Powody i sposób użycia układów scalonych do zarządzania bateriami w odniesieniu do ogniw piętrowych

Baterie akumulatorów są coraz częściej wykorzystywane do dostarczania wyższych napięć i większej mocy w zastosowaniach takich jak pojazdy elektryczne (EV) i hybrydowe (HEV), elektronarzędzia, sprzęt do pielęgnacji trawników i zasilacze awaryjne. Chociaż dobrze wiadomo, że zapewnienie skutecznej, niezawodnej i bezpiecznej pracy wszystkich technologii chemicznych wymaga starannego monitorowania i zarządzania. Połączone szeregowo stosy dziesiątek lub nawet setek ogniw, które są niezbędne do odpowiedniego zasilania wspomnianych urządzeń, wymagają większej uwagi od projektantów, zwłaszcza w miarę wzrostu liczby ogniw w jednej baterii.

Monitorowanie i opomiarowanie pojedynczego ogniwa lub małego pakietu baterii zawierających tylko kilka ogniw nie stanowi wielkiego wyzwania i jest znacznie prostsze niż monitorowanie i opomiarowanie ogniw w szeregu wieloogniwowym. Projektanci rozwiązań wieloogniwowych o konstrukcji piętrowej muszą wziąć pod uwagę między innymi takie kwestie, jak wykonywanie pomiarów pomimo wysokiego napięcia sygnału wspólnego, obecność niebezpiecznych napięć, konsekwencje awarii pojedynczego ogniwa, multipleksowanie dużej liczby ogniw, niedopasowanie i równoważenie ogniw oraz różnice temperatur w stosie baterii. Wymagają one zaawansowanych układów scalonych do zarządzania bateriami (BMIC) i systemów zarządzania bateriami (BMS) do wykonywania pomiarów i sterowania parametrycznego, a także pewnej wiedzy inżynierskiej pozwalającej z nich prawidłowo korzystać.

W tym artykule omówiono podstawy i wyzwania związane z zarządzaniem bateriami, w szczególności bateriami wieloogniwowymi. Następnie wprowadzono i przedstawiono sposób użycia układów scalonych BMIC firm Analog Devices, Renesas Electronics Corp oraz Texas Instruments, które zostały opracowane specjalnie z myślą o specyficznych problemach związanych z zarządzaniem szeregowo połączonymi łańcuchami ogniw.

Łańcuchy szeregowe baterii oznaczają specyficzne wyzwania

Typowe monitorowanie baterii obejmuje pomiar przepływu prądu w obydwu kierunkach (pomiar ładunku), monitorowanie napięcia na zaciskach, ocenę pojemności, monitorowanie temperatury ogniw oraz zarządzanie cyklami ładowania/rozładowania w celu optymalizacji magazynowania energii i maksymalizacji liczby takich cykli w całym okresie eksploatacji baterii. Powszechnie stosowane układy scalone BMIC i systemy BMS zapewniają te funkcje dla małych pakietów baterii składających się tylko z jednego lub dwóch ogniw o napięciach rzędu kilku woltów. Układ scalony BMIC lub system BMS działa jako układ front-end do akwizycji danych, a jego dane są zgłaszane do kontrolera zarządzania ogniwami (CMC). W bardziej złożonych systemach kontroler CMC łączy się z funkcją wyższego rzędu zwaną kontrolerem zarządzania baterią (BMC).

Na potrzeby tego artykułu przez „ogniwo” będziemy rozumieć indywidualną jednostkę magazynującą energię, podczas gdy „baterią” będzie cały element zasilający, składający się z wielu ogniw połączonych szeregowo lub równolegle. Pojedyncze ogniwo wytwarza napięcie zaledwie kilku woltów, natomiast pakiet baterii może składać się z dziesiątek lub setek ogniw i wytwarzać napięcie rzędu dziesiątek woltów. Zespoły wielu takich pakietów dadzą jeszcze wyższe napięcia.

