Energiatároló rendszerek

Hogyan kezelhetjük könnyen és biztonságosan az akkumulátorcsomagot

A lítium-ion (Li-ion) és más akkumulátorok nemcsak az autóiparban kulcsfontosságúak, mivel elsősorban energiatároló rendszerekhez (ESS – energy storage systems) használják őket. A gigagyárak például naponta több MWh megújuló termelésből kinyert energiát képesek előállítani. Hogyan számoljuk el az energiahálózatra 24 órán keresztül nehezedő különféle terhelést? Ez akkumulátoralapú, hálózatot támogató energiatároló rendszerekkel (BESS) valósítható meg. A cikk az akkumulátorfelügyeleti vezérlőmegoldásokat és azok hatékonyságát tárgyalja az energiatároló rendszerek fejlesztése és telepítése során.

A lítium-ion akkumulátorral kapcsolatos kihívások

A Li-ion cellák használatához akkumulátorkezelő rendszerre (BMS – battery management system) van szükség. A BMS nélkülözhetetlen, mivel a Li-ion cellák veszélyesek lehetnek. Túltöltés esetén hő­megfutás alakulhat ki bennük, és felrobbanhatnak. Ha túlságosan lemerülnek, kémiai reakciók mennek végbe a cellákban, amelyek tartósan befolyásolják azok töltésmegtartó képességét. Mindkét eset az akkumulátorcellák veszélyes és költséges elvesztésével jár. Ezenfelül BMS-re is szükség van, mivel a Li-ion cellákat gyakran egymásra helyezik akkumulátorcsomagba. Az egymásra helyezett cellák töltése gyakran sorosan történik úgy, hogy az akkumulátorcsomaggal párhuzamosan állandó áramforrást alkalmaznak. Ez azonban azzal a kihívással jár, hogy egyensúlyba kell hozni az összes cella töltöttségi állapotát (SOC – state of charge). Hogyan lehet az összes cellát teljesen feltölteni vagy kisütni anélkül, hogy az akkumulátorcsomag bármelyik celláját túltöltenénk vagy lemerítenénk? A kiegyensúlyozás a jó BMS számos kritikus előnyének egyike.

A BMS elsődleges funkciói a következők:

• A cellaparaméterek, például a cellafeszültség, a cellahőmérséklet és a cellába be- és kiáramló áram figyelése;
• a SOC kiszámítása a fent említett paraméterek, valamint a töltési és kisütési áram ampermásodpercben (As) történő mérésével egy coulombszámláló segítségével;
• cellakiegyenlítés (passzív) annak biztosítására, hogy az összes cella azonos SOC értéken legyen.

Akkumulátorkezelő rendszermegoldások

Az Analog Devices széles körű BMS eszközcsaláddal rendelkezik (ADBMSxxxxxx). Az ADBMS1818 például ideálisan alkalmas ipari és BESS alkalmazásokhoz, és 18 cellából álló akkumulátorcsomag mérésére. Minden ADBMS IC működtetéséhez mikrokontroller szükséges. A mikrokontroller-egység kommunikál a BMS-szel, fogadja a mérési adatokat, és számításokat végez a SOC és más paraméterek meghatározásához. Bár a legtöbb mikrokontroller képes kommunikálni a BMS-szel, nem mindegyik alkalmas a feladatra. Kívánatos egy nagy feldolgozási teljesítménnyel rendelkező mikrokontroller. A BMS által visszajelzett adathalmazok nagyok lehetnek, különösen, ha nagy cellakészletre van szükség (egyes cellakészletek elérhetik az 1500 V-ot, és akár 32 ADBMS1818-asból állhatnak, amelyek láncszerűen /daisy chain/ vannak összekötve). Ebben az esetben a mikrokontrollernek elég nagy sávszélességgel kell rendelkeznie ahhoz, hogy az eredmények feldolgozása közben kommunikálni tudjon a rendszer különböző BMS IC-ivel. A BMS platformmegoldás részeként a MAX32626 mikrokontroller két tápforrással rendelkezik, amelyeket egy PowerPath™ vezérlőn keresztül kezel. A PowerPath-vezérlő a fedélzeti energiaigény (csatlakoztatott perifériák és feldolgozási terhelés stb.) alapján rangsorolja a tápforrást.
A legtöbb ADI felügyeleti IC nagyfeszültségű rendszerekhez való, egymásra helyezhető architektúrában készül, ami azt jelenti, hogy több analóg front-end (AFE) összekapcsolható láncba. Ezért az energiatároló vezérlőegységként (ESCU – energy storage controller unit) emlegetett BMS-vezérlőpanel egyik fő jellemzője, hogy egyszerre több AFE-vel is működik.
Az 1. ábra egy tipikus BMS blokkdiagramot mutat, ahol az ESCU kék színnel van kiemelve.

