Elektroniken i ett (hybrid-)/elfordonbatteri är nyckeln till prestanda och säkerhet. Med nya IC kan konstruktörer av batteripaket höja Li-jonbatteriers prestanda. Mike Kultgen, konstruktionschef, signalbehandlingsprodukter, Linear Technology Corp. talar här om bättre mätnoggrannhet, mer robusta datalänkar och aktiv balansering av celler resulterar i lägre kostnad, längre driftcykler och snabbare laddning.

Det typiska blockschemat för ett batteripaket (fig 1) består av grupper av seriekopplade Li-jonceller som mäts och balanseras av integrerade analoga högspänningskretsar.

Fig 1. Blockschema för ett batteripaket.

Dessa analoga ingångsstegskretsar (AFE ICar) utför den svåra uppgiften att mäta spänningen, strömmen och temperaturen hos samtliga celler och föra den informationen vidare till en styrkrets. Styrkretsen använder cellinformationen för att beräkna batteripaketets laddnings- och hälsotillstånd. Styrkretsen kan beordra ingångsstegets kretsar att ladda eller ladda ur vissa celler för att bibehålla ett balanserat laddningstillstånd i paketet.

Högre noggrannhet – lägre kostnad
Mätnoggrannheten hos de analoga ingångsstegskretsarna har en direkt inverkan på systemets kostnad. Noggranna mätningar behövs för användbar beräkning av laddningstillståndet (State of Charge, SOC). För lång livslängd drivs ett batteripaket normalt med SOC på mellan 20 och 80 procent. Om osäkerheten för beräkningen av SOC ligger på 5 procent måste batteripaketet vara 5 procent större. Cellkostnaden är väsentlig. Att lägga 5 procent av kapacitet till ett paket på 16 kWh kostar cirka 360 euro (460 dollar). Om felet för SOC-beräkningen kan förbättras till 1 procent ger det en besparing på nästan 300 euro (385 dollar) per batteripaket.
Mätning av cellspänningen är en viktig del av SOC-algoritmen. Kretsleverantörer och utvecklare av batteripaket håller på att samlas kring en specifikation för det totala mätfelet på 1 mV vid mätning av spänning hos en 3,3 V LiFePO4-(litiumjärnfosfat)-cell.
Mätning av 3,3 V inom en noggrannhet på 1 mV är rutin för labbutrustning såsom den handhållna multimätaren Fluke-289, som kostar 480 euro (615 dollar). Den analoga ingångsstegskretsen (AFE ICn) måste ge samma prestanda för en hundradel av den kostnaden och samtidigt fungera i ett fordon under 15 år. Det målet kan bara uppnås av ett begränsat antal kretstekniker.

Noggrannhet i den verkliga världen
Vilken kretsteknik passar bäst för batterimätning? Svaret ges av felanalysen i fig 2, blockschemat för en typisk AFE IC.

Fig 2. Typisk analog integrerad ingångsstegskrets (AFE IC).

