השתמשו בבקרי סוללה מתקדמים, איזון תאים ובידוד I/O‏ כדי לתכנן ליבת BMS חסונה

סוללות נטענות הן אלמנטים יסודיים של מערכת אחסון אנרגיה בסוללות (BESS), עם סוגי כימיה שונים המשולבים יותר ויותר בתוך מארזים של עשרות, מאות ואפילו אלפי תאים כדי להעניק פעולה יעילה יותר במתחים גבוהים יותר. עבור מתכנני מערכת ניהול סוללות (BMS), סידור זה מציב מספר אתגרים להשגת ביצועים, יעילות, אמינות ובטיחות אופטימליים.

לדוגמה, תכנון או בחירה של מעגלים משולבים (ICs‏) הדרושים כדי לענות על צורכי יישום זה דורשים הבנה מעמיקה של כימיה של סוללות, טעינה, ניטור, איזון עומסים, בידוד, אבטחה וטכניקות תקשורת עבור מימוש אפקטיבי.

כדי לסייע להתמודד עם אתגרים אלה, ספקים שילבו רבות מהפונקציות הדרושות בתוך מעגלים משולבים ייעודיים, אשר במידה רבה אינם תלויים במעבד. רבים מ-ICs‏ אלו תומכים בכימיה של סוללות מבוססות ליתיום, כמו גם בתאים שאינם מבוססי ליתיום. הם אוספים נתוני תאי סוללה ומקבלים החלטות ופעולות אופטימליות בזמן-אמת בנוגע לניהול הסוללה. הם גם מספקים נתונים למעבד המערכת אודות סטטוס התא ומצבו.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של הדרישות הייחודיות של מארזי סוללות רב-תאיות. לאחר מכן הוא מציג ICs‏ ספציפיים-ליישום, מתוחכמים וממוטבים של Analog Devices ומתאר כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לעמוד בדרישות אלו.

מספר תאים גבוה מביא אתגרים נוספים

דיאגרמת החיווט הבסיסית של מארז סוללות, המורכב מתאי סוללה רבים המחוברים בטור עבור מתח גבוה יותר ובמקביל עבור זרם גדול יותר, היא פשוטה באופן מטעה. זה מרמז שהסידור הוא בסך הכל הרחבה של מארז של תא אחד או כמה תאים הדורשים ניהול מועט. מארזים עם מספר גבוה של סוללות משמשים ביישומים כגון כלי עבודה חשמליים הדורשים 18 וולט או 48 וולט, רכבים חשמליים (EV) הדורשים 400 וולט או 800 וולט, ומערכות BESS הדורשות בדרך כלל 1,500 וולט.

המציאות של מארזי סוללות גדולים יותר אלה היא שיש להם דקויות ומורכבויות הרבה מעבר למה שמופיע בתרשים הסכמטי שלהן. אתגר הניהול גדל באופן אקספוננציאלי עם מספר התאים והמארזים.

ראשית, יש לנטר את התאים הבודדים מבחינת מתח הדקים, פרופיל טעינה/פריקה, מצב טעינה (SoC), טמפרטורה וסימנים של תקלה מתקרבת. בנוסף, יש לנהל את התאים השונים באופן קולקטיבי, תוך ציון ההבדלים ביניהם והטיפול בהם.

היעדר מערכת כללים אוניברסלית מסבך עוד יותר את ניהול תאי הסוללה. האסטרטגיה המתאימה היא גם פונקציה של הכימיה של התא. זה שונה בין כימיקלים עיקריים, כגון ליתיום-יון (Li-ion) ועופרת-חומצה, למשל, כמו גם בתוך כימיה רחבה נתונה, כגון נוסחאות ליתיום-יון שונות. לכן, אסטרטגיית BMS ברמה גבוהה חייבת להיות מותאמת לכימיה של התא שהיא מנהלת.

בשל המספר הרב של תאים במארזי סוללות בעלות מתח גבוה וקיבולת גבוהה יותר, ודרישות הבטיחות הרבות שמארזים אלו חייבים לעמוד בהן, ניטור וניהול תאים מקומי הוא הפתרון ההנדסי הריאלי ביותר. בעוד שבדרך כלל יש מעבד מארח עבור המערכת, לרוב הוא יכול לספק רק הנחיות פיקוח ברמה גבוהה יותר עבור התא המקומי ולהעריך את הביצועים הכוללים של מארז הסוללות. ניטור וניהול של תאי סוללה בודדים נעשים על ידי אלקטרוניקה אוטונומית המספקת פונקציונליות בזמן-אמת ופועלת במידה רבה ללא התערבות של מעבד ברמת המערכת.