1. ábra ADI BMS megoldásokkal támogatott egyszerűsített BMS blokkdiagram

Bár az ESCU nincs optimalizálva funkcionális biztonsági alkalmazásokhoz, a felhasználó védelmi áramköröket és/vagy redundanciákat alkalmazhat bizonyos biztonsági integritási szint (SIL) követelményeinek teljesítése érdekében.

BMS vezérlőpanel-hardver és -szoftver

Hardverinformációk
Az ADI ESCU-ja számos BMS-eszközzel csatlakozik (AFE, gázmérő, isoSPI adó-vevő). A BMS vezérlőkártya hardverének és alkatrészeinek legfontosabb jellemzői a következők:

• Integrált MCU: az Arm^® Cortex^®-M4 MAX32626 alkalmas energiatárolási alkalmazásokhoz. Alacsony fogyasztású, és kiemelkedő sebességű, mivel belső oszcillátorral rendelkezik, amely akár 96 MHz-es frekvencián is képes működni. Alacsony fogyasztású üzemmódban akár 4 MHz-es sebességgel is működhet az energiatakarékosság érdekében. Kiváló energiagazdálkodási jellemzőkkel rendelkezik – például 600 nA alacsony fogyasztású üzemmódbeli árammal és engedélyezett valós idejű órával (RTC). A MAX32626 optimális mennyiségű perifériát tartalmaz, beleértve az SPI, UART, I2C, 1-Wire® interfészt, USB 2.0, PWM motorokat, 10 bites ADC-t és sok mást. A mikrokontroller fejlett biztonsági funkciókkal rendelkező megbízható platformmodullal (TPU) van ellátva.
• Interfészek – az ESCU több interfészt is tartalmaz:
  • SPI, I2C és CAN;
  • isoSPI a robusztus és biztonságos információátvitelhez nagyfeszültségű korláton keresztül;
  • USB-C az alaplap tápellátásához és az MCU flasheléséhez;
  • JTAG a mikrokontroller-programozáshoz és hibakereséshez;
  • Arduino-csatlakozó nagyobb rugalmasságot tesz lehetővé Arduino-kompatibilis kártyák, például Ethernet-pajzs, érzékelőkártyák vagy akár Proto Shield hozzáadásához.
• isoSPI adó-vevő: 2 × LTC6820-t tartalmaz az isoSPI kommunikáció megvalósításához a BMS IC-kkel egy láncban, egyetlen transzformátor segítségével. Ez biztosítja, hogy a kártya teljesen elszigetelt legyen a nagyfeszültségű akkumulátorkötegekhez csatlakoztatott BMS IC-kkel szemben. A kettős isoSPI adó-vevő jelenléte redundáns és megfordítható izolált kommunikációt biztosít, ahol a host MCU váltogatja a kommunikációs portokat a jelintegritás ellenőrzése érdekében (e kártya jövőbeli fejlesztése magában foglalja az ADBMS6822-t [kettős isoSPI adó-vevő] a nagyobb adatátviteli sebesség és a legújabb ADI BMS IC-kben jelen lévő alacsony energiafogyasztású cellafigyelő [LPCM] funkció támogatása érdekében).
• Energiagazdálkodás:
  • A tápellátás történhet egyenáramú csatlakozóról vagy a PC-hez USB 2.0 interfészen keresztül csatlakoztatott USB-ről (USB-C csatlakozó is rendelkezésre áll).
  • Az LTC4415-öt használó priorizáló áramkör kezeli és választja ki a tápforrást. A vezérlő és a perifériák oldalán lévő terhelés alapján választ a DC-csatlakozó vagy az USB-C bemenet között. Ha például egy Arduino-pajzs van csatlakoztatva és fut, a kártya energiafogyasztása megnő azon túl, amit az USB-C tud biztosítani. Az LTC4415 ideális dióda-OR architektúrája ekkor átvált, hogy a DC-csatlakozót válassza tápforrásként.
  • A tápellátási lánc különböző feszültségsíneket (3,3 V, 2,5 V és 5 V) biztosít, amelyek jumperekkel (áthidalókkal) konfigurálhatók.
• Biztonság és védelem: A MAX32626 egy beépített, szigetelt kapumeghajtót vezérel, az ADuM4120-at, amely egy N-FET-et hajt meg, amely egy külső érintkezőhöz csatlakozik (amely például az akkumulátorlapon található). Ez védelmi funkcióval rendelkezik, mivel az MCU az ADuM4120-on keresztül be- és kikapcsolja a MOSFET-et, hogy vészhelyzetben vagy hiba esetén bontsa az érintkezőket és leválassza az akkumulátorokat.

A 2. ábra egy magas szintű blokkdiagramot mutat be, amely kiemeli az ESCU fő elemeit.