En av tolv seriekopplade battericeller väljs av multiplexer-(MUX)-blocket. Cellspänningen lagras på en kondensator genom att “S”-switcharna stängs. “S”-switcharna öppnas varefter “T”-switcharna stängs. Spänningen över battericellen överförs till A/D-omvandlaren. Detta arrangemang med en “flygande kondensator” utesluter den stora “common mode”-spänningen på 33 V hos den översta cellen och bevarar differentialspänningen på 3,3 V. A/D-omvandlaren jämför cellspänningen med sin spänningsreferens och ger ett digitalt resultat som motsvarar förhållandet mellan V_CELL och V_REF.
Mätfel kan introduceras av MUXen och den flygande kondensatorn om impedansen hos switcharna är för hög för att ladda kondensatorn under den korta samplingstiden. Noggrann konstruktion av switchade kondensatorer utesluter denna felkälla.
A/D-omvandlarens omvandling från analogt till digitalt kan också introducera fel på grund av missanpassning mellan komponenter. Återigen övervinns fel från A/D-omvandlaren genom en kombination av noggrann konstruktion och trimming av komponenter.
Den i grund begränsande faktorn hos AFE ICn ges av spänningsreferensen. Om spänningsreferensen sjunker med 1 procent kommer samtliga resultat att öka med 1 procent. Spänningsreferenser skapas av en fysisk kvantitet, antingen en omvänt förspänd PN-övergång med lavinartat genombrott (en zener-referens), skillnaden mellan två basemitter-spänningar (en bandgapsreferens) eller laddningen lagrad på en kondensator (en EPROM-referens).
Samtliga AFE ICar trimmas vid tillverkningen så att det ursprungliga värdet hos spänningsreferensen är mycket noggrant. Olyckligtvis kan spänningsreferenser beroende på IC-teknik ändras drastiskt med tiden, temperaturen, funktigheten och på grund av stress vid kortmonteringen. Detta gör att vissa kretsföretag anger en “typisk” noggrannhet, utan vidare vägledning om hur AFE ICn kommer att fungera i verkligheten.
Den bästa tekniken för att arbeta i en tuff fordonsmiljö är zener-referensen.
Linear Technologys nya övervakningskrets LTC6804 för AFE-batteristackar utnyttjar zener-baserad spänningsreferensteknik för att bibehålla bättre än nödvändig noggrannhet under många år. LTC6804 representerar en väsentlig förbättring jämfört med tidigare generationer av produkter som förlitar sig på en bandgap-baserad spänningsreferens. Betänk exempelvis den stress som skapas vid monteringen av kretskortet. AFE ICn utsätts för flera värmechocker vid lödningen. Kislet erfar mekanisk stress från  utvidgningen och krympningen av plastkapseln och kopparramen. En bandgap-referens uppför sig som en trådtöjningsgivare, som omvandlar mekanisk stress till referensspänningsförändringar. Samtliga förändringar i spänningsreferensen ger en direkt försämring av cellmätningens noggrannhet.
Effekten av kortmonteringsstress visas i fig 3 där tio AFE ICar av tre typer mättes före och efter en värmechock. Referensens avdrift ges som mV av cellens mätfel, om battericellen antas vara 3,3 V.




Fig 3. Mätfel efter tillverkning. Mätfel för 3,3 V battericell till följd av omvärldsfaktorer:(a) stress vid kortmontering, (b) förändrad fuktighet, (c) avdrift för mätreferens, och (d) beräknad långsiktig referensavdrift.

Fuktighet
Tänk också på att fuktigheten kan påverka. Fukt tränger in i plastkapseln och ändrar den mekaniska stressen. Stresskänsliga referenser erfar spänningsförändringar. Och tänk slutligen på avdrift på lång sikt. Kretskapselns monteringsprocess stressar kislet. Denna stress frigörs långsamt med tiden, vilket ger förändringar i referensen. Effekten minskar efter flera tusen timmar av drift, vilket förklarar varför långsiktig drift specificeras i enheten ppm/√kh.
Fig 3 visar den uppmätta avdriften efter 3 000 timmar och den förväntade avdriften efter 15 år.
Sammanfattningsvis förbättrar cellens mätnoggrannhet prestanda. För mätnoggrannhet i verkliga tillämpningar är AFE ICar med zener-baserade spänningsreferenser den bästa tekniken, såsom produktjämförelsen i fig 3 visar.

Isolerade datalänkar
medger modulära batteripaket
Konstruktörer av batteripaket skapar gärna modulära system. 16 kWh av batterikraft passar kanske inte alltid så bra in i ett enda utrymme i ett fordon. För ekonomiskt underhåll och garanti kan ett batteripaket för 8 000 euro (10 235 dollar) delas upp i små moduler. Och, en enda modulär paketkonstruktion kan skalas upp eller ner för att tillgodose behoven i många olika fordonsplattformar.
Uppdelning av ett stort batteripaket i mindre moduler komplicerar konstruktionen av de elektriska anslutningarna. Överföringen av data mellan batterimodulerna och styrkretsen kräver ledningskablage. Kablaget kommer att utsättas för kraftig elektromagnetisk interferens (EMI). Maskin- och programvaran för datakommunikationen måste noga beaktas. Nya uppfinningar inom AFE ICar kan drastiskt sänka kostnaden för datakommunikationen och samtidigt skydda batteripaketet från EMI.
Fordon tillverkade 2012 med modulära batterpaket utnyttjar normalt en kombination av CAN-(controller area network)-kommunikation och digitala isolatorer, såsom visas i fig 4.