איזון תאים פסיבי לעומת אקטיבי

איזון תאים הוא קריטי לשמירה על התקינות של מארז רב-תאים ולהבטחה שחלק מהתאים לא יהיו תחת מאמצי-יתר בעוד שאחרים אינם מנוצלים מספיק. זה מונע נזק לתאי הסוללה ולמארזים, וממקסם את הביצועים. איזון מבטיח שכל התאים במארז יגיעו למלוא הקיבולת שלהם בו-זמנית, תוך מניעת טעינת-יתר, SoC לא-אחיד, פריקה חריגה ודגרדציה מוקדמת, ובכך בסופו של דבר מאריך את חיי הסוללה.

ישנן שתי גישות לאיזון: אקטיבית ופסיבית. איזון אקטיבי מדויק ומהיר יותר מאשר איזון פסיבי, אך הוא מסובך יותר למימוש. הוא משתמש במעגלים אקטיביים כדי לחלק את הטעינה בין התאים שבמארז הסוללות, ומבטיח שלכולם יש את אותו SoC. מעגלים אלו מנטרים את המתח של כל תא ומכווננים את זרם הטעינה והפריקה בהתאם.

לעומת זאת, איזון פסיבי מסתמך על חוק אוהם ונגדי איזון כדי להביא את התאים לאותו SoC. בנוסף להיותו פחות מדויק ואיטי יותר מאשר איזון אקטיבי, איזון פסיבי מפזר (מבזבז) אנרגיה עודפת מתא טעון יותר.

נתחיל עם ניטור רב-תאים

בעוד שקיימים פתרונות ESS זמינים מיידית רבים , שתי פונקציות חיוניות של "קרוב למקום הפעולה" של מערכת ניהול תאים (BMS) הן ניטור ואיזון של תאים בודדים. מעגל משולב כגון ה-ADES1830CCSZ‏ (איור 1), מנטר סוללות רבות-תאים עם מספר סוגי כימיה בעל 16 ערוצים, מטפל בפונקציות אלו ומוסיף מאפיינים קריטיים רבים התומכים ומפשטים את התכן ותפעול המערכת הכוללים.

איור 1: מנטר תאי סוללות רבות-תאים ועם מספר סוגי כימיה ADES1830CCSZ משמש כאבן בניין בסיסית עבור BMS מקיף. (מקור התמונה: Analog Devices)

מנטר מחסנית סוללות רבות-תאים זה מודד עד 16 תאי סוללה המחוברים בטור עם שגיאת מדידה כוללת (TME‏) במשך החיים של פחות מ-mV‏ 2‏ על-פני תחום הטמפרטורות המלא; ה-ADES1831CCSZ‏ הוא בעל TME‏ מעט גבוה יותר של mV‏ 5‏, אך חוץ מזה הוא זהה. תחום הכניסות למדידה של -2 וולט עד 5.5 וולט הופך את ה-ADES1830 וה-ADES1831‏ למתאימים עבור מרבית סוגי הכימיה של סוללות.

כדי לתמוך בעקביות בעת ניטור מארזים עם מספר גדול של תאים, ניתן למדוד את כל התאים בו-זמנית ובאופן יתיר באמצעות ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs) משולבים כפולים. ממירי ADC אלה פועלים ברציפות בקצב דגימה גבוה של 4.096 מגה-דגימות לשנייה (MSPS), המאפשר סינון אנלוגי חיצוני מופחת ותוצאות מדידה ללא-Alias‏. במידת הצורך ניתן להשיג הפחתת רעש נוספת באמצעות מסנני Infinite Impulse Response‏ (IIR‏) ניתנים-לתכנות. ה-ADES1830 וה-ADES1831 כוללים גם איזון פסיבי באמצעות בקרת יחס-מחזור של אפנון רוחב-פולס (PWM) אינדיבידואלי, ותומכים בזרם פריקה של עד 300 מיליאמפר (mA) עבור כל תא.

למרות שהתקן ADES1830 או ADES1831 יחיד תומך רק ב-16 תאים המחוברים בטור, ניתן לשרשר מספר התקנים כדי לנטר תאים המורכבים משרשרות סוללות ארוכות במתח גבוה בו-זמנית. כדי להקל על החיבוריות בין-מעגלים-משולבים זו, לכל התקן יש ממשק נקודת-חיבור טורית מבודד (isoSPI) עבור תקשורת למרחקים ארוכים חסינת-RF במהירות גבוהה עם בידוד המסופק על ידי קבלים או שנאים הנבחרים על ידי המשתמש.

