheter med partvinnad kabel och kommunicerar med upp till 1 Mbit/s i en seriekoppling. (Bildkälla: Texas Instruments)

Analog-till-digitalomvandlaren med 14 bitar använder en intern referens och alla cellutgångar konverteras på 2,4 ms. Bq76PL455A övervakar och upptäcker flera olika feltillstånd, inklusive överspänning, underspänning, övertemperatur och kommunikationsfel. Den har stöd för passiv cellbalansering med externa n-FET:ar samt aktiv balansering via externa gate-drivenheter med switchmatris.

Denna BMS kan enkelt hantera uppsättningar med färre än de maximala 16 cellerna. Den enda begränsningen är att ingångarna måste användas i stigande ordning, med alla oanvända ingångar anslutna tillsammans med ingången till den högst använda VSENSE_-ingången. I en konstruktion med 13 celler används till exempel inte ingångarna VSENSE14, VSENSE15 och VSENSE16 (Figur 7).

Figur 7: bq76PL455A kan användas med färre än 16 celler. I sådana fall måste de oanvända cellingångarna vara de högsta i kedjan. (Bildkälla: Texas Instruments)

Andra integrerade kretsar, som Texas Instruments bq79616PAPRQ1, har stöd för ringkonfiguration och dubbelriktad kommunikation, vilket gör det möjligt för systemet att fortsätta att övervaka batteripaketets hälsotillstånd och säkerhet (figur 8).

Figur 8: bq79616PAPRQ1 har stöd för en dubbelriktad ringtopologi för ytterligare en länkanslutningsväg i händelse av kabelbrott eller nodfel. (Bildkälla: Texas Instruments)

Om det finns ett fel, ett avbrott eller en kortslutning mellan två av batteriövervaknings-ASIC:arna i denna konfiguration kommer styrprocessorn att kunna fortsätta att kommunicera med alla batteriövervaknings-ASIC:ar genom att växla meddelanderiktningen bakåt och framåt. Om den normala kommunikationen drabbas av ett fel kan systemet alltså bibehålla tillgängligheten med hjälp av ringkommunikationsfunktionens feltolerans, utan att förlora spännings- och temperaturinformation från batterimodulerna. För konstruktörer som vill experimentera med bq79616PAPRQ1 tillhandahåller Texas Instruments utvärderingskortet BQ79616EVM.

• LTC6813-1från Analog Devices: LTC6813-1 är en fordonsgodkänd batteriövervakare med flera celler som mäter upp till 18 seriekopplade battericeller med ett totalt mätfel på mindre än 2,2 mV via sin 16-bitars delta-sigma ADC med programmerbart störningsfilter (figur 9). Observera att detta är ett högre antal celler än vad vissa av de andra integrerade kretsarna kan stödja direkt. Alla 18 celler kan mätas på mindre än 290 μs, och lägre datainsamlingshastigheter kan väljas för högre störningsreducering.

Figur 9: LTC6813-1 stöder det högsta antalet celler (18) och använder en 16-bitars ADC för att uppnå 2,2 mV noggrannhet och höghastighetsavläsning av celler. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Flera LTC6813-1-enheter kan anslutas i serie, vilket möjliggör samtidig cellövervakning av långa kedjor med högspänningsbatterier. LTC6813-1 stöder två typer av seriella portar: ett vanligt fyrtråds SPI-gränssnitt, och ett isolerat tvåtrådsgränssnitt (isoSPI). Den icke-isolerade porten för fyra trådar är lämplig för kortare förbindelser och vissa tillämpningar som inte är avsedda för bilar (figur 10).

Figur 10: LTC6813-1 har stöd för en vanlig fyrtråds SPI-anslutning för kortare förbindelser och vissa tillämpningar som inte är avsedda för bilar. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Den isolerade seriella kommunikationsporten på 1 Mbit/s använder ett enda tvinnat par för avstånd på upp till 100 m med låg elektromagnetisk mottaglighet (EMI) och låg utstrålning, eftersom gränssnittet är konstruerat för låga mängder paketfel även när kabeln utsätts för höga RF-fält. Den dubbelriktade kapaciteten hos denna seriekoppling säkerställer kommunikationens integritet även i händelse av ett fel, t.ex. ett kabelavbrott längs kommunikationsvägen.

I dess konfigurationsläge med två trådar, uppnås isolering genom en extern transformator, med vanliga SPI-signaler kodade till differentiella pulser. Styrkan på sändningspulsen och mottagarens tröskelnivå ställs in med två externa motstånd,_RB1 och_RB2 (figur 11). Värdena på motstånden väljs av konstruktören för att möjliggöra en avvägning mellan effektförlust och störningsimmunitet.

Figur 11: LTC6813-1 erbjuder även en transformatorisolerad seriell kommunikationsport med 2 trådar, 1 Mbit/s, via ett enda tvinnat par för avstånd på upp till 100 m, med både låg EMI-mottaglighet och låg EMI-utstrålning. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1 kan strömförsörjas direkt från den batteristapel som den övervakar eller från en separat isolerad strömförsörjning. Den innehåller även passiv balansering för varje cell, tillsammans med en individuell styrning av arbetscykeln med hjälp av pulsbreddsmodulering (PWM).

Sammanfattning

Noggrann mätning av spänning, ström och temperatur för en enskild cell eller ett litet batteripaket med bara några få celler är en blygsam teknisk utmaning. Det är dock en utmaning att mäta samma parametrar på enskilda celler i en seriekopplad kedja - och att göra det i tuffa fordons- och industrimiljöer med försumbar tidsförskjutning från cell till cell - är en utmaning på grund av det stora antalet celler, hög CMV, elektriska störningar, regelverk och andra problem.

Som framgår kan konstruktörer använda sig av integrerade kretsar som är särskilt utformade för dessa tillämpningar. De har den galvaniska isolering, precision och snabba skanningstid som krävs för att lösa problemen. Detta medför att de levererar exakta, användbara resultat som möjliggör kritiska beslut på hög nivå vid batterihantering.