Perché e come usare i CI di gestione batteria per le celle impilate

Le batterie ricaricabili sono utilizzate sempre più frequentemente per fornire tensioni più elevate e maggiore potenza in applicazioni come veicoli elettrici (EV) e veicoli ibridi-elettrici (HEV), utensili elettrici, attrezzature da giardino e gruppi di continuità. Se è risaputo che per garantire un funzionamento efficace, affidabile e sicuro le varie tipologie di batterie richiedono un monitoraggio attento e una gestione precisa, le batterie collegate in serie con molte decine di celle - necessarie per soddisfare i requisiti di potenza dei dispositivi - richiedono maggiore attenzione, in particolare quando il numero di celle per batteria aumenta.

Il monitoraggio e la misurazione di una singola cella o di una piccola batteria con poche celle non è un grosso problema ed è molto più semplice che per le serie multicella. I progettisti di soluzioni impilate multicella devono considerare, tra i vari problemi, l'esecuzione delle misurazioni nonostante l'alta tensione di modo comune, la presenza di tensioni pericolose, le implicazioni del guasto di una singola cella, il multiplexing in un gran numero di celle, l'accoppiamento errato e il bilanciamento delle celle e i differenziali di temperatura tra batteria e pile. Questi richiedono CI avanzati di gestione batteria (BMIC) e sistemi di gestione batteria (BMS) per eseguire la misurazione e il controllo parametrico, ma anche un certo know-how ingegneristico per poterli utilizzare correttamente.

Questo articolo discute le basi e le sfide della gestione delle batterie in generale, e delle batterie multicella in particolare. Quindi presenta e mostra come applicare i BMIC di Analog Devices, Renesas Electronics Corp. e Texas Instruments, specificamente progettati per i problemi della gestione di stringhe di celle collegate in serie.

Le stringhe di batterie in serie pongono sfide uniche

Tipicamente, il monitoraggio della batteria comporta la misurazione del flusso di corrente in entrata e in uscita (indicazione di carica), il monitoraggio della tensione del terminale, la valutazione della capacità della batteria, il monitoraggio delle temperature delle celle e la gestione dei cicli di carica/scarica per ottimizzare l'immagazzinaggio dell'energia e massimizzare il numero di cicli durante la vita utile della batteria. I BMIC o BMS sono ampiamente utilizzati e forniscono queste funzioni per piccole batterie composte da una o due sole celle con livelli di tensioni a una cifra. Il BMIC o BMS funge da front-end di acquisizione dati, riportando i dati a un controller di gestione della cella (CMC); in sistemi più complessi, il CMC si collega a una funzione di ordine superiore chiamata controller di gestione batteria (BMC).

Ai fini di questo articolo, una "cella" è una singola unità di immagazzinaggio dell'energia, mentre una "batteria" è l'intero gruppo di alimentazione, che comprende più celle in una combinazione in serie/parallelo. Mentre una cella individuale produce solo pochi volt, una batteria può essere costituita da decine o più celle e fornire molte decine di volt; le combinazioni di batterie ancora di più.

Per una gestione efficace, i parametri critici della cella da misurare sono la tensione terminale, la corrente di carica/scarica e la temperatura. Le prestazioni di misurazione necessarie per le moderne batterie sono abbastanza elevate: ogni cella deve essere misurata entro pochi millivolt (mV) e milliampere (mA) ed entro circa un grado Celsius (°C). Le ragioni per un monitoraggio così rigido includono:

• Determinazione dello stato di carica (SOC) e dello stato di salute (SOH) della batteria per fornire previsioni accurate sulla sua capacità residua (tempo di funzionamento) e sulla durata complessiva.
• Fornitura dei dati necessari per implementare il bilanciamento delle celle, che equipara la tensione delle celle cariche l'una rispetto all'altra, nonostante le loro differenze interne, così come le diverse posizioni, temperature e invecchiamento. La mancata esecuzione del bilanciamento delle celle comporta - nel migliore dei casi - il degrado delle prestazioni della batteria e - nel peggiore dei casi - la rottura delle celle. Il bilanciamento può essere realizzato con tecniche passive o attive; queste ultime forniscono risultati migliori ma sono più costose e complesse.
• Prevenzione di molte condizioni che possono danneggiare la batteria e portare a problemi di sicurezza per l'utente (es. veicolo e i suoi occupanti). Tra questi scenari alcuni sono indesiderati, ad esempio:
• Sovratensione o carica a correnti eccessive, che possono portare a fuga termica.
• Sottotensione: una singola sovrascarica non causerà un guasto catastrofico, ma potrebbe iniziare a dissolvere il conduttore anodico. I successivi e ripetuti cicli di sovrascarica possono portare alla placcatura del litio nella cella di ricarica e, ancora una volta, a una potenziale fuga termica.
• La sovratemperatura colpisce il materiale dell'elettrolita della cella, riducendo il SOC; questo può anche aumentare la formazione dell'interfase solido-elettrolita (SEI), con conseguente aumento della resistività non uniforme e perdita di energia.
• Anche la sottotemperatura è un problema, in quanto può causare la deposizione del litio, che comporta anche una perdita di capacità.
• Sovracorrente, e conseguente riscaldamento interno dovuto all'impedenza interna irregolare ed eventuale fuga termica; questo può aumentare gli strati SEI nella batteria e di conseguenza la resistività.