W celu efektywnego zarządzania należy wykonywać pomiary krytycznych parametrów ogniw, czyli napięcia na zaciskach, prądu ładowania i rozładowania oraz temperatury. Precyzja pomiaru wymagana w przypadku nowoczesnych baterii jest dość wysoka: każde ogniwo musi być mierzone z dokładnością do kilku miliwoltów (mV) i miliamperów (mA) oraz do około jednego stopnia Celsjusza (°C). Powody takiego rygorystycznego monitorowania ogniw:

• Określanie stanu naładowania pakietu baterii (SOC) i jego stanu technicznego (SOH) w celu zapewnienia dokładnych prognoz pozostałej pojemności (czasu pracy) i ogólnego oczekiwanego czasu eksploatacji.
• Dostarczenie danych potrzebnych do równoważenia ogniw, które wyrównuje napięcie ładowanych ogniw względem siebie, pomimo wewnętrznych różnic, a także różnych lokalizacji, temperatur i tempa starzenia. Niewykonanie równoważenia ogniw skutkuje w najlepszym wypadku zmniejszeniem wydajności baterii, a w najgorszym - jej uszkodzeniem. Równoważenie można realizować za pomocą technik pasywnych lub aktywnych. Te drugie dają nieco lepsze rezultaty, ale są bardziej kosztowne i złożone.
• Zapobieganie wielu stanom, które mogą uszkodzić baterię i wywołać obawy dotyczące bezpieczeństwa użytkownika (oraz pojazdu i pasażerów). Przykładowe stany niepożądane:
• Nadmierne napięcie lub ładowanie przy nadmiernych prądach, które mogą prowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury.
• Zbyt niskie napięcie: jedno nadmierne rozładowanie nie spowoduje katastrofalnej w skutkach awarii, ale może zainicjować proces rozpuszczania przewodnika anodowego. Kolejne powtarzające się cykle nadmiernego rozładowania mogą prowadzić do osadzania się litu w ogniwie ładującym, jak również potencjalnego niekontrolowanego wzrostu temperatury.
• Nadmierna temperatura wpływa na materiał elektrolitu ogniwa, zmniejszając stan naładowania (SOC). Może to również zwiększyć tworzenie się warstwy międzyfazowej elektrolitu stałego (SEI), powodując zwiększoną i niejednorodną rezystywność i straty mocy.
• Zbyt niska temperatura również jest problemem, ponieważ może powodować osadzanie się litu, co także powoduje utratę pojemności.
• Nadmierny prąd i wynikające z niego wewnętrzne nagrzewanie z powodu nierównomierności impedancji wewnętrznej, a w efekcie niekontrolowany wzrost temperatury, może zwiększać tworzenie się warstw międzyfazowych elektrolitu stałego (SEI) w baterii i zwiększać rezystywność.

Mamy tu do czynienia z pewną łamigłówką, ponieważ na przykład dość łatwo jest dokładnie zmierzyć napięcie pojedynczego ogniwa na stanowisku testowym lub w innej nieskomplikowanej konfiguracji. Projektant musi jedynie podłączyć galwanicznie izolowany (nieuziemiony) lub zasilany bateryjnie woltomierz cyfrowy (DVM) do danego ogniwa (ilustracja 1).

Ilustracja 1: pomiar napięcia na dowolnym pojedynczym ogniwie łańcucha szeregowego jest prosty i wymaga jedynie izolowanego galwanicznie woltomierza cyfrowego. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Jednak taka sama czynność z zachowaniem pewności pomiaru i bezpieczeństwa jest z wielu powodów o wiele bardziej skomplikowana w trudnych warunkach elektrycznych i środowiskowych, np. w pojazdach elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV). Widać to wyraźnie na przykładzie reprezentatywnego pakietu zasilającego pojazdu elektrycznego (EV) składającego się z 6720 ogniw Li+, którymi zarządza osiem modułów sterujących (ilustracja 2).