Fig 4. Isolerad datakommunikation som utnyttjar CAN.

CAN erbjuder robust kommunikation baserad på två ledningar. En liten mikroprocessor (MPU) omvandlar data från CAN-protokollet till ett enklare SPI- eller I²C-protokoll för AFE ICn. Isolation mellan moduler tillhandahålls av en digital integrerad isolatorkrets, som ibland kräver isolerad kraftmatning. CAN-givaren, MPU och isolatorkretsarna kostar sammanlagt cirka 3,5 euro (4,50 dollar).
Den nya AFE ICn LTC6804 utesluter CANs kostnad och programvarukomplexitet samtidigt som den ger robust, isolerad dataöverföring mellan moduler i dubbla ledningar.

Fig 5. Isolerad datakommunikation som utnyttjar isoSPI.

Fig 5 visar ihopkopplingen av batterimoduler som utnyttjar isoSPI-porten hos LTC6804 tillsammans med en enkel pulstransformator. En annan krets från Linear Technology, den isolerade SPI-gränssnittskretsen LTC6820, kan koppla samman en mikroprocessors SPI-port med isoSPI-bussen. Valda klock-, data- och kretssignaler från mikroprocessorn kodas till differentiella pulser av LTC6820. LTC6804 avkodar pulserna tillbaka till klock-, data- och kretsval. Mikroprocessorer ser LTC6804 AFE ICn som en enkel SPI-kringutrustning. Den transparenta isoSPI-bussen ger galvanisk isolation och EMI-immunitet.
Signalstyrkan hos isoSPI-pulserna och impedansen hos anslutningen med två ledningar kan justeras. Användaren kan öka signalströmmen genom att ändra resistansvärdena (visas ej). Denna flexibilitet innebär att isoSPI-bussen kan skräddarsys för kommunikation över 100 meter av kabel och avvisa höga interferensnivåer. LTC6804 AFE ICn inkluderar en 15-bitars CRC (cyclic redundancy check) för att tillse dataintegriteten.

Fig 6. isoSPI-immunitet mot RF-interferens.

Fig 6 illustrerar resultaten för BCI-(Bulk Current Injection)-testning. BCI mäter ett systems immunitet mot elektromagnetisk interferens. RF-energi injiceras via en prob som kläms runt kabeln. En annan prob mäter den resulterande RF-strömmen. Datapaket skickas genom kabeln och CRC kontrolleras för att se om någon data är förvrängd. Testet upprepas med flera styrkor för isoSPI-datapulser. isoSPI-datapulser på 20 mA är immuna mot RF-injektion på 200 mA.

Aktiv balansering
ger snabbar på laddning
och mer energi
Alla seriekopplade battericeller kräver balansering. Tiden för själv-urladdning, elektroniska laster och temperaturer varierar från en cell till en annan. Över många laddnings- och urladdningscykler resulterar sådana skillnader i en betydande obalans i cellernas laddningstillstånd.  Obalanserad laddning minskar batteripaketets kapacitet. Exempelvis, om en cell har 10 procent mer laddning än övriga celler och en laddningsström läggs på batteripaketet kommer denna cell att nå den 80 procentiga gränsen för laddningsstillståndet medan övriga celler endast laddas till 70 procent. Den tillgängliga energin i batteripaketet har minskat med 10 procent. Passiv balansering, förbrukning av en enda cells laddning genom ett lastmotstånd, är det billigaste och enklaste sättet att balansera felpassade celler en seriestack. Flertalet AFE ICar stöder passiv balansering.

