Monitorovací obvody pro ovládání vozidel a jejich vzájemné propojení

Na rozdíl od jediné součásti, kterou může být např. palivová nádrž, se v případě elektromobilů (EV), jejich způsobu ukládání energie a související sady baterií jedná o stovky dílčích lithium-iontových článků (Li-Ion) zapojených v dlouhých řadách. Pokud nejsou využívány v rámci pečlivě řízeného provozního rozsahu, jejich kapacita nebo životnost se bude časem a za různých pracovních podmínek lišit a také zmenšovat. Systém BMS (battery management system) zde zodpovídá za dosažení maximální možné kapacity, včetně životnosti článků, přičemž nelze opomíjet ani otázku bezpečnosti a spolehlivosti. Jádro zmíněného systému pak tvoří monitorovací obvody, které u baterií provádí měření, takže lze pro každý článek stanovit i klíčové parametry umožňující vyhodnotit jejich stav - SOC (state of charge) a SOH (state of health).

Rodina monitorovacích obvodů ADBMS6815 od Analog Devices

V článku si představíme rodinu monitorovacích obvodů ADBMS6815 pro bateriové články - sady s vyšším napětím od společnosti Analog Devices, včetně klíčových vlastností, které je odlišují, takže lze u bateriových sad v automobilech počítat s maximální kapacitou, bezpečností, spolehlivostí a také životností.

Hlavní funkce a architektura

Jako přední dodavatel integrovaných obvodů (IO) a souvisejících řešení se v ADI u svých produktů pro řízení baterií zaměřují na několik stěžejních oblastí: měření jednotlivých článků (monitorování článků), měření celé sady (monitorování sady), komunikační prostředky pro vzájemné propojení součástek (pomocí drátů nebo i bez nich) a také software za účelem řízení zmíněných součástí. Smyslem takové elektroniky je umožnit všem článkům baterie bezpečné nabití s ohledem na nejvyšší možnou kapacitu, takže s celou sadou ukládáme i maximum energie a dosahujeme tím největšího dojezdu vozidla. Nejdůležitější součástkou zde bude zřejmě integrovaný obvod pro monitorování článků s vysokým celkovým napětím. Takové IO pak u prvků baterie zapojených do série měří napětí článku plus teplotu, kdy na jeden sledovací obvod obvykle připadá 12 článků. Klíčové parametry jsou napětí článku a teplota, mezi stěžejní charakteristiky pak zařadíme přesnost měření a synchronnost. Takové informace pak systému BMS dohromady umožní provozovat články napříč plným rozsahem, pokud jde o jejich bezpečnou oblast, aniž by se přitom namáhaly.

Konfigurace a variace

Rodina obvodů ADBMS6815 nabízí 12 kanálů (ADBMS6815), 8 kanálů (ADBMS6817) a 6 kanálů (ADBMS6816). Vzhledem k počtu sledovaných článků lze vytvořit konfigurace odpovídající potřebám bateriových sad. Součástky lze vzájemně kombinovat a vytvořit ideální počet kanálů pro monitorování článků. Vzhledem k tomu, že pracovní prostředí provází mimořádné elektrické rušení, nechybí zde ani nastavitelná filtrace typu dolní propusti pro omezení šumu zajišťující vysoce přesná měření. Obrázek ukazuje, že jde o robustní a elektricky oddělenou síť bez náchylnosti vůči EMI, která umožňuje obvody BMS od ADI provozovat, testovat a také synchronně řídit z mikrokontroléru BMS.

Synchronizace, bezdrátové BMS a bezpečnost

Řetězec je dovolené provozovat s jednou trasou pro každý obvod nebo duálně ve smyčce, kdy navíc zachováme přístup ke všem sledovaným datům v případě, že se přeruší vedení či selže konektor. Rodina obvodů ADBMS6815 také podporuje činnost v rámci bezdrátových BMS (wBMS), kde je drátový systém daisy-chain u sledovacích obvodů pro články nahrazen bezdrátovým uzlem BMS v pásmu 2,4 GHz. Bezpečnost BMS plní řadu funkcí, ovšem zajištění bezpečného provozu bateriové sady bude tou nejdůležitější. Rozpoznání a řešení případných selhání však u IO vyžaduje možnost vlastních „self-testů“ a také redundanci. Jedná se o duplicitní trasy měření, zlepšenou synchronizaci mezi vstupními signály, již zmiňované testy a spoustu dalšího. Obvody skupiny ADBMS6815 byly navrženy tak, aby podporovaly standard ISO 26262 ASIL-D. Tato úroveň bezpečnosti je klíčová pro automobilový průmysl. Pokud vývojáři vyhoví požadavkům ISO 26262, mohou se zabývat i dalšími standardy funkční bezpečnosti typu IEC 61508.