Ilustracja 2: rzeczywisty pakiet baterii to układ ogniw połączonych szeregowo i równolegle w moduły, o znacznej ilości zmagazynowanej energii. Czynniki te znacznie komplikują zadanie pomiaru napięć ogniw. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Każde ogniwo ma pojemność 3,54Ah, co daje całkowitą pojemność znamionową 100kWh (3,54Ah x 4,2V x 6720 ogniw). Każdy z 96 połączonych szeregowo rzędów składa się z 70 połączonych równolegle ogniw, dając napięcie baterii 403,2V (96 rzędów × 4,2V) i pojemność 248Ah (100kWh/403,2V lub 3,54Ah × 70 kolumn).

Niektóre z problemów:

• Wyzwaniem jest zapewnienie wymaganej rozdzielczości i dokładności podczas pomiaru niskich napięć o wartości kilku woltów w celu uzyskania wysokiej precyzji rzędu miliwoltów ze względu na obecność wysokiego napięcia sygnału wspólnego (CMV), które może przeciążać układ pomiarowy lub wpływać na poprawność odczytu. Napięcie CMV jest sumą napięć wszystkich ogniw połączonych szeregowo, aż do ogniwa mierzonego względem wspólnego punktu układu (określanego również jako „uziemienie”, chociaż jest to mylące). Należy pamiętać, że w pojazdach elektrycznych bateria może mieć 96, a nawet 128 ogniw połączonych szeregowo, co daje CMV rzędu setek woltów.
• Ze względu na wysokie napięcie sygnału wspólnego (CMV) konieczne jest galwaniczne odizolowanie ogniw od reszty układu zarówno w celu zapewnienia integralności elektrycznej, jak i bezpieczeństwa użytkownika/układu, ponieważ ani użytkownik, ani układ nie powinien być narażony na działanie pełnego napięcia CMV.
• Odczyt w zakresie miliwoltów mogą z łatwością zakłócać szumy elektryczne i udary.
• Aby uzyskać dokładny ogólny obraz statusu ogniw i pakietu baterii, konieczny jest niemal jednoczesny - w ciągu kilku milisekund - pomiar wielu ogniw. W przeciwnym razie przesunięcie czasowe między pomiarami ogniw może skutkować błędnymi wnioskami i wynikającymi z nich działaniami.
• Duża liczba ogniw oznacza, że potrzebny jest pewien rodzaj multipleksowania między ogniwem a resztą podsystemu akwizycji danych, w przeciwnym razie rozmiar, waga i koszt okablowania łączącego stają się zaporowe.

Wreszcie, istnieją istotne wymagania związane z bezpieczeństwem, redundancją i raportowaniem błędów, które trzeba wziąć pod uwagę i spełnić. Normy różnią się w zależności od branży. Narzędzia przemysłowe i elektryczne bardzo różnią się od samochodów, a normy dla tych drugich są najbardziej rygorystyczne. W systemach samochodowych o znaczeniu krytycznym, takich jak te związane z zarządzaniem baterią, utrata funkcjonalności nie może prowadzić do niebezpiecznych sytuacji. W przypadku awarii systemu stan „bezpieczny” wymaga wyłączenia elektroniki, a kierowca pojazdu musi być ostrzeżony za pomocą lampki na desce rozdzielczej lub innego wskaźnika.

Jednak w przypadku niektórych systemów awaria lub utrata funkcjonalności mogą potencjalnie prowadzić do niebezpiecznego zdarzenia, podczas którego systemu nie można po prostu wyłączyć, dlatego jednym z celów bezpieczeństwa może być zdefiniowanie wymogu „dostępności zapewniającej bezpieczeństwo”. W takich przypadkach może być wymagane zastosowanie tolerancji dla niektórych rodzajów błędów w systemie, aby uniknąć niebezpiecznych zdarzeń.

Taka dostępność zapewniająca bezpieczeństwo wymaga zapewnienia podstawowej funkcjonalności lub zdefiniowanej drogi „wyjścia” przez określony czas - pomimo zdefiniowanych warunków awarii - a system bezpieczeństwa musi tolerować awarię przez ten czas. Ta tolerancja awarii umożliwia dłuższe działanie systemu przy akceptowalnym poziomie bezpieczeństwa. Kluczowe sekcje normy ISO 26262 „Bezpieczeństwo funkcjonalne pojazdów drogowych” zawierają wskazówki dla deweloperów systemów, które dotyczą wymagań dostępności zapewniającej bezpieczeństwo.