E qui sta il dilemma, perché, ad esempio, è abbastanza semplice misurare con precisione la tensione di una cella individuale sul banco di prova o in altri ambienti benigni. Un progettista ha solo bisogno di collegare un voltmetro digitale (DVM) flottante (non a terra) o alimentato a batteria alla la cella di interesse (Figura 1).

Figura 1: Misurare la tensione attraverso ogni singola cella di una stringa in serie è concettualmente semplice, dato che richiede solo un voltmetro digitale flottante. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

Tuttavia, è molto più difficile farlo con fiducia e sicurezza in una situazione elettrica e ambientale difficile come in un EV o HEV e questo per molte ragioni. Ciò è evidente in un esempio rappresentativo di gruppo di alimentazione per EV che comprende 6720 celle Li+, gestite da otto moduli di controllo (Figura 2).

Figura 2: Una batteria è una serie di celle collegate in serie e in parallelo nei moduli, con una quantità significativa di energia immagazzinata; questi sono fattori che complicano notevolmente il compito di misurare le tensioni delle celle. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ogni cella ha una capacità di 3,54 Ah, risultando in un accumulo di energia nominale totale di 100 kWh (3,54 Ah x 4,2 V x 6720 celle). Ognuna delle 96 file collegate in serie è composta da 70 celle in parallelo, per una tensione della batteria di 403,2 V (96 file × 4,2 V), con una capacità di 248 Ah (100 kWh/403,2 V o 3,54 Ah × 70 colonne).

Tra le problematiche ci sono:

• È difficile fornire la risoluzione e l'accuratezza necessarie quando si misura una bassa tensione per ottenere una precisione significativa a diversi millivolt, per via della presenza di un'alta tensione di modo comune (CMV), che può sovraccaricare il sistema di misurazione o influenzare la validità della lettura. Questa CMV è la somma delle tensioni di tutte le celle collegate in serie, fino a quella misurata, rispetto al comune del sistema (chiamato anche "terra", nonostante sia un termine improprio). Si noti che un EV può contenere fino a 96 o anche 128 celle di batteria in serie, producendo una CMV nell'ordine di centinaia di volt.
• A causa dell'alta CMV, è necessario isolare galvanicamente le celle dal resto del sistema, sia per l'integrità elettrica sia per la sicurezza dell'utente/sistema, poiché nessuno dei due deve essere potenzialmente esposto all'intera CMV.
• Il rumore elettrico e le sovratensioni possono facilmente inficiare la lettura a livello di millivolt.
• Si devono misurare celle multiple quasi simultaneamente in pochi millisecondi per creare un quadro generale accurato delle celle e dello stato della batteria. Diversamente, lo skew temporale tra le misurazioni delle celle può portare a conclusioni e azioni conseguenti fuorvianti.
• Il gran numero di celle significa che è necessario una sorta di accordo di multiplexing tra le celle e il resto del sottosistema di acquisizione dati, altrimenti le dimensioni, il peso e il costo del cablaggio di interconnessione diventano proibitivi.

Infine, vanno fatte considerazioni importanti sulla sicurezza, la ridondanza e la segnalazione degli errori. Le norme differiscono da un settore all'altro; gli utensili industriali ed elettrici sono molto diversi dalle automobili, e le norme per queste ultime sono le più severe. Nei sistemi automotive mission-critical come quelli relativi alla gestione delle batterie, una perdita di funzionalità non deve portare a una situazione pericolosa. Nel caso di un malfunzionamento del sistema, lo stato "sicuro" richiede che l'elettronica sia spenta e che il conducente del veicolo sia avvisato tramite una spia o un indicatore di altro tipo sul cruscotto.