2. ábra Az ESCU részletes hardveres blokkvázlata

A nyomtatott áramkör kicsiny, 10 cm × 9 cm-es méretben készül. A fő interfészek a 3. ábrán láthatók.

3. ábra Az ESCU felső oldala

Szoftverinformáció

A szoftveres oldalon az ADI teljes körű megoldást kínál, amely magában foglal egy nyílt forráskódú grafikus felhasználói felületet (GUI), amely a vezérlőkártyával való kommunikációra használható. A GUI legfeljebb három, a daisy chain-ben csatlakoztatott ADBMS eszközt támogat.
A GUI egy jól definiált, nyílt forráskódú kommunikációs protokollon keresztül kommunikál az MCU-val, amely könnyen bővíthető. A protokoll meghatározza az MCU-nak a soros porton keresztül küldött üzeneteket. Az üzenetek ciklikus redundancia-ellenőrzéssel (CRC) védettek a hibák felismerése érdekében. Ezek az üzenetek lehetővé teszik a felhasználó számára az MCU-val való szabályos csatlakozást és leválasztást; a rendszerparaméterek beállítását, mérések elvégzését, a hibák engedélyezését és ellenőrzését, valamint a szükséges parancsok írását az ADBMS részbe. Az MCU alkalmazáskódja szabad RTOS szálakat használ a párhuzamos műveletek végrehajtásához. Ez azért hasznos, mert egy mérési szál párhuzamosan futhat egy hibaellenőrző szállal, így megvalósítható a hibaintervallum ideje.
A BMS vezérlőpanelhez egy Python nyelven írt szoftverinterfész tartozik. A fő felhasználói részek a következők:
1. Rendszerlap, amely az alkalmazás kezdő oldala (4. ábra). Lehetővé teszi a felhasználó számára a soros PC-kommunikáció létrehozását, a csatlakoztatott AFE-kártyák számának kiválasztását, valamint a túlfeszültség- és alulfeszültség-ellenőrzéshez használandó mérési intervallum és küszöbértékek meghatározását. A csatlakozásgomb megnyomása után a felhasználó készen áll a mérések megkezdésére. Ha mindkét System Status (Rendszerállapot) lámpa zöldre vált (mint a 4. ábrán), akkor a felhasználó által megadott kártyák számától függően megjelennek a mérési lapok.
2. Az 5. ábrán látható BMS lapok az ESCU által feldolgozott méréseket mutatják az egyes csatlakoztatott AFE-k számára. A BMS lapok tartalmazzák az AFE lap által mért cella- és GPIO-feszültségeket, állapotot és hibaméréseket. A cellafeszültség-mérés grafikusan is megjelenik, valós időben ábrázolva.
3. Referencialap, amelyet a grafikus felhasználói felület tartalmaz, és amely a kártya magas szintű blokkdiagramját és a kapcsolási rajzokat ábrázolja.

4. ábra A felhasználói alkalmazás rendszerlapja

5. ábra BMS mérési lapok

A kapcsolási rajzok és a Gerber-fájlok az értékelő firmware-rel, a GUI-val és a felhasználói kézikönyvvel együtt nyílt forráskódúak, és az ADI bocsátja őket rendelkezésre.

Következtetés

A gyorsan fejlődő energiapiacon sürgető szükség van a BESS-re. Sürgető az igény egy teljes körű, azonnal bevethető megoldás iránt. Támogatásra is szükség van a piacra jutás felgyorsításához, és nem szabad ismeretlen késedelmeket okozni. Az ADI készen áll arra, hogy ESCU-jával teljes mértékben kielégítse ezt az igényt. Ez a kártya biztosítja a BESS-hez szükséges legfontosabb funkciókat, és teljes alapot nyújt a további fejlesztésekhez szükséges rugalmassággal.

Az ADI BMS-vezérlő megoldásával a felhasználók képesek lesznek:

• több AFE egyidejű kiértékelésére, mivel ez a megoldás stackelhető és skálázható architektúrákat céloz meg. Nincs szükség további isoSPI adó-vevő kártyára;
• a BMS rendszer hibakeresése zökkenőmentesen megoldható a fedélzeti JTAG, az állapotjelző LED-ek, valamint a különböző csatlakozók és interfészek révén;
• a nyílt forráskódú hardver és szoftver felhasználásával lerövidül a piacra kerülési idő.

Az ADI BMS vezérlőkártyája fel van szerelve a BESS-hez szükséges kulcsfontosságú funkciókkal, és rugalmas alapot kínál a jövőbeni fejlesztésekhez.

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

Szerzők: Amina Joerg – alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices
Paulo Roque – rendszeralkalmazási mérnök, Analog Devices

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 0457
www.arrow.com