Układy scalone jako rozwiązanie problemów

Dostawcy opracowali układy scalone systemów monitorowania baterii (BMS), które zostały zaprojektowane w celu rozwiązania problemu dokładnego odczytu pojedynczego ogniwa w łańcuchu ogniw - pomimo wysokiego napięcia sygnału wspólnego (CMV) i trudnych warunków elektrycznych. Wspomniane układy scalone zapewniają nie tylko podstawowe odczyty, ale także rozwiązują problemy techniczne związane z multipleksowaniem, izolacją i przesunięciem czasowym. Spełniają one odpowiednie normy bezpieczeństwa, a w stosownych przypadkach posiadają aprobatę ASIL-D do zastosowań motoryzacyjnych, która wymaga spełnienia najwyższych i najbardziej rygorystycznych wymagań.

Poziom nienaruszalności bezpieczeństwa w motoryzacji (ASIL) to schemat klasyfikacji ryzyka określony przez normę ISO 26262 - "Bezpieczeństwo funkcjonalne pojazdów drogowych". Stanowi on adaptację poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) używanego w normie IEC 61508 do wymogów przemysłu motoryzacyjnego.

Chociaż ogólne funkcje omawianych systemów BMS są podobne, różnią się one do pewnego stopnia architekturą, liczbą obsługiwanych ogniw, szybkością skanowania, rozdzielczością, unikalnymi funkcjami i sposobem podłączania:

• Izolowana architektura CAN opiera się na konfiguracji gwiazdowej i jest wytrzymała, ponieważ przerwa w przewodzie komunikacyjnym w izolowanej architekturze CAN zakłóca pracę tylko jednego układu scalonego, podczas gdy reszta pakietu baterii pozostaje bezpieczna. Jednak architektura CAN wymaga mikroprocesora i magistrali CAN dla każdego układu scalonego, co czyni to podejście bardziej kosztownym, dając w zamian stosunkowo niską prędkość komunikacji.

• Architektura łańcuchowa jest ogólnie bardziej opłacalna, ponieważ stosowany w niej uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART) oparty na połączeniu łańcuchowym jest w stanie zapewnić niezawodną i szybką komunikację bez złożoności magistrali CAN. Najczęściej wykorzystywana jest izolacja pojemnościowa, ale możliwa jest również izolacja transformatorowa. Ze względu na to, że przerwanie przewodu w architekturze łańcuchowej może zakłócić komunikację, niektóre systemy tego typu oferują „obejścia” i obsługują niektóre operacje podczas przerwy w przewodzie.

Reprezentatywne przykłady układów scalonych BMS:

• System BMS MAX17843 firmy Analog Devices: MAX17843 to programowany, 12-kanałowy interfejs akwizycji danych do monitorowania stanu baterii z rozbudowanymi funkcjami bezpieczeństwa (ilustracja 3). Jest on zoptymalizowany pod kątem pracy z bateriami do instalacji samochodowych, pakietami baterii pojazdów hybrydowych (HEV), pojazdami elektrycznymi (EV) i dowolnymi systemami, w których znajdziemy stosy długich połączonych ze sobą szeregowo łańcuchów pomocniczych baterii metalowych o napięciu do 48V.

Ilustracja 3: 12-kanałowy interfejs do akwizycji danych i monitorowania stanu baterii MAX17843 zawiera wiele funkcji bezpieczeństwa, dzięki czemu nadaje się do zastosowań i zadań motoryzacyjnych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Interfejs MAX17843 zawiera szybką różnicową magistralę UART zapewniającą niezawodną komunikację szeregową w układzie łańcuchowym i obsługuje maksymalnie 32 układy scalone połączone w jeden łańcuch (ilustracja 4). Uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART) wykorzystuje izolację pojemnościową, która nie tylko zmniejsza koszt wykazu materiałów (BOM), ale także poprawia współczynnik awaryjności (FIT).