Per alcuni sistemi, tuttavia, un malfunzionamento o la perdita di funzionalità può potenzialmente portare a un evento pericoloso e non può essere semplicemente spento, quindi gli obiettivi di sicurezza possono includere un requisito definito di "disponibilità legata alla sicurezza". In questi casi, può essere richiesta la tolleranza per alcuni tipi di guasti nel sistema, per evitare eventi pericolosi.

Tale disponibilità legata alla sicurezza richiede funzionalità di base o un percorso di "uscita" definito per un periodo di tempo specificato, nonostante le condizioni di guasto definite; il sistema di sicurezza inoltre deve tollerare un guasto per tale periodo di tempo. Questa tolleranza ai guasti permette al sistema di continuare a funzionare più a lungo con un livello di sicurezza accettabile. Le sezioni chiave di ISO 26262 "Sicurezza funzionale per i veicoli stradali" forniscono una guida per gli sviluppatori di sistemi per quanto riguarda i requisiti di disponibilità relativi alla sicurezza.

I CI si fanno avanti per fornire soluzioni

I fornitori hanno sviluppato circuiti integrati BMS progettati per risolvere il problema della lettura precisa di una singola cella in una stringa in serie, nonostante l'alta CMV e l'ambiente elettrico difficile. Questi CI non solo forniscono le letture di base, ma affrontano anche i problemi tecnici di multiplexing, isolamento e skew di temporizzazione. Soddisfano gli standard di sicurezza pertinenti e, se del caso, sono classificati per l'approvazione ASIL-D per le applicazioni automotive, che è il livello più alto e più rigoroso.

L'ASIL (Automotive Safety Integrity Level) è uno schema di classificazione del rischio definito dalla norma ISO 26262 - Sicurezza funzionale dei veicoli stradali. È un adattamento del Safety Integrity Level (SIL) usato in IEC 61508 per il settore automotive.

Anche se le funzioni "a grandi linee" di questi dispositivi BMS sono simili, differiscono in una certa misura nell'architettura, nel numero di celle che possono gestire, nella velocità di scansione, nella risoluzione, nelle caratteristiche uniche e nell'approccio di interconnessione:

• L'architettura CAN isolata è basata su una configurazione a stella ed è robusta, poiché una rottura del filo di comunicazione nell'architettura CAN isolata interrompe solo un CI, mentre il resto della batteria rimane al sicuro. Tuttavia, l'architettura CAN richiede un microprocessore e CAN per ogni CI, quindi questo approccio è più costoso, oltre a fornire velocità di comunicazione relativamente basse.

• L'architettura di collegamento a margherita è generalmente più conveniente, poiché la catena a margherita basata su ricetrasmettitore asincrono universale (UART) può fornire una comunicazione affidabile e veloce senza la complessità del CAN. Il più delle volte utilizza l'isolamento capacitivo, ma può anche supportare l'isolamento basato su un trasformatore. Tuttavia, una rottura del filo nell'architettura di collegamento a margherita può interrompere la comunicazione, quindi alcuni di questi sistemi a margherita offrono soluzioni alternative che aggirano il problema e supportano alcune operazioni durante la rottura del filo.

Tra i circuiti integrati BMS rappresentativi si ricordano:

• MAX17843 BMS di Analog Devices: MAX17843 è un'interfaccia di acquisizione dati programmabile a 12 canali per il monitoraggio della batteria con varie funzioni di sicurezza (Figura 3). È ottimizzato per l'uso con batterie per sistemi automotive, batterie HEV, EV e qualsiasi sistema che impila lunghe stringhe in serie di batterie in metallo secondario fino a 48 V.

Figura 3: L'interfaccia di acquisizione dati a 12 canali per il monitoraggio della batteria MAX17843 incorpora molteplici caratteristiche di sicurezza, che lo rendono adatto per le applicazioni e le norme automotive. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

MAX17843 incorpora un bus UART differenziale ad alta velocità per una robusta comunicazione seriale a margherita, che supporta fino a 32 CI collegati a margherita (Figura 4). L'UART utilizza l'isolamento capacitivo che non solo riduce il costo della distinta base, ma migliora anche i tassi di guasto per unità di tempo (FIT).

Figura 4: MAX17843 a 12 canali utilizza l'isolamento galvanico capacitivo nella sua configurazione UART a margherita, supportando fino a 32 dispositivi in una singola catena. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il front-end analogico combina un sistema di acquisizione dati a 12 canali per la misurazione della tensione con un ingresso interruttore per alte tensioni. Tutte le misurazioni avvengono in modo differenziale in ogni cella. L'intervallo di misurazione a fondo scala va da 0 a 5,0 V, con un intervallo utilizzabile da 0,2 a 4,8 V. Un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta velocità con registro approssimazioni successive (SAR) digitalizza le tensioni delle celle con una risoluzione di 14 bit con sovracampionamento. Tutte le dodici cellule possono essere misurate in meno di 142 microsecondi.

