Kisfeszültségű akkumulátormonitor nagyfeszültségű elektromos járművekben

Amennyiben még nem vezet elektromos járművet (EV) – hibrid elektromos járművet (HEV), plug-in hibrid járművet (PHEV) vagy teljesen elektromos járművet –, akkor valószínű, hogy ez az állapot hamarosan változni fog. Az elektromos járművek hatótávolságával kapcsolatos aggály már a múlté. Ön is részese lehet a környezet megóvásának anélkül, hogy aggódnia kellene az „elakadás” miatt.

A kormányzatok szerte a világon nagyvonalú pénzügyi ösztönzőket kínálnak az elektromos járművek prémiumárainak ellensúlyozására, remélve, hogy sikerül megnyerniük a vásárlókat, hogy a belső égésű motorral rendelkező járművek helyett elektromos járművet válasszanak. Egyes kormányok lépéseket tettek azért, hogy a várható hatalmas piaci részesedés megszerzésének reményében ösztönözzék az autógyártókat elektromos járművek gyártására és értékesítésére, míg mások egyértelműbb, keményebb irányvonalat képviselnek. Németország például már szorgalmazza az ICE-járművek betiltását 2030-ig. (ICE – Internal Combustion Engine [belső égésű motor] – benzinnel, dízellel, bioüzemanyaggal, természetes gázokkal működő autók.)

Az autó történelmének nagy részében az innováció a belső égésű motorok üzemanyag-hatékonyságának javítására, a károsanyag-kibocsátás csökkentésére és a még kényelmesebb felhasználói élmény megteremtésére összpontosított. Az ICE-gépjárművekben a közelmúltban elért újítások túlnyomó többsége azonban közvetlenül az elektronika – a futóműrendszerek, a hajtóművek, az autonóm és fejlett vezetősegítő rendszerek (ADAS), az infotainment és a biztonsági rendszerek – fejlődésének az eredménye. Az elektromos járművek túlnyomórészt ugyanolyan elektronikus rendszerrel rendelkeznek, mint az ICE-járművek, és természetesen maga a hajtáslánc is hasonló. A Micron Technology szerint az EV értékének elektronikai része ma eléri a 75%-ot, és ez a rész még növekedni fog, mivel a félvezető-technológia fejlődése tovább csökkenti a különféle elektronikus modulok és alrendszerek költségeit. Még a nem hagyományos autóipari szereplők is – mint például az Intel^® – keresik a lehetőséget ezen a téren.
Nem meglepő, hogy az elektromos járművek teljes elektronikai alrendszerén belül a gyártók és a fogyasztók egyaránt az EV szívére, az akkumulátorrendszerre koncentrálnak. Az akkumulátorrendszer magában foglalja az újratölthető – a jelenlegi szabvány szerint lítium-ion (Li-Ion) – akkumulátort, és az akkumulátorfelügyeleti rendszert (BMS – Battery Management System), amely maximalizálja az akkumulátor használatát és biztonságát.
Az Analog Devices BMS megoldásai irányadók a felügyeleti funkciók ellátására. Az ADI LTC2949 EV akkumulátormonitor integrált áramköre a legújabb fejlesztés az intelligens BMS IC-k széles választékához, amelyek lendületet adnak az új generációs EV BMS-kialakításnak.

