Автор: Ральф Хикл (Ralf Hickl), Product Sales Manager Automotive Business Unit, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
Система управления батареями (Battery management system, BMS) выполняет множество важных задач и имеет в своем составе множество компонентов. В данной статье приведено описание подобной системы и назначение, входящих в нее компонентов.
На рисунке 1 приведена типичная схема управления ячейками аккумулятора. Элементы аккумулятора располагаются в такой схеме последовательно, а для их балансировки к каждому элементу параллельно подключен резистор с транзисторным переключателем. Данные переключатели, в свою очередь, управляются при помощи специальных балансировочных микросхем, сообщающихся между собой и головным микроконтроллером посредством последовательного интерфейса. Таким образом, головной микроконтроллер полностью контролирует степень заряда аккумуляторных элементов и способен корректировать режимы зарядки. Кроме того, в схеме присутствует двунаправленный предохранитель, способный отключить батарею от нагрузки или цепи зарядки в случае неисправности. В верхнем левом углу схемы находится датчик тока, выполненный на основе шунтирующего резистора. В качестве альтернативы датчика на резисторе может выступать микросхема датчика Холла.
Энергетические ячейки
Ячейка аккумулятора может быть создана на основе литий-ионной технологии или при помощи суперконденсаторов, также известных как конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC).
На данный момент лидером в области литий-ионных аккумуляторов является Samsung SDI, особенно это заметно в автомобильной промышленности, в частности, – в электромобилях и транспортных средствах с низким уровнем выбросов (low-emission vehicles, LEV). Ячейки круглой формы в аккумуляторах Samsung SDI имеют формат 18650 (диаметр 18 мм, длина 65 мм) и обеспечивают наиболее высокую плотность энергии, механическую стабильность и эффективность. В будущем, в соответствии с прогнозами ведущих производителей, на их замену придут ячейки формата 21700 (диаметр 21 мм, длина 70 мм).
Если Samsung SDI лидирует на рынке литий-ионных ячеек, то область суперконденсаторов плотно держит в руках китайско-швейцарский производитель Sech SA. Суперконденсаторы данной компании имеют номинальное напряжение ячейки 3,0 В, а их плотность энергии достигает максимума при 8 Втч/кг. Благодаря низкому значению внутреннего сопротивления, данные конденсаторы не требуют наличия каких-либо специальных систем охлаждения. Согласно утверждению самой кампании Sech SA, суперконденсаторы их производства соответствуют требованиям стандартов ISO 16750-3 и SAE 2464.
В таблице 1 приведены особенности решений от Samsung SDI и Sech SA
Таблица 1. Решения от Samsung SDI и Sech SA
Датчики тока и напряжения
Наличие датчиков тока и напряжения лежит в основе практически всех функций контроля аккумулятора: контроль уровня напряжения, счетчик энергии, расчет остаточной емкости, измерение уровня мощности, контроль короткого замыкания, измерение тока зарядки и так далее.
Датчики тока
Измерение тока, как правило, производится на основе двух технологий: использование шунтирующего резистора или использование датчиков магнитного поля (датчик Холла). Кроме того, датчики тока в системах зарядки должны быть двунаправленными, чтобы охватывать как двигательную, так и регенеративную части подключаемого устройства, а также внешнюю цепь зарядки.
Измерение тока с помощью шунтирующего резистора характеризуется следующими особенностями:
• Рассеиваемая мощность на резисторе увеличивается с ростом значения тока, в соответствии с формулой Ptot = RI².
• Для обеспечения рассеивания мощности в должной мере и минимальной теплоемкости, резистор должен обладать определенными размерами.
• Датчик тока на основе шунта устойчив к электромагнитным помехам.
• Измерение тока на резисторе не является изолированным, что во многих случаях требует гальванической развязки для дальнейшей последовательности сигналов.
• Данный тип датчиков позволяет проводить широкополосные измерения.
• Точность измерения в основном определяется свойствами резистора-шунта, прежде всего его допусками и температурными коэффициентами.
• Простой процесс настройки и калибровки.
В свою очередь особенности измерения тока с использованием технологии датчика магнитного поля следующие:
• Датчик тока, выполненный по данной технологии, обладает низким рассеиванием мощности.
• Доступна системно-гальваническая развязка.
•Усилия по разработке больше по сравнению с предыдущим решением, поскольку требуют учета механических и магнитных составляющих датчика при интеграции его в систему.
•Необходимо учитывать возможное перекрытие магнитных полей и грамотно выбирать место для монтажа.
• Чувствительность к электромагнитным помехам
В таблице 2 приведены датчики тока от ведущих мировых производителей.
Таблица 2. Датчики тока
Балансировка ячеек в литий-ионных аккумуляторах
Балансировка элементов аккумулятора позволяет выровнять значение их основных параметров, в том числе срока службы. Суть процесса балансировки заключается в измерении напряжения каждой ячейки и распределения тока заряда таким образом, чтобы заряд на всех ячейках был одинаков.
Существует несколько методов балансировки ячеек. Пассивная балансировка подразумевает под собой параллельное подключение резистора к ячейке с зарядным выводом через полупроводниковый переключатель (например, MOSFET) на определенный период времени. Это приводит к тому, что ток заряда ячейки уменьшается на время подключения резистора, а ток заряда на других ячейках остается прежним, что позволяет величине заряда на них «догнать» величину заряда на ячейке с резистором. Однако, такой подход сопровождается нежелательным в подобны системах рассеиванием мощности на резисторе.
При активной балансировке избыточный заряд отдельных ячеек распределяется на другие элементы с помощью с DC/DC-преобразователя с минимально возможным рассеянием мощности. Данный метод является более сложным в реализации, но, в то же время, обеспечивает более рациональный подход.