MAX17843 utilizza un approccio a due scansioni per raccogliere le misurazioni della cella e correggerle alla luce degli errori, il che produce un'eccellente precisione nell'intervallo della temperatura di funzionamento. La precisione della misurazione differenziale della cella è specificata a ±2 mV a +25 °C e 3,6 V. Per facilitare la progettazione con questo CI, Analog Devices offre il kit di valutazione MAX17843EVKIT# con un'interfaccia grafica utente (GUI) basata su PC per l'impostazione, la configurazione e la valutazione.

• ISL78714ANZ-T di Renesas: il CI BMS ISL78714 Li-ion supervisiona fino a 14 celle collegate in serie e fornisce un monitoraggio accurato della tensione e della temperatura, il bilanciamento delle celle e un'ampia diagnostica del sistema. In una configurazione tipica, un master ISL78714 comunica con un microcontroller host attraverso una porta SPI (interfaccia periferica seriale) e fino a 29 dispositivi ISL78714 aggiuntivi collegati tra loro da una robusta e proprietaria catena a margherita a due fili (Figura 5). Questo sistema di comunicazione è altamente flessibile e può utilizzare l'isolamento del condensatore, l'isolamento del trasformatore o una combinazione dei due fino a 1 Mbps.

Figura 5: ISL78714 utilizza una porta SPI per collegare più dispositivi in una catena a margherita a due fili che può utilizzare l'isolamento capacitivo o basato su trasformatore. (Immagine per gentile concessione di Renesas Electronics Corp.)

L'accuratezza della misurazione della tensione iniziale è di ±2 mV con una risoluzione di 14 bit su un intervallo da 1,65 a 4,28 V da 20 °C a +85 °C; l'accuratezza del dispositivo dopo l'assemblaggio della scheda è ±2,5 mV su un intervallo di ingresso della cella di ±5,0 V (l'intervallo di tensione negativa è spesso necessario per le sbarre omnibus).

Questo BMS include tre modalità di bilanciamento delle celle: bilanciamento manuale, bilanciamento a tempo e bilanciamento automatico. La modalità di bilanciamento automatico termina il bilanciamento dopo che è stata rimossa da ogni cella una quantità di carica specificata dall'host. Tra la diagnostica di sistema integrata per tutte le funzioni chiave vi è un dispositivo di spegnimento watchdog nel caso venga meno la comunicazione.

• bq76PL455APFCR (e bq79616PAPRQ1) di Texas Instruments: bq76PL455A è un dispositivo integrato di monitoraggio e protezione della batteria a 16 celle progettato per applicazioni industriali ad alta affidabilità e alta tensione. L'interfaccia integrata ad alta velocità, differenziale e isolata da condensatore supporta fino a 16 dispositivi bq76PL455A, che comunicano con un host attraverso una singola interfaccia UART ad alta velocità tramite un collegamento a margherita con cablaggio a doppino intrecciato fino a 1 Mbps (Figura 6).

Figura 6: Il CI di gestione batteria a 16 celle bq76PL455A si rivolge ad applicazioni industriali, utilizzando l'isolamento capacitivo per collegare fino a 16 dispositivi con cablaggio a doppino intrecciato che comunicano fino a 1 Mbps tramite una disposizione a margherita. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'ADC a 14 bit utilizza un riferimento interno con tutte le uscite delle celle convertite in 2,4 ms. bq76PL455A monitora e rileva diverse condizioni di errore tra cui sovratensione, sottotensione, sovratemperatura e guasti di comunicazione. Supporta il bilanciamento passivo delle celle con nFET esterni, così come il bilanciamento attivo tramite gate driver esterni a matrice di switch.

Questo BMS gestisce facilmente le stringhe con meno del massimo di 16 celle. L'unica restrizione è che gli ingressi devono essere usati in ordine crescente, dove tutti gli ingressi inutilizzati sono collegati insieme con l'ingresso all'ingresso VSENSE_ più usato. Ad esempio, in un progetto a 13 celle, gli ingressi VSENSE14, VSENSE15 e VSENSE16 non sono usati (Figura 7).

Figura 7: bq76PL455A può essere usato con meno di 16 celle; in questi casi, gli ingressi delle celle non utilizzate devono essere i più alti della catena. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Altri CI, come bq79616PAPRQ1 di Texas Instruments, includono il supporto per la configurazione ad anello e la comunicazione bidirezionale, per permettere al sistema di continuare a monitorare lo stato di salute e la sicurezza della batteria (Figura 8).