1. ábra  Elosztott EV BMS-monitortopológia LTC6811-1 és LTC2949 segítségével

BMS Monitoring – akkumulátorfelügyeleti rendszer

A BMS elsődleges feladata az akkumulátor állapotának figyelemmel kísérése, ami elektromos járművek esetében egy nagyon nagy akkumulátorcsomag monitorozását jelenti. A BMS általában figyeli az egyes cellák és csomagok feszültségét, áramát, hőmérsékletét, töltöttségi állapotát (state of charge – SoC), „egészségi állapotát” (state of health – SoH), azaz az öregedését és egyéb kapcsolódó funkciókat, például a hűtőfolyadék áramlását. A BMS által nyújtott nyilvánvaló biztonsági és teljesítménybeli előnyök mellett ezen paraméterek pontos figyelemmel kísérése általában javítja a vezetési élményt, mivel a járművezetők megfelelően tájékozódhatnak az akkumulátor valós idejű állapotáról.
A hatékonyság érdekében a BMS áramköröknek – mint például az új LTC2949 akkucsomag-monitor – pontosaknak és gyorsaknak kell lenniük, magas közös módú feszültségelnyomással, kis teljesítményfelvétellel biztonságosan kell kommunikálniuk más eszközökkel. Az EV BMS egyéb feladatai közé tartozik az energia visszanyerése az akkumulátorcsomag számára (vagyis a regeneratív fékezés), a cellák kiegyensúlyozása, az akkucsomag védelme a veszélyes feszültség-, áram- és hőmérsékleti szintektől, valamint a kommunikáció más alrendszerekkel (mint például töltők, terhelések, hőmérséklet-menedzsment és vészleállítás).
Az autógyártók többféle BMS monitorozási topológiát használnak, hogy megfeleljenek a precizitás, megbízhatóság, egyszerű gyártás, költség és teljesítmény igényeinek. Az 1. ábrán bemutatott elosztott topológia hangsúlyozza a nagy pontosságot, a gyárthatóságot a sorosan csatlakoztatott akkumulátorokkal, valamint a minimális energiafogyasztást és a nagy megbízhatóságot a kisfogyasztású SPI és isoSPI™ interfészek révén az integrált áramkör belső kommunikációjában.
Itt az LTC2949-et alacsony oldali áramérzékelő konfigurációban alkalmazzák, ahol az isoSPI kommunikációs vonalak párhuzamosak az alsó LTC6811-1 akkumulátormonitorral. A nagyobb megbízhatóság érdekében kettős kommunikációs elrendezés valósítható meg, ha egy második isoSPI adó-vevőt csatlakoztatunk az akkumulátorcsomag tetejéhez, létrehozva egy gyűrűtopológiát, amely mindkét irányban képes kommunikálni. Az SPI master vezérlővel az elkülönített kommunikáció egy LTC6820 isoSPI – SPI jelátalakítón keresztül valósul meg. Az Analog Devices egymásra helyezhető, többsejtű akkumulátormonitorokból álló LTC681x családjával akár 6, 12, 15 vagy 18 sorosan csatlakoztatott akkumulátorcella is mérhető, míg az összes csomagparaméter mérésére egyetlen LTC2949 is elegendő. Az LTC681x és az LTC2949 együttesen egy átfogó EV BMS felügyeleti megoldást alkot – egyesek számára ez az áramkör úgy ismert, mint a BMS analóg front-end (AFE).
Az LTC2949 egy nagy pontosságú áram-, feszültség-, hőmérséklet-, töltés-, teljesítmény- és energiamérő, amelyet kifejezetten az elektromos járművekhez terveztek. Ezen kulcsparaméterek mérése a rendszertervezők számára nélkülözhetetlen a teljes akkumulátorcsomag valós idejű SoC és SoH, és más fontos jellemzőinek a kiszámításához. A 2. ábra az LTC2949 tömbvázlatát mutatja, amelyet magas oldali áramérzékelési konfigurációban használnak. Itt az LTC2949 állítható lebegő topológiát használ, lehetővé téve egy nagyfeszültségű akkumulátorcsomag figyelemmel kísérését, amelyet a saját 14,5 V-os feszültsége nem korlátoz. Az LTC2949 tápellátását egy LT8301 szigetelt flyback átalakítón keresztül látják el, a VCC pedig az akkumulátor pozitív kivezetéséhez csatlakozik.

2. ábra  Az LTC2949 EV akkumulátormonitor tipikus bekötése magas oldali áramérzékelésű konfigurációban. Az LTC2949 tápellátását az LT8301 szolgáltatja, a VCC az akkumulátor pozitív kivezetésére csatlakoztatott

Előre az Analog Devices céggel

A járművezetők az LTC2949 digitális kimenetét és pontosságát, a rendszertervezők az LTC2949 analóg teljesítményét és zökkenőmentes, bármely EV BMS-be könnyed integrálását fogják értékelni. Az LTC2949 középpontjában öt sín-sín közötti, alacsony eltolású, szigma-delta (Σ-Δ) ADC található a pontos feszültségmérés érdekében.
Az öt ADC közül két 20 bites ADC áll rendelkezésre két érzékelő-ellenállás feszültségének mérésére (a 2. ábrán látható módon), amelyből a két különálló sínen átfolyó áram különbségére lenyűgöző 0,3%-os pontossággal következtethetünk. Az LTC2949 kevesebb mint 1 µV offszetfeszültséggel kivételesen magas dinamikatartománnyal rendelkezik. Hasonlóan az akkumulátor teljes feszültsége 18 bit és 0,4%-os pontossággal mérhető. Két dedikált teljesítmény ADC érzékeli a sönt és az akkumulátorcsomag feszültségbemenetét, 0,9%-os pontosságú teljesítményértéket eredményezve. Az utolsó 15 bites ADC max. 12 külső feszültség mérésére alkalmas – ez hasznos külső hőmérséklet-érzékelőkkel vagy ellenállás-osztókkal történő használatra. Beépített multiplexer használatával az LTC2949 0,4%-os pontossággal képes differenciális sín-sín feszültségmérést végezni a 12 pufferelt bemenet bármely párja között.

