Przewodnik inżyniera po systemach zarządzania akumulatorami w pojazdach elektrycznych

fot. Mark Patrick, Director of Technical Content, EMEA, Mouser Electronics

Dla konsumentów kupujących pojazd elektryczny (EV) jedną z kluczowych kwestii jest jego zasięg na jednym ładowaniu. Możliwość wyczerpania się akumulatora w trakcie długiej podróży doprowadziła do powstania wyrażenia „niepokój o zasięg” (ang. range anxiety), które podkreśla obawy użytkowników. Zarządzanie stanem naładowania pojedynczego ogniwa jest stosunkowo proste. Rozważmy jednak złożoność zarządzania 7000 ogniw – tyle zawiera ich średnio zestaw akumulatorów w pojeździe elektrycznym.

W tym artykule nakreślono zapotrzebowanie na system zarządzania akumulatorami w pojeździe elektrycznym, opisano jego typową architekturę i przedstawiono podstawowe komponenty służące do wykrywania, monitorowania i zarządzania ogólnym stanem technicznym zestawu akumulatorów pojazdu elektrycznego.

Podstawowym źródłem energii w EV jest zestaw akumulatorów (Ilustracja 1). Jest on zwykle wpasowany od spodu pojazdu, pomiędzy przednią i tylną osią; zajmuje przestrzeń zazwyczaj zajmowaną w pojeździe spalinowym przez tunel układu przeniesienia napędu, układ wydechowy i zbiornik paliwa. Umieszczenie zestawu akumulatorów możliwie jak najniżej znacznie obniża środek ciężkości samochodu, będący istotnym czynnikiem wpływającym na jego właściwości jezdne.

Ilustracja 1. Zestaw akumulatorów pojazdu elektrycznego (źródło: Nissan)

Dla następnej generacji pojazdów elektrycznych konsorcjum producentów rozważa opracowanie wymiennego zestawu akumulatorów, pasującego do różnych platform pojazdów, który będzie można szybko wymontować i wymienić na zestaw w pełni naładowany. Jednakże postępy w pracach nad tym rozwiązaniem się spowolniły z uwagi na trudności logistyczne i techniczne.

Zestaw akumulatorów do EV składa się z szeregu modułów, z których każdy zawiera większą liczbę ogniw litowych – cylindrycznych lub kieszeniowych (ang. pouch). Ogniwa te są połączone szeregowo-równolegle, aby uzyskać napięcie wyjściowe 400 V lub 800 V. Obecny trend zmierza w stronę zestawów 800 V, głównie ze względu na możliwość szybszego ładowania tym samym prądem. Każde ogniwo działa pod napięciem od 2,5 V do 4,2 V (w zależności od składu chemicznego), a zachowanie każdego z nich wpływa na ogólną sprawność i wydajność zestawu akumulatorów. Dlatego też niezbędne jest monitorowanie i zarządzanie ogniwami za pomocą systemu zarządzania akumulatorami (BMS).

Ogniwa litowo-jonowe są dobrze znane ze swoich doskonałych charakterystyk rozładowania, dzięki którym pojazdy elektryczne mogą przyspieszać jak wyczynowy samochód sportowy. Jednakże w złej sytuacji te imponujące możliwości stwarzają znaczne ryzyko dla bezpieczeństwa. Wysokie napięcie wyjściowe pakietu również stanowi zagrożenie dla kierowcy, pasażerów i innych uczestników wypadku. Zgodność ze stosownymi przepisami w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego samochodów jest niezwykle istotna i stanowi kolejną pozycję na liście wymagań dotyczących systemu zarządzania akumulatorami. Ilustracja 2 przedstawia kluczowe parametry stanu akumulatora monitorowane i sterowane przez BMS.

Ilustracja 2. BMS monitoruje stan zestawu akumulatorów i steruje balansowaniem ogniw oraz funkcjami bezpieczeństwa awaryjnego (źródło: Uniwersytet Warwick, Ośrodek Napędów Zaawansowanych)

Do kluczowych wskaźników stosowanych w BMS zaliczają się:

• Szacowanie stanu naładowania (SOC – state of charge): SOC wskazuje energię pozostałą w pojeździe elektrycznym w danym momencie i jest zwykle wyrażany jako procent całkowitej pojemności. Jest to krytyczny parametr, ponieważ informuje kierowcę o poziomie naładowania akumulatora i umożliwia oszacowanie zasięgu pojazdu. Różne czujniki podłączone do BMS zapewniają niezbędne dane dla algorytmów oceniających stan naładowania w mikrokontrolerze BMS.

• Stan techniczny (SOH – state of health): SOH, również wyrażony w procentach, wskazuje ogólny stan techniczny i pojemność zestawu akumulatorów pojazdu elektrycznego względem jego pierwotnej pojemności w stanie nowym. Jest to miara zdolności zestawu akumulatorów do magazynowania i dostarczania energii w czasie, z uwzględnieniem starzenia się ogniwa wskutek powtarzających się cykli ładowania i rozładowywania oraz zmian chemicznych w ogniwie.