Ilustracja 4: 12-kanałowy interfejs MAX17843 wykorzystujący pojemnościową izolację galwaniczną w konfiguracji łańcuchowej UART, obsługujący maksymalnie 32 urządzenia w jednym łańcuchu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Analogowy układ front-end łączy 12-kanałowy system akwizycji danych do pomiaru napięcia z wejściem zespołu przełączników wysokiego napięcia. Wszystkie pomiary są wykonywane różnicowo na poszczególnych ogniwach. Pełnoskalowy zakres pomiarowy wynosi od 0 do 5,0V, natomiast użyteczny - od 0,2 do 4,8V. Szybki przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) z aproksymacją sukcesywną (SAR) służy do digitalizacji napięć ogniw z 14-bitową rozdzielczością z nadpróbkowaniem. Pomiar wszystkich dwunastu ogniw jest możliwy w czasie krótszym niż 142μs.

Interfejs MAX17843 do zbierania pomiarów ogniw i korygowania ich pod kątem błędów wykorzystuje strategię dwukrotnego skanowania, co zapewnia doskonałą dokładność w przedziale temperatur roboczych. Dokładność pomiaru różnicowego ogniwa jest określona na poziomie ±2mV przy 25°C i 3,6V. Aby ułatwić projektowanie z wykorzystaniem omawianego układu scalonego, firma Analog Devices oferuje zestaw ewaluacyjny MAX17843EVKIT# z graficznym interfejsem użytkownika (GUI) opartym na komputerze PC do konfiguracji i oceny.

• Układ scalony BMS ISL78714ANZ-T firmy Renesas: układ scalony BMS ISL78714 do baterii litowo-jonowych nadzoruje maksymalnie 14 ogniw połączonych szeregowo i umożliwia dokładne monitorowanie ich napięcia i temperatury, ich równoważenie oraz rozbudowaną diagnostykę systemu. W typowej konfiguracji główny układ ISL78714 komunikuje się z mikrokontrolerem hosta przez port szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI) i maksymalnie 29 dodatkowymi urządzeniami ISL78714 połączonymi ze sobą wytrzymałym, zastrzeżonym dwuprzewodowym połączeniem łańcuchowym (ilustracja 5). Opisywany system komunikacji jest bardzo elastyczny i może wykorzystywać izolację kondensatorową, izolację transformatorową lub ich kombinację przy prędkościach dochodzących do 1Mbit/s.

Ilustracja 5: układ scalony ISL78714 wykorzystuje port SPI do łączenia wielu urządzeń w dwuprzewodowy łańcuch, który może wykorzystywać izolację pojemnościową lub transformatorową. (Źródło ilustracji: Renesas Electronics Corp.)

Początkowa dokładność pomiaru napięcia wynosi ±2mV z 14-bitową rozdzielczością w zakresie od 1,65 do 4,28V od 20°C do 85°C. Dokładność urządzenia do montażu zatablicowego wynosi ±2,5mV w zakresie wejściowym ogniwa wynoszącym ±5,0V (często potrzebny jest ujemny zakres napięcia dla szyn zbiorczych).

Omawiany system monitorowania baterii (BMS) posiada trzy tryby równoważenia ogniw: tryb ręczny, tryb czasowy i tryb automatyczny. Tryb automatycznego równoważenia kończy równoważenie po odpłynięciu określonego przez hosta ładunku z poszczególnych ogniw. W ramach zintegrowanej diagnostyki systemu dla wszystkich kluczowych funkcji działa nadzorujące urządzenie wyłączające w razie utraty komunikacji.