1. táblázat  Az LTC2949 három adatgyűjtő csatornájának konfigurációs beállításai

A beállítás egyszerűsítése érdekében az LTC2949 5 ADC-je három adatgyűjtő csatornát alkot. Mindegyik csatorna konfigurálható két sebesség egyikére, az alkalmazástól függően, az 1. táblázat szerint. Például két csatorna használható egyetlen söntellenállás megfigyelésére: az egyik csatorna lassú (100 ms) nagy pontosságú áramhoz, teljesítmény, töltés és energia mérésére; a másik az áram gyors (782 μs) mintavételezéséhez, szinkronizálva az akkumulátorcsomag feszültségméréseivel impedanciakövetés vagy előtöltés mérés céljából. Alternatív megoldásként két különböző méretű, két külön csatornával felügyelt söntellenállás (ismét a 2. ábrán látható módon) lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy kiegyenlítsék az egyes söntök pontosságát és teljesítményveszteségét. Eközben a harmadik segédcsatorna elvégezheti a választható pufferelt bemenetek gyors mérését vagy két konfigurálható bemenet auto-round-robin (RR) mérését két konfigurálható bemenetnél – mint csomagfeszültség, chip-hőmérséklet, tápfeszültség vagy referenciafeszültség.
Ha az LTC2949 három adatgyűjtő csatornája közül bármelyik gyors üzemmódra konfigurált (782 μs konverziós idő és 15 bites felbontás), az LTC2949 szinkronizálhatja az akkumulátorcsomag feszültségét és árammérését bármely LTC681x többcellás akkumulátormonitor cellafeszültség-mérésével következtetve ezáltal az egyedi sejt impedanciájára, öregedésére és állapotára. Ezen információk alapján fel lehet mérni az akkumulátorcsomag élettartamát, mivel az egész csomag „egészségi állapotát” (SoH), azaz az öregedését a leggyengébb cella határozza meg.
Mivel az SoH egy lényeges jellemző az akkumulátor (vagy akkumulátorcsomag) életciklusában – illetve annak állapota egy relative friss akkumulátorhoz képest – fontos precíz EV BMS monitorok alkalmazása, hogy ne csak a vezetési távolság maximalizálása, hanem váratlan akkumulátorproblémák minimalizálása is megtörténjék. Egyébként, ha már az akkumulátor élettartamát említettük: az LTC2949 fogyasztása bekapcsolt állapotban csak 16 mA, és mindössze 8 µA alvó üzemmódban.