Passiv balansering
Passiv balansering är en långsam och energimässigt ineffektiv metod. Balanseringsströmmen varierar normalt mellan 1 procent och 5 procent av cellkapaciteten. För att förbruka 10 procent av laddningen från ett 40 Ah batteri kräver 10 timmar vid I=400 mA, eller genererar 8 W av värme per cell vid I=2 A. Många celler kan vara i behov av balansering. För batteripaket med stor kapacitet blir den värme som genereras av passiv balansering oacceptabel, och högt effektiv, aktiv balansering med hög ström är den enda praktiska lösningen.
Aktiv balansering snabbar inte bara på laddningen med mindre värme utan hjälper även till att återhämta kapacitet. Celler förlorar kapacitet när de åldras. De åldras olika över tiden på grund av temperaturgradienter i batteripaket och olika celltillverkning. Celler kan t o m bytas ut vid underhåll. Med passiv balansering bestäms ett batteripakets kapacitet av dess svagaste cell. Batteripaketet balanseras och laddas till 80 procent. Batteripaketets urladdning stoppas när den svagaste cellen når 20 procent. Ett ordentligt utformat system för aktiv balansering kommer att effektivt omdistribuera laddning i stacken såsom behövs för att tillse att 20 procents- och 80 procentspunkterna uppnås utifrån cellen med den genomsnittlig kapaciteten snarare än cellen med den lägsta kapaciteten.  För att maximera batteripaketets körtid måste cellerna balanseras under såväl laddning som urladdning av batteristacken.

Fig 7. Lösning för övervakning och aktiv balansering som utnyttjar LTC6804 och LTC3300.

Nya kretsar, såsom LTC3300 och LT8584, möjliggör aktiv balansering i batteripaket för fordon. LTC3300 (fig 7) är utformad att åtgärda behovet av dubbelriktad aktiv balansering hos stora batterisystem.
En icke-isolerad synkron flyback-topologi utnyttjas för att balansera upp till sex celler i taget från 12 eller fler angränsande celler.  Balanseringsström på upp till 10 A är möjlig. Överföring av laddning från en modul med 12 celler till nästa modul uppnås genom mellanläggning av sekundärsidans anslutningar hos samtliga flyback-transformatorer.  Mycket hög verkningsgrad för överföringen kan uppnås (>92 procents verkningsgrad) liksom hög kapacitetsåterhämtning (>80 procent) för typisk felpassning celler emellan. LT3300 kan styras via en seriell port på LTC6804. De två kretsarna skapar ett noggrant och lättanvänt cellövervaknings- och balanseringssystem.

Fig 8. I den här lösningen övervakar och balanserar LTC6804 och LT8584.

LT8584-kretsens (fig 8) monolitiska flyback-baserade DC/DC-omvandlare åstadkommer aktiv balansering med en enkelriktad topologi. Den enkelriktade metoden har fördelen att den omdistribuerar laddning från en given cell till hela stacken av celler, vilket ger mycket effektiv cellurladdning.  Denna topologi kan endast flytta laddning i urladdningsriktingen så “laddningen” av en given cell är mindre effektiv än ett dubbelriktat tillvägagångssätt. Den integrerade kraftswitchen på 6 A stöder en genomsnittlig balanseringsström på 2,5 A. LT8584 kan även mäta balanseringsström, kretstemperatur och kablarnas motstånd. LT8584 ansluter direkt till LTC6804 AFE ICn för ytterligare en lättanvänd övervaknings- och balanseringslösning med två integrerade kretsar.

Högre prestanda – lägre kostnad
Mätkretsar, som LTC6804, ger garanterad mätnoggrannhet och stabilitet på lång sikt så batteripaket kan ta ut mesta möjliga energi ur cellerna. Enkla isolerade kommunikationsmetoder för två ledare såsom isoSPI minimerar komponentkostnaderna och ger immunitet mot elektromagnetisk interferens. De aktiva balanseringskretsarna LTC3300 och LT8584 snabbar på laddningen och maximerar batteriets kapacitet. Dessa spännande nya kretsar är de bästa möjliga för nästa generation batteripaket för hybrid-/elfordon.

Filed under: Fordonselektronik