• Układ scalony BQ76PL455APFCR (oraz BQ79616PAPRQ1) firmy Texas Instruments: układ scalony bq76PL455A stanowi zintegrowane urządzenie do monitorowania i zabezpieczania 16-ogniwowych baterii, zaprojektowane z myślą o niezawodnych zastosowaniach przemysłowych wysokiego napięcia. Zintegrowany szybki, różnicowy interfejs z izolacją kondensatorową obsługuje maksymalnie szesnaście urządzeń bq76PL455A, komunikujących się z hostem przez pojedynczy szybki interfejs UART za pomocą połączenia łańcuchowego z wykorzystaniem skrętki dwużyłowej z szybkością do 1Mbit/s (ilustracja 6).

Ilustracja 6: układ scalony bq76PL455A do zarządzania 16-ogniwowymi bateriami jest przeznaczony do zastosowań przemysłowych. Wykorzystuje izolację pojemnościową do łączenia maksymalnie 16 urządzeń za pomocą skrętki dwużyłowej, zapewniając prędkość do 1Mbit/s za pośrednictwem układu łańcuchowego. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

14-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) wykorzystuje wewnętrzne odniesienie, a sygnały ze wszystkich jego wyjść ogniwowych są konwertowane w ciągu 2,4ms. Układ bq76PL455A monitoruje i wykrywa kilka różnych stanów usterek, w tym nadmierne napięcie, zbyt niskie napięcie, nadmierną temperaturę i usterki komunikacji. Posiada on funkcję pasywnego równoważenia ogniw za pomocą zewnętrznych tranzystorów n-FET, a także równoważenia aktywnego za pomocą zewnętrznych sterowników bramek macierzy przełączającej.

Omawiany system BMS z łatwością obsługuje łańcuchy zawierające maksymalnie 16 ogniw. Jedynym jego ograniczeniem jest to, że wejścia muszą być używane w kolejności rosnącej, a wszystkie nieużywane wejścia muszą być podłączone razem do najwyższego używanego wejścia VSENSE_. Na przykład w projekcie 13-ogniwowym wejścia VSENSE14, VSENSE15 i VSENSE16 nie są używane (ilustracja 7).

Ilustracja 7: układ scalony bq76PL455A może być używany z mniej niż 16 ogniwami. W takich przypadkach nieużywane wejścia ogniwowe muszą być najwyższymi w łańcuchu. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Inne układy scalone, takie jak bq79616PAPRQ1 firmy Texas Instruments, obsługują konfigurację pierścieniową i dwukierunkową komunikację, umożliwiając systemowi dalsze monitorowanie stanu technicznego i bezpieczeństwa pakietu baterii (ilustracja 8).

Ilustracja 8: układ scalony bq79616PAPRQ1 obsługuje dwukierunkową topologię pierścieniową, zapewniającą dodatkową ścieżkę łączności w przypadku przerwania przewodu lub awarii węzła. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

W przypadku awarii, przerwy lub zwarcia między dwoma układami ASIC monitorującymi baterię w tej konfiguracji, procesor sterujący będzie mógł kontynuować komunikację ze wszystkimi układami ASIC monitorującymi baterię, przełączając kierunek przesyłania komunikatów do tyłu i do przodu. Tak więc, jeśli w czasie normalnej komunikacji dojdzie do awarii, system może utrzymać dostępność, wykorzystując tolerancję funkcji komunikacji pierścieniowej na usterki, bez utraty informacji o napięciu i temperaturze z modułów bateryjnych. Dla projektantów, którzy chcą eksperymentować z układem bq79616PAPRQ1 firma Texas Instruments przewidziała płytkę ewaluacyjną BQ79616EVM.

• Układ scalony LTC6813-1 firmy Analog Devices, Inc.: LTC6813-1 to wieloogniwowy monitor baterii do zastosowań motoryzacyjnych, który dokonuje pomiarów maksymalnie 18 połączonych szeregowo ogniw, z całkowitym błędem pomiaru mniejszym niż 2,2mV przy użyciu 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) delta-sigma z programowalnym filtrem zakłóceń (ilustracja 9). Należy zauważyć, że jest to większa liczba ogniw niż mogą obsługiwać niektóre inne układy scalone. Pomiaru wszystkich 18 ogniw można dokonać w czasie poniżej 290μs, a w celu uzyskania większej redukcji zakłóceń można skorzystać z niższych szybkości akwizycji danych.