בדרך זו, חיבור מעבד מארח יחיד יכול לקרוא נתונים ולפקח על המחרוזת כולה. קישור נקודת-חיבור טורית זה יכול להיות מופעל דו-כיוונית, ובכך להבטיח את תקינותו גם במקרה של תקלה לאורך נתיב התקשורת.

כדי למטב את הישימות של מנטרי תאים רבים אלה, Analog Devices מציעה את לוח ההערכה EV-ADES1830CCSZ‏ (איור 2, משמאל). למען ריאליזם נוסף, ניתן לחבר מספר לוחות הערכה דרך ממשק isoSPI כדי לנטר מחרוזת ארוכה של תאים בגיבוב (איור 2, מימין).

איור 2: לוח ההערכה EV-ADES1830CCSZ עבור ADES1830 ו-ADES1831 (משמאל) כולל כניסות רב-ערוציות עבור קריאות מתח תאים, מעגלי איזון תאים וחיבוריות נקודת-חיבור isoSPI (מימין). (מקור התמונה: Analog Devices)

איזון תאים משופר עבור ביצועים אופטימליים

אופטימיזציה של הביצועים של מארזים רבי-תאים גדולים יותר דורשת איזון תאים משופר. כדי להתמודד עם אתגר זה, חברת Analog Devices מציעה את ה-+ADES1754GCB/V‏ (איור 3), IC‏ של מערכת איסוף נתונים ואיזון סוללות במתח גבוה עם מספר סוגי כימיה ו-14 ערוצים, המתוכננת עבור ניהול מודולי סוללות במתח גבוה ונמוך כאחד.

איור 3: ה-IC‏ +ADES1754GCB/V של איסוף נתונים במתח גבוה עם מספר סוגי כימיה ו-14 ערוצים תומך בטכניקות איזון סוללות מתקדמות (מקור התמונה: Analog Devices)

מערכת זו יכולה למדוד 14 מתחי תאים וצירוף של שש טמפרטורות עם מנועי מדידה יתירים במלואם ב-162 מיקרו-שניות (μs). לחלופין, היא יכולה להעריך את כל הכניסות אך ורק עם מנוע מדידה ADC בתוך μs‏ 99‏.

עבור איזון תאים אקטיבי, ישנם 14 מתגי איזון פנימיים המדורגים לזרם איזון תאים של מעל mA‏ 300‏, אותם ניתן למתג כדי לתמוך בדיאגנוסטיקה מובנית נרחבת. באמצעות מתגים אלה ניתן להגדיר את ה-IC עבור מימוש איזון אוטומטי עם טיימרים של תאים בודדים או לפי מתח התא. ה-IC מספק גם מצב פריקה חירום.

ניתן לחבר עד 32 מהתקנים אלה בשרשרת כדי לנהל עד 448 תאים ולנטר 192 טמפרטורות. מתחי תאים ופס-צבירה בתחום של -2.5 וולט עד 5 וולט נמדדים באופן דיפרנציאלי על פני תחום אופן-משותף (CM‏) של 65 וולט, עם דיוק טיפוסי של μV‏ 100‏. עבור תקשורת חסונה המערכת משתמשת בפרוטוקול UART ניהול סוללות של Analog Devices ותומכת בממשק בקר I²C עבור ניהול התקנים חיצוניים.

כמו עם ה-ADES1830 וה-ADES1831, חברת Analog Devices מציעה את לוח ההערכה #ADES1754EVKIT‏ (איור 4, משמאל) כדי לשפר את התנסות התכנון ולקצר את זמן מחזור הכינון. הפריסה הפיזית של הלוח (איור 4, מימין) ממוטבת עבור חיבור יעיל למספר תאי סוללה כמו גם I/O‏ מעבד מבודדים.

איור 4: ה-ADES1754EVKIT# (משמאל) מאיץ את תהליך התכנון עבור ה-ADES1754; הפריסה הפיזית שלו (מימין) ממוטבת עבור חיבור יעיל למספר תאי סוללה כמו גם I/O‏ מעבד מבודדים. (מקור התמונה: Analog Devices)

הערכה מספקת פלטפורמה נוחה להערכת המאפיינים ןהפונקציות של ה-IC, כמו גם הפרמטרים החשמליים שלו. מחברי התקשורת האנכיים של הערכה, יחד עם מחבר מארז סוללות בהצמדה-ונעילה, מאפשרים למשתמשים לבנות ולהעריך במהירות מערכת עם עד 32 התקנים המחוברים ב-Daisy-Chain‏.