• Stan funkcjonalny (SOF – state of function): SOF uwzględnia SOH, lecz reprezentuje bardziej rzeczywisty wgląd w zdolność zestawu akumulatorów do dostarczania energii w różnych warunkach. Wskaźniki wpływające na SOF obejmują rezystancję wewnętrzną ogniw, zachowanie termiczne zestawu akumulatorów i napięcia ogniw. SOF pomaga określić optymalizację ogniw i zestawów oraz stwierdzić, czy wymagana jest konserwacja lub wymiana zestawu.

Ważną techniką optymalizacji zestawu akumulatorów jest balansowanie ogniw. Skład chemiczny ogniw jest przyczyną niewielkich różnic w ich działaniu i starzeniu się, powodujących różnice napięć wyjściowych i pojemności podczas rozładowania. Balansowanie ogniw polega na wyrównaniu ładunku we wszystkich ogniwach w celu optymalizacji ogólnej sprawności i przedłużenia okresu eksploatacyjnego akumulatora. Monitorowanie napięcia i prądu przez BMS ma na celu osiągnięcie jednolitego SOC i uniknięcie przeładowania lub niedoładowania poszczególnych ogniw.

Inne zadania BMS obejmują zarządzanie termiczne, zabezpieczenia nadprądowe oraz dodatkowe funkcje bezpieczeństwa funkcjonalnego (np. zgodne z ISO 26262) i integralności bezpieczeństwa (np. ASIL-D).

Kolejnym ważnym aspektem zestawu akumulatorów do EV jest zarządzanie termiczne. Coraz częściej monitorowanie temperatury ogniw obejmuje czujniki umieszczone w kilku miejscach baterii, a nie tylko na zewnętrznej obudowie lub w centralnym punkcie modułu ogniw. Lokalny gorący punkt może wskazywać na zbliżającą się awarię ogniwa, która może rozszerzyć się na sąsiednie ogniwa, powodując tzw. ucieczkę termiczną i w konsekwencji pożar. W niskich temperaturach wydajność akumulatora ulega pogorszeniu, więc BMS musi aktywnie regulować obciążenie, aby uniknąć trwałego uszkodzenia ogniw. Pojazdy elektryczne przeznaczone do pracy ciągłej w ekstremalnych warunkach mogą wymagać technik aktywnego chłodzenia i ogrzewania.

Jeśli ogniwo nie jest w stanie utrzymać ładunku lub wykazuje mniejszą sprawność, BMS może je odizolować, aby uniknąć dalszych uszkodzeń lub negatywnego wpływu na cały moduł akumulatora i sprawność pakietu.

Ilustracja 3 przedstawia ogólną architekturę typowego BMS do pojazdów elektrycznych. Wbudowane funkcje sprzętowe można ogólnie podzielić na cztery kategorie: czujniki, układy scalone i mikrokontrolery do zarządzania ogniwami, sieci pokładowe oraz bezpieczeństwo i izolacja. Z punktu widzenia oprogramowania algorytmy zarządzania akumulatorami oszacowują realistyczny stan naładowania.

Ilustracja 3. Architektura typowego systemu zarządzania akumulatorami stosowanego w pojeździe elektrycznym (źródło: Mouser Electronics)

Czujniki (monitorowanie napięcia i prądu): Stosowane metody monitorowania napięcia są różne, lecz podejście najbardziej efektywne z punktu widzenia list materiałowych wykorzystuje tylko jeden łańcuch sygnałowy czujnika ze wzmacniaczem operacyjnym i przetwornikiem analogowo-cyfrowym (A/C). Z każdego ogniwa i modułu doprowadzone są oddzielne przewody do pomiaru napięć, a obwód multipleksera przełącza wejścia z ogniw na łańcuch sygnałowy. Podobną technikę stosuje się przy pomiarze prądu, odczytując spadek napięcia zmierzony na rezystorze bocznikowym o bardzo małej wartości w module akumulatora. Podejście to, przedstawione na Ilustracji 3, umożliwia realizację wymaganego monitorowania bez zwiększania złożoności przez dodatkowe obwody w każdym ogniwie i module.

Czujniki (temperatura): Do monitorowania ogniw można stosować od prostych termistorów aż po czujniki temperatury z wyjściem cyfrowym. Termistory to tanie rozwiązanie, zajmujące minimalną przestrzeń w module akumulatorowym. Jak podkreślono powyżej, użycie bardziej wyrafinowanych technik monitorowania, z wykorzystaniem wielu czujników temperatury i pola magnetycznego umieszczonych wewnątrz każdego akumulatora, umożliwia bardziej szczegółowe zarządzanie ogniwami.