Figura 8: bq79616PAPRQ1 supporta una topologia ad anello bidirezionale per un ulteriore percorso di connettività in caso di rottura del filo o guasto del nodo. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

In presenza di un guasto, un circuito aperto o un cortocircuito tra due degli ASIC di monitoraggio della batteria in questa configurazione, il processore di controllo sarà in grado di continuare a comunicare con tutti gli ASIC di monitoraggio della batteria commutando la direzione della messaggistica avanti e indietro. Così, se la comunicazione normale incontra un guasto, il sistema può mantenere la disponibilità usando la tolleranza ai guasti della funzione di comunicazione ad anello, e farlo senza perdita di informazioni di tensione e temperatura dai moduli a batteria. Per i progettisti che desiderano sperimentare con bq79616PAPRQ1, Texas Instruments fornisce la scheda di valutazione BQ79616EVM.

• LTC6813-1 di Analog Devices, Inc: LTC6813-1 è un monitor per pile di batterie multicella qualificato per il settore automotive che misura fino a 18 celle di batteria collegate in serie, con un errore di misurazione totale inferiore a 2,2 mV tramite un ADC delta-sigma a 16 bit con filtro di rumore programmabile (Figura 9). Da notare che questo è un numero di celle più alto di quello che possono supportare direttamente altri CI. Tutte le 18 celle possono essere misurate in meno di 290 μs e possono essere selezionate velocità di acquisizione dei dati più basse per una maggiore riduzione del rumore.

Figura 9: LTC6813-1 supporta il maggior numero di celle (18) e utilizza un ADC a 16 bit per ottenere una precisione di 2,2 mV e una scansione delle celle ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Più dispositivi LTC6813-1 possono essere collegati in serie, consentendo il monitoraggio simultaneo delle celle di lunghe stringhe di batteria ad alta tensione. LTC6813-1 supporta due tipi di porte seriali: una SPI standard a quattro fili e un'interfaccia isolata a 2 fili (isoSPI). La porta a quattro fili non isolata è adatta per collegamenti su breve distanza e alcune applicazioni non automotive (Figura 10).

Figura 10: LTC6813-1 supporta un'interconnessione SPI standard a quattro fili per collegamenti su breve distanza e alcune applicazioni non automotive. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La porta di comunicazione seriale isolata da 1 Mbps utilizza un singolo doppino intrecciato per distanze fino a 100 metri con bassa suscettività alle interferenze elettromagnetiche (EMI) ed emissioni, dato che l'interfaccia è progettata per bassi tassi di errore dei pacchetti anche quando il cablaggio è sottoposto a elevati campi RF. La capacità bidirezionale di questo collegamento a margherita assicura l'integrità della comunicazione anche in caso di guasto, come un filo rotto lungo il percorso di comunicazione.

Nella sua modalità di configurazione a due fili, l'isolamento avviene attraverso un trasformatore esterno, con segnali SPI standard codificati in impulsi differenziali. La forza dell'impulso di trasmissione e il livello di soglia del ricevitore sono impostati da due resistori esterni, R_B1 e R_B2 (Figura 11). I valori dei resistori sono scelti dal progettista in base a un compromesso tra dissipazione di potenza e immunità al rumore.

Figura 11: LTC6813-1 offre anche una porta di comunicazione seriale a 2 fili, 1 Mbps, isolata da trasformatore, tramite un singolo doppino intrecciato per distanze fino a 100 m, con bassa suscettività EMI ed emissioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1 può essere alimentato direttamente dalla pila di batterie che monitora o da un alimentatore isolato separato. Include anche il bilanciamento passivo per ogni cella, insieme al controllo individuale del ciclo di lavoro utilizzando la modulazione della larghezza di impulso (PWM).

Conclusione

La misurazione accurata della tensione, della corrente e della temperatura di una singola cella o di una piccola batteria con poche celle è un problema tecnico di modesta gravità. Tuttavia, misurare accuratamente questi stessi parametri sulle singole celle in una stringa di serie - e farlo in ambienti industriali e automotive difficili con uno skew temporale trascurabile da cella a cella - è una sfida a causa del gran numero di celle, dell'alta CMV, del rumore elettrico, dei mandati normativi e di altre questioni.

Come mostrato, i progettisti possono rivolgersi a CI progettati appositamente per queste applicazioni. Supportano l'isolamento galvanico, la precisione e il tempo di scansione richiesti per affrontare questi problemi. Di conseguenza, forniscono risultati accurati che consentono di prendere decisioni critiche e di alto livello sulla gestione delle batterie.