3. ábra  LTC isoSPI konfigurációk

Digitális dominancia

Az LTC2949 digitális funkciói közé tartozik a túlmintavételes szorzó és tároló, amelyek 18 bites teljesítményértékeket, valamint 48 bites energia- és töltési értékeket állítanak elő – minimumokat és maximumokat, valamint a felhasználó által meghatározott határokon alapuló riasztásokat. Ez tehermentesíti a BMS vezérlőt és a buszt attól a feladattól, hogy folyamatosan lekérdezzék az LTC2949-et feszültség- és áramadatokról, valamint az eredmények alapján végzett számítások elvégzésének további feladatától. Azáltal, hogy az átlagolt értékek szorzása helyett teljesítménymintákat vételez a túlmintás ADC órajelén (predecimációs szűrőn), az LTC2949 pontosan méri a teljesítményt az átalakítási sebességet messze meghaladó áram- és feszültségváltozások jelenlétében, legfeljebb 50 kHz-es jelekkel.
Mivel az LTC2949 nyomon követi az áram-, feszültség-, teljesítmény- és hőmérsékleti adatok minimális és maximális értékét, a busz és a hoszt – ahelyett, hogy folyamatosan lekérdezné az LTC2949-et – más feladatokra válthat az óraciklus alatt. A minimális és maximális értékek észlelésén és tárolásán túl az LTC2949 riasztást adhat ki a felhasználó által meghatározott küszöbértékek meghaladása esetén – ezáltal ismét felszabadítva a hosztot és a buszt az adatgyűjtési feladatok alól. Az LTC2949 túlcsordulási riasztást is generálhat egy meghatározott mennyiségű energia vagy töltés adathalmaza után, vagy ha egy előre beállított idő letelt.
A monitorozás pontosságának érdekében az LTC2949 programozható erősítési korrekciós tényezőket hoz létre a mért értékek tűréseinek kompenzálásához: kettőt a söntellenállásokhoz, egy elemfeszültség-osztót és négy multiplexált bemenetet. Ezek a korrekciós tényezők a külső EEPROM-ban tárolhatók, hogy moduláris megközelítést lehessen elérni az akkumulátorok gyári kalibrálásához. Ezenkívül az LTC2949 linearizálhatja akár két külső NTC termisztor hőmérsékleti leolvasását a Steinhart-Hart egyenletek programozható együtthatóval történő megoldásával. Ezeket az értékeket fel lehet használni a söntellenállás automatikus hőmérséklet-kompenzálására. A tolerancia és a hőmérsékleti hatások folyamatos kompenzálásával nemcsak a monitorozás pontossága javul, hanem olcsóbb külső alkatrészek is felhasználhatók.
Az LTC2949 szabványos SPI interfésszel rendelkezik közvetlen MCU csatlakozáshoz. Az Analog Devices saját isoSPI interfésze is jelen van. Az isoSPI a sztenderd chipszintű SPI fizikai réteg adaptációja, amely felszabadítja a költséghatékony elosztott csomagarchitektúrák teljes potenciálját. A nagyfeszültségű és nagy zajszintű rendszerekhez tervezett isoSPI biztonságos és robusztus információátvitelt biztosít akár 1 Mbps adatsebességig akár 100 méter kábelhosszon, mindössze egyetlen sodrott érpár és egy egyszerű impulzus-transzformátor segítségével. Az isoSPI szintén olcsóbb, mint más fedélzeti izolációs megoldások. A 3. ábra bemutatja, hogy az LTC2949 hogyan használja fel az isoSPI-t az LTC6811-1-gyel együtt, akár a fűzött jelvezetés utolsó elemeként vagy akár címezhető párhuzamos konfigurációban.

Következtetés

A versenyképesség megőrzése érdekében a rendszertervezőknek árgus szemekkel kell figyelniük mind az akkumulátort, mind a BMS technológiákat, amelyek mélyen befolyásolják a végfelhasználói élményt. Az LTC2949 – az ADI legfrissebb előrelépéseként a BMS-monitoring versenyben – könnyedén megbirkózik több csomagfigyelő topológiával és konfigurációval. Az LTC2949 gyakorlatilag bármilyen feszültségen és bármilyen áramszinten nagy teljesítményű, biztonságos, rugalmas és megbízható akkumulátorkezelő rendszerek megvalósítását teszi lehetővé.
Az akkumulátor SoH és SoC jellemzőinek pontos értékelése azonnal rendelkezésre áll az áram, feszültség, teljesítmény, energia, töltés, hőmérséklet és idő pontos leolvasásával. Az LTC2949 analóg képessége megegyezik a digitális kimenetek nagy sebességű jelfeldolgozásával. A legfontosabb minimumok, maximumok és figyelmeztetések mérhetők, kiszámíthatók és jelenthetők az LTC2949-nek egy „golyóálló” isoSPI interfészen keresztül. Ez csökkenti a hoszt-erőforrások, a busztervezés és tesztelés, valamint a szoftvertervezés igényét. A digitális funkciók egy része szorzót, tárolót, min. / max. regisztert, konfigurálható riasztásokat és külsőkomponens-tolerancia / hőmérséklet-kompenzációt tartalmaz.
Az önállóan vagy bármely LTC681x többcellás akkumulátormonitorral történő feladatellátásra tervezett LTC2949 kielégíti az új generációs EV BMS kritikus igényeit, miközben megfelel a szigorú AEC-Q100 irányelveknek és az ISO 26262 biztonsági előírásoknak.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Christopher Gobok – Product Marketing and Operations Manager (Termékmarketing és Termelési Igazgató)

Christopher Gobok, az Analog Devices teljesítmény-menedzsment félvezetők termékmarketing menedzsere. Chris a San Jose Állami Egyetemen szerzett B.S.E.E., M.S.E.E. és MBA diplomát. Korábban az optoelektronikával és teljesítmény-MOSFET-ekkel foglalkozott. Elérhető a Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát. címen.

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 04 57