Ilustracja 9: układ LTC6813-1 obsługuje największą liczbę ogniw (18) i wykorzystuje 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), pozwala osiągnąć dokładność 2,2mV i szybkie skanowanie ogniw. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Istnieje możliwość szeregowego połączenia urządzeń LTC6813-1, co pozwala na jednoczesne monitorowanie ogniw w długich, wysokonapięciowych łańcuchach bateryjnych. Układ scalony LTC6813-1 obsługuje dwa typy portów szeregowych: standardowy czteroprzewodowy interfejs SPI oraz 2-przewodowy izolowany interfejs (isoSPI). Nieizolowany port czteroprzewodowy jest odpowiedni dla połączeń na krótsze odległości i niektórych zastosowań innych niż motoryzacyjne (ilustracja 10).

Ilustracja 10: układ scalony LTC6813-1 obsługuje standardowe czteroprzewodowe połączenie SPI dla połączeń na krótsze odległości i niektórych zastosowań innych niż motoryzacyjne. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Izolowany port komunikacji szeregowej 1Mbit/s wykorzystuje skrętkę dwużyłową dla odległości do 100m, zapewniając niską podatność na zakłócenia elektromagnetyczne i niski poziom ich emisji, ponieważ interfejs jest zaprojektowany z myślą o niskim współczynniku błędów pakietów, nawet gdy okablowanie jest poddane działaniu silnych pól o częstotliwościach radiowych (RF). Dwukierunkowość tego połączenia łańcuchowego zapewnia integralność komunikacji nawet w przypadku awarii, takiej jak przerwany przewód na ścieżce komunikacyjnej.

W trybie konfiguracji dwuprzewodowej izolację uzyskuje się za pomocą zewnętrznego transformatora, ze standardowymi sygnałami SPI zakodowanymi jako impulsy różnicowe. Siła impulsu transmisyjnego i poziom progowy odbiornika są ustalane przez dwa rezystory zewnętrzne, R_B1 i R_B2 (ilustracja 11). Wartości rezystorów są dobierane przez projektanta, aby umożliwić określenie kompromisu między stratami mocy a odpornością na zakłócenia.

Ilustracja 11: układ scalony LTC6813-1 oferuje również 2-przewodowy, izolowany transformatorowo port komunikacji szeregowej o prędkości 1Mbit/s z wykorzystaniem skrętki dwużyłowej do odległości do 100m, z niską podatnością na zakłócenia elektromagnetyczne i emisje. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Układ LTC6813-1 może być zasilany bezpośrednio z monitorowanego stosu baterii lub z oddzielnego źródła izolowanego. Posiada również funkcję pasywnego równoważenia wszystkich ogniw oraz indywidualnej kontroli cyklu pracy za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM).

Podsumowanie

Dokładny pomiar napięcia, prądu i temperatury pojedynczego ogniwa lub małego pakietu baterii z zaledwie kilkoma ogniwami nie stanowi dużego wyzwania technicznego. Jednak dokładny pomiar tych samych parametrów na poszczególnych ogniwach w szeregowym łańcuchu ogniw - dodatkowo w trudnych warunkach motoryzacyjnych i przemysłowych przy znikomym przesunięciu czasowym między ogniwami - jest wyzwaniem ze względu na dużą liczbę ogniw, wysokie napięcie sygnału wspólnego (CMV), zakłócenia elektryczne, normy regulacyjne i inne kwestie.

Projektanci mogą sięgnąć po układy scalone zaprojektowane specjalnie do tych zastosowań. W celu rozwiązania wspomnianych problemów stosuje się izolację galwaniczną, precyzję i krótki czas skanowania. W rezultacie uzyskuje się dokładne, przydatne wyniki, które umożliwiają podejmowanie krytycznych decyzji dotyczących zarządzania bateriami na wysokim poziomie.