Monitorování článků s nízkou spotřebou a LPCM

Vedle zajištění stabilního, předvídatelného a spolehlivého zdroje energie k pohonu vozidla musí BMS zajistit, že v bezpečí budou vždy i samotné články. Aby šlo články v bateriové sadě nepřetržitě sledovat, a to i v zaparkovaném voze, vyvinuli v ADI systém LPCM (low power cell monitoring). Monitorovací obvody pak díky ní upozorní BMS, který se probouzí a spouští příslušné kontroly, budou-li detekovány jakékoli možné problémy. Systém BMS je rovněž varován v případě, kdy sledovací obvody selžou při poskytování kladného periodického potvrzování. Další video a detailní popis LPCM ukazuje další video [5].

Praktické vlastnosti a konfigurace

Obvody skupiny ADBMS6815 nabídnou ideální spojení funkcí odrážejících celou řadu požadavků doplňujících již zmiňovanou bezpečnost, spolehlivost a výkonnost. Součástky použijí stejné pouzdro i rozvržení vývodů, takže mohou vývojáři kombinovat různé počty kanálů (6, 8 či 12 článků baterie sledovaných každou součástkou) a vytvořit obecné řešení pro sady a moduly. Nechybí GPIO fungující jako číslicové vstupy/výstupy nebo analogové vstupy. V posledním případě pak měříme jakékoli napětí až do 5 V se stejnou přesností, jako je tomu u primárního sledování článku. Doplňková měření, jako teplota či proud, lze synchronizovat s měřeními jednotlivých článků. I/O piny mohou ovládat dílčí obvody s I2C či SPI a umožnit složitější funkce - přidat multiplexery pro rozšíření analogových vstupů či EEPROM k uložení informací o kalibraci. Systém tak může vyvažovat SOC mezi články až do vyrovnání rovnováhy a udržovat jednotný stav napříč sadou. Vyvažování lze provádět i při režimu spánku obvodu.

• ASIL-D podpora a bezpečnostní testy
• 12/8/6 kanálů podle varianty (ADBMS6815/6817/6816)
• Bezdrátový BMS a drátový daisy-chain
• Filtrace a EMI odolnost pro přesná měření
• Synchronizované měření napětí, teploty a proudu
• GPIO pro I2C/SPI, EEPROM pro kalibraci
• Možnost vyvažování článků až 300 mA na článek

Bezpečnost a praktické poznámky pro techniky

Obvody ADI výživají vysoké nároky na bezpečnost a správný provoz. Z důvodu rizik spojených s vysokým napětím a indukčními špičkami je nutná galvanická separace a robustní ochrana proti EMI. Při montáži a servisu je nutné důkladně dodržovat zásady elektroinstalace vozidel a traktůrů, včetně správného odpojování akumulátoru, kontrole kontaktů a použití vhodných izolací a koncových krytů. Články a konektory musí být očistěny a chráněny proti vlhkosti, palivu a oleji; netěsnosti se často řeší silikonovým tmelem nebo smrštitelnou bužírkou. Před rozpojováním se doporučuje označit spoje, připravit plán a ověřit, že svazky kabelů jsou chráněny proti poškození během oprav a mytí. Dále je důležité dbát na správné postupy při svařování a práci s kondenzátory - některé kondenzátory mohou po vypnutí zůstat nabité a vyžadují delší dobu vybití.

Principy zapojení elektrické instalace a komunikační architektury

Základní prvky jednoduchého elektrického obvodu zahrnují zdroj, spojovací vodiče, spínač, spotřebič a měřící přístroje. V2V, V2I, V2G a V2X komunikace představují hlavní směry propojení vozidel s ostatními vozidly, infrastrukturou, sítí a chytrým městským prostředím. Hlavní části zapojení podle systému Bosch ukazují orientaci ve schématu zapojení el. výzbroje traktoru, jištění a ochranu elektroinstalace proti zkratu.

Rovněž je nutné znát Lenzův zákon o samoindukci a jeho praktické důsledky, například při odpojování a práci s elektronickými systémy. Před rozpojováním je nutné zohlednit, že některé systémy, zvláště s kondenzátory, vyžadují delší dobu vybití. Při opravách a údržbě se vyplatí používání nářadí a měřidel vhodných pro automotive prostředí a provádět práci metodicky, aby nedošlo k poškození drahých elektronických komponent. Obr. 12 a další ilustrace ukazují konkrétní uspořádání - spínací skříňky, konektory a bezpečnostní prvky v el. instalaci.

V souhrnu, BMS v EV je klíčový pro maximalizaci kapacity a životnosti článků, pro zajištění bezpečnosti a spolehlivosti a pro koordinaci mezi jednotlivými články a modulemi systému. Rodina ADBMS6815 reprezentuje moderní řešení s vysokou přesností měření napětí a teploty článků, možnosti bezdrátového propojení a robustní architekturou pro průmyslové i automobilové aplikace.

Tabulka - přehled klíčových faktorů monitorování BMS

tags: #el #obvody #pro #ovladani #vozidla #a