בידוד תקשורת ובטיחות משלימים את ליבת ה-BMS

עקב חששות הבטיחות הברורים הקשורים למתחים הגבוהים במארזי סוללות, נדרש שהתקשורת בין בקר ה-BMS לבין התקני ניטור הסוללות הבודדים תכלול בידוד גלווני (אוהמי). חלק מה-ICs‏ למדידה וניטור מציעים אמצעי ישיר עבור בידוד זה, אך רבים אינם עושים זאת.

כדי לממש דרישה זו במקרים בהם היא אינה חלק בלתי נפרד מהמעגל, Analog Devices מציעה את ה-ADBMS6821‏ עם ערוץ יחיד (איור 5, משמאל) ואת ה-ADBMS6822‏ עם שני-ערוצים. ICs‏ אלה, התואמים לחיבור Drop-in ווהם מורשי-AEC-Q100, מממשים תקשורת isoSPI דו-כיוונית, ובכך מבודדים התקנים באמצעות חיבור זוג-מפותל יחיד עבור כל קישור נתונים (איור 5, מימין).

איור 5: ה-ADBMS6821 החד-ערוצי (משמאל) וה-ADBMS6822 הדו-ערוצי מכילים את בלוקי הפונקציות הדרושים כדי לספק תקשורת isoSPI דו-כיוונית; הם מתממשקים בקלות עם חוג דו-כיווני על כבלי זוג-מפותל (מימין). (מקור התמונה: Analog Devices)

בפעולה, כל מקמ"ש מקודד מצבי לוגיקה לאותות המועברים דרך מחסום הבידוד למקמ"ש אחר. ההתקן הקולט מפענח את השידור ודוחף את אפיק הרכיבים ההיקפיים למצבי הלוגיקה המתאימים.

המקמ"ש משמש כגשר בין יציאת ה-SPI של המיקרו-בקר BMS לבין יציאות ה-isoSPI של מנטרי סוללות בודדים. הוא מתרגם אותות SPI סטנדרטיים (CS, SCK, PICO ו-POCI‏) לפולסים שניתן לשלוח באופן דו-כיווני על גבי כבלי זוגות-מפותלים.

ההתקנים תומכים בקצבי נתונים של 2 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s) ובאורכי כבלים של 100 מטרים (m) עם רגישות להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ופליטות נמוכות ביותר. המתכננים יכולים לבחור להשתמש בקבלים או בשנאים עבור מחסום הבידוד, בהתאם לדירוג המתח הנדרש, לשטח הזמין, לסוגיות רגולטוריות ולגורמים טכניים אחרים.

כיתרון נוסף, ניתן לשלב את המקמ"שים עם פתרונות ניטור מתקדמים אחרים ממשפחת ADBMS של Analog Devices כדי לאפשר ניטור מתח תאים וחיישנים גם כאשר בקר ה-BMS כבוי, כשהתוצאה היא תכן ניטור תאים בהספק-נמוך (LPCM‏).

כמו עם התקני BMS אחרים, לוח הערכה הוא תוספת חשובה למתכננים עבור בחינה, תרגול ואימות פונקציונליות. עבור מקמ"שים אלה קיים לוח הערכה עם מלוא המאפיינים, ה-EVAL-ADBMS6822DEC‏ (איור 6). הוא מתפקד כמתאם isoSPI‏ SPI-לשני-חוטים כפול, הכולל את ה-ADBMS6822 עם שני ערוצים, אך ניתן להשתמש בו גם עם ה-ADBMS6821 בעל ערוץ יחיד.

איור 6: כמתאם isoSPI‏ SPI-לשני-חוטים, ה-EVAL-ADBMS6822DEC מקל על פיתוח והערכה של קישור מבודד בין מעבד ה-BMS לבין התקני ניטור תאים בודדים. (מקור התמונה: Analog Devices)

באמצעות לוח הערכה זה, ניתן לקשר מספר מנטרי סוללות ADBMS68xx באמצעות חיברורי Daisy-Chain‏. הלוח כולל גם יציאת isoSPI הפיכה, המאפשרת נתיב תקשורת יתיר עבור יחידות היקפיות. לוח המעגלים המודפסים (PC), הרכיבים והמחברים ממוטבים עבור רגישות ופליטות EMI נמוכות.

סיכום

ניהול נכון ויעיל של מארזי סוללות עם מספר רב של תאי סוללה והמתחים הגבוהים שלהם הוא עניין מורכב עם דקויות תכן רבות. ICs‏ ממוטבים ספציפיים-ליישום של Analog Devices‏ מציעים מגוון של פתרונות עבור עמידה בדרישות הטכניות והרגולטוריות.