Производители микросхем балансировки могут интегрировать в свои продукты сразу 2 метода, как это сделала компания Infineon в своем новом решении TLE8001. Другим подобным решением на рынке является микросхема L9963 от STMicroelectronics, которая помимо прочего отличается большим количеством каналов.
Переключатели, используемые при пассивной балансировке в таких микросхемах представляют собой либо внутренние МОП-транзисторы, либо, в случае более высоких токов переключения, внешние МОП-транзисторы в единичном исполнении или в виде пары в одном корпусе.
Балансировка ячеек для суперконденсаторов (EDLC)
Суперконденсаторы чувствительны к перенапряжениям, поэтому для них также рекомендуется проводить балансировку. Для этих целей используется специальная микросхема, которая обеспечивает равномерное распределение общего напряжения по отдельным суперконденсаторам.
В таблице 3 приведены решения для балансировки ячеек и суперконденсаторов от ведущих мировых производителей.
Таблица 3. Решения для балансировки ячеек и суперконденсаторов
Микроконтроллер в устройстве управления и контроля заряда
Устройство управления и контроля заряда выполняет следующие функции:
• Работает как счетчик энергии и рассчитывает оставшееся время зарядки и емкость батареи.
• Повышает безопасность системы, работая с данными многоуровневой системы мониторинга и проверяя их на достоверность. Мониторит состояние элементов управления и, при необходимости, прерывает процесс зарядки или разрядки батареи.
• Выполняет функцию импедансной спектроскопии (измерение импеданса постоянного и переменного тока) и предоставляет информацию о состоянии заряда, температуре и общем состоянии батареи.
• Содержит прошивку с алгоритмом работы системы.
Из-за множества требований, включая требования по функциональной безопасности и сохранности данных, в подобных системах, как правило, применяются только высокопроизводительные микроконтроллеры с несколькими ядрами, способными работать в режиме пошаговой блокировки и/или аппаратные модули безопасности (Hardware Security Module, HSM).
В таблице 4 приведены примеры микросхем и микроконтроллеров, используемых в системах контроля заряда батареи.
Таблица 4. Микроконтроллеры и микросхемы управления и питания
Гальваническая развязка через оптопары и трансформаторы
Применение оптопар в качестве гальванической развязки прежде всего обусловлено там, где необходимо развязать сигналы с высоким и низким уровнем напряжения. В таблице 5 представлены модели оптронов TLX93xx и TLX92xx компании Toshiba, которые успешно зарекомендовали себя на рынке, а также новое, сертифицированное по AEC-Q101, решение VOMA617A от компании Vishay, выпущенное на рынок в начале 2018 года. Благодаря высокой диэлектрической прочности (80 В), оба типа решений могут использоваться в электрических системах с напряжением 48 В.
Альтернативой использования оптронов для создания гальванической развязки является применение трансформаторов, например, трансформаторов компании Pulse.
Таблица 5. Решения для гальванической изоляции
Интерфейсы и драйверы
Одним из важных компонентов системы, особенно для автомобильной промышленности, является CAN-трансивер. В настоящий момент существует широкий ассортимент подобных решений. В частности, компания Infineon предлагает трансиверы, которые заслужили доверие среди многих автопроизводителей. Трансиверы Infineon характеризуются скоростью передачи данных до 5 Мбит/с для CAN-FD и поддержкой частичной работы в сети, и доступны в компактном корпусе TSON8 (3 мм x 3 мм). CAN- трансиверы дополняют интерфейс зарядного устройства и обеспечивают бесперебойную передачу сигналов.
Выключатель-разъединитель-предохранитель
Предохранители, разъединители и полупроводниковые переключатели используются для защиты цепи аккумулятора в случае короткого замыкания или других аварийных ситуациях.
Полупроводниковые переключатели строятся на базе силовых транзисторов, соединенных параллельно, и драйверов управления затвором. Примером такого переключателя является микросхема TLE9180D производства компании Infineon. Разработанная в качестве управляющей микросхемы для 3-фазных двигателей типа BLDC в цепях с напряжением до 48 В, TLE9180D имеет в своем составе три драйвера управления затвором, а также аналоговые усилители для измерения тока. Направленная на применение в системах рулевого управления и управления стартером, микросхема TLE9180D обладает соответствующими встроенными механизмами защиты и набором диагностических функций, что делает ее идеальным решением для использования в функционально безопасных приложениях.
Пиротехнические разъединители являются одноразовыми изделиями. Суть работы подобных разьединителей основываемся на том, что при подаче сигнала управления на инициатора (проволочный мостик) он нагревается и за счет выделяющегося тепла воспламеняется пиротехнический заряд, который, в свою очередь, разрывает цепь контакта.
В таблицах 6-8 представлены решения типа выключатель-разъединитель-предохранитель от ведущих мировых производителей.
Таблица 6. Силовые транзисторы (48 В и высоковольтные)
Таблица 7. Драйверы управления затвором (48 В и высоковольтные)
Таблица 8. Предохранители
Контроль температуры
Литий-ионные аккумуляторы работают в достаточно узком диапазоне температур. Если данный диапазон будет нарушен, срок службы ячеек аккумулятора может значительно сократиться или они могут вовсе выйти из строя, спровоцировав при этом негативные последствия, в том числе взрыв при перегреве. Чтобы подобных последствий, необходимы датчики контроля температуры, которые мгновенно обнаруживают превышение температуры выше заданных параметров. Одним из примеров таких датчиков являются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (negative temperature coefficient , NTC) компании AVX, доступные в различных вариантах исполнения. Термисторы AVX могут быть установлены как посредством поверхностного монтажа, так и при помощи проводных соединений или специальных панелей.
В таблице 9 приведены решения в области термисторов от компании AVX.
Таблица 9. Термисторы компании AVX