Układy scalone do zarządzania ogniwami i mikrokontrolery: Dla pojazdów elektrycznych dostępne są wysoce zintegrowane układy scalone do monitorowania i zarządzania ogniwami, zapewniające zoptymalizowaną pod względem kosztów i funkcjonalności alternatywę dla mikrokontrolerów ogólnego przeznaczenia. Większość z nich oferuje wszystkie niezbędne funkcje łańcucha sygnału analogowego do monitorowania napięcia, prądu i temperatury. Niektóre są również wyposażone w sterowniki MOSFET do balansowania ogniw, umożliwiające aktywne balansowanie ogniw podczas ładowania i rozładowywania. Inne wbudowane funkcje obejmują interfejsy Ethernet i CAN do łączności sieciowej z innymi systemami pojazdu. Algorytmy zarządzania akumulatorem zapewniają bardziej świadome i adaptacyjne podejście do optymalizacji wydajności zestawu akumulatorów w różnych warunkach obciążenia i SOH.

Izolacja i bezpieczeństwo: Funkcje bezpieczeństwa są różnorodne – od opcji „dowieź mnie do domu”, która zapewnia ograniczoną pojemność akumulatora dla napędu, aż po całkowitą izolację galwaniczną zestawu akumulatorów od wszystkich funkcji pojazdu elektrycznego. To zabezpieczenie opiera się na jednorazowych wyłącznikach pirotechnicznych, które za pomocą niewielkiego ładunku wybuchowego, tzw. detonatora, natychmiast przerywają połączenie z wyjściem akumulatora wysokiego napięcia. Detonator przerywa obwód znacznie szybciej niż przepalenie typowego bezpiecznika konwencjonalnego.

Jednym z przykładów układu scalonego do monitorowania i balansowania akumulatorów wieloogniwowych jest STMicroelectronics L9963E. Układ ten, zakwalifikowany do zastosowań motoryzacyjnych zgodnie ze standardem AEC-Q100, może monitorować napięcie i zliczać ładunek maksymalnie 14 ogniw połączonych szeregowo, z zerową desynchronizacją pomiędzy próbkami. Ilustracja 4 przedstawia podstawową architekturę funkcjonalną L9963E, która może monitorować do siedmiu termistorów NTC i komunikuje się z mikrokontrolerem hosta BMS za pomocą SPI lub interfejsu izolowanego optycznie.

Ilustracja 4. Funkcjonalny schemat blokowy układu scalonego do monitorowania i balansowania wieloogniwowych akumulatorów samochodowych STMicro L9963E (źródło: ST)

Można połączyć łańcuchowo do 31 układów L9963E, aby zapewnić monitorowanie 434 ogniw połączonych szeregowo. 16-bitowy przetwornik A/C ma maksymalny błąd +/-2 mV w pełnym zakresie pomiarowym od 0,5 V do 4,3 V. L9963E zapewnia również funkcję pasywnego równoważenia ogniw 200 mA przez rozładowanie po ścieżce wewnętrznej, lub wyższym prądem przez zewnętrzne tranzystory MOSFET.

Innym przykładem układu scalonego klasy samochodowej (AEC-Q100, ISO26262 i ASIL-D) do monitorowania i balansowania akumulatorów jest TLE9012DQU firmy Infineon Technologies (Ilustracja 5).

Ilustracja 5. Układ scalony Infineon TLE9012DQU zapewnia wielokanałowe monitorowanie i balansowanie akumulatora litowo-jonowego (źródło: Infineon Technologies)

TLE9012DQU może monitorować napięcie 12 połączonych szeregowo ogniw litowo-jonowych i zawiera dedykowany 16-bitowy przetwornik A/C sigma-delta dla każdego ogniwa. Układ zawiera pięć kanałów pomiaru temperatury do współpracy z zewnętrznymi termistorami NTC. Obsługuje też wewnętrznie pasywne balansowanie do 200 mA na ogniwo. Do celów prototypowania dostępny jest zestaw ewaluacyjny oparty na TLE9012DQU.

Seria Texas Instruments BQ769x  to również układy scalone do monitorowania akumulatorów samochodowych. Zaprojektowana do użytku z ogniwami litowo-jonowymi i litowo-fosforanowymi seria BQ769x obsługuje do 16 ogniw połączonych szeregowo. BQ769x zawiera kompletny front-end analogowy z 14-bitowym przetwornikiem A/C.

Systemy zarządzania akumulatorami pojazdów elektrycznych pełnią krytyczną funkcję: monitorują, kontrolują i optymalizują zestaw akumulatorów pojazdu, aby uzyskać jak najlepszy balans mocy i zasięgu, jednocześnie obsługując istotne funkcje bezpieczeństwa. Przydatną lekturą dodatkową na temat technik zarządzania akumulatorami może być ten dokument techniczny firmy Synopsys.