Infineon: лучшее на рынке решение для управления аккумуляторными батареями

7 декабря 2020

ответственные примененияуниверсальное применениеInfineonстатьяМикроконтроллербатарейное питаниеАЦП/ЦАП

Александр Русу (г. Одесса)

Развитие электротранспорта предъявляет высокие требования к точности измерения уровня заряда и повышению уровня всех видов безопасности. Микросхема TLE9012 от Infineon является лучшей в своем классе благодаря высокой точности измерений, отличной помехозащищенности, возможности масштабирования и поддержке «горячего» изменения конфигурации батареи, актуальной, например, для плагин-гибридных автомобилей.

Из-за глобальных изменений климата, обусловленных высокой концентрацией углекислого газа в атмосфере, количество автомобилей с электрическим приводом увеличивается с каждым годом. Наглядным примером этого процесса является московский общественный транспорт, уже сейчас насчитывающий 450 электробусов, перевозящих пассажиров по 36 маршрутам, что делает эту систему одной из самых крупных электроавтопарков в мире, существующих вне пределов Китая. К 2024 году количество электробусов для регулярной перевозки московских пассажиров планируется увеличить до 2600, что будет составлять около трети от общего количества используемых машин.

Эта тенденция будет устойчивой на протяжении нескольких ближайших десятилетий, ведь уже давно доказано, что транспортные средства на электрической тяге более эффективно используют энергию ископаемых видов топлива, а генерация электричества из альтернативных энергоресурсов в теории позволит перевозить грузы и пассажиров при нулевом уровнем выбросов парниковых газов. По оценкам специалистов к 2030 году общий процент автомобилей, в той или иной мере использующих электрическую тягу, превысит 50% (рисунок 1). Причем более половины из них будут иметь аккумуляторы с запасом энергии, достаточным для перемещения на значительные расстояния.

Рис. 1. Прогноз использования электрической тяги в автомобилях

Рис. 1. Прогноз использования электрической тяги в автомобилях

Однако практика эксплуатации аккумуляторов показывает, что для их эффективного использования необходим учет множества факторов. Именно поэтому многие ведущие производители электроники активизировали свои усилия по разработке систем управления аккумуляторными батареями (Battery Management Systems, BMS). Не осталась в стороне и компания Infineon, о решениях которой и пойдет речь в этой статье. 

Особенности эксплуатации автомобильных аккумуляторных батарей

На сегодняшний день в автомобильной технике чаще всего используются литий-ионные аккумуляторы, обладающие наибольшей удельной мощностью. Напряжение литий-ионного элемента зависит от конкретной технологии его изготовления и обычно не превышает 4,5 B. Использование столь малого напряжения для питания мощного электродвигателя привело бы к значительному увеличению токов в силовых цепях. Поэтому в автомобильных аккумуляторах ячейки соединяются последовательно, что повышает общее напряжение батареи до величин, оптимальных для управления двигателем требуемой мощности.

Типовые характеристики аккумуляторов, используемых в современном электротранспорте, приведены в таблице 1. Эти данные являются ориентировочными, однако их вполне достаточно для понимания, что в мощных приложениях необходимо соединять последовательно более 150 элементов.

Таблица 1. Типовые характеристики аккумуляторных батарей, используемых в электротранспорте

Напряжение батареи, В Емкость батареи, кВт⋅ч Приложения
< 48 < 0,2 Небольшой электротранспорт
48 0,2…0,5 «Мягкие» гибридные автомобили (Mild Hybrid Electric Vehicle, MHEV)
130…300 0,5…2 Гибридные автомобили (Hybrid Electric Vehicle, HEV)
300…400 7…20 Плагин-гибридные автомобили (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)
400…800 20…100 Электромобили (Battery Electric Vehicle, BEV)
800 > 100 Коммерческие электромобили (Commercial Electric Vehicle)

Однако при последовательном соединении аккумуляторных ячеек возникает проблема равномерного распределения заряда между ними, поскольку даже небольшая разница в технических характеристиках отдельных элементов всего за несколько десятков рабочих циклов приведет к быстрой разбалансировке системы и выходу из строя всей батареи. Наилучшим решением в этом случае является контроль состояния каждой ячейки и формирование индивидуального зарядного тока для каждой из них. Но при таком подходе требуется непрерывно проводить измерения нескольких сотен аккумуляторных ячеек, каждая из которых находится под своим потенциалом относительно общих клемм. Решить эту задачу аналоговыми методами было бы очень сложно, поэтому все современные системы управления аккумуляторными батареями построены на основе микроконтроллеров.

При определении состояния каждой ячейки возникает целый ряд технических проблем. Для определения напряжения на литий-ионной аккумуляторной ячейке требуются АЦП с достаточно высокой разрешающей способностью, ведь в рабочем режиме, когда ячейка примерно наполовину заряжена, изменение напряжения на ней составляет всего несколько милливольт на каждый процент изменения количества заряда. Кроме того, столь большой объем данных еще нужно каким-то образом передать в центральный процессор для обработки. Учитывая, что силовая часть автомобиля является хорошим источником электромагнитных помех, а сам автомобиль может эксплуатироваться в сложной электромагнитной обстановке, интерфейс высокоскоростного сбора и передачи данных от АЦП к центральному процессору требует самой тщательной проработки на предмет достоверности передачи данных.

Кроме специфических особенностей эксплуатации автомобильных аккумуляторов существуют еще и общие функции, которые должны обеспечивать любые системы управления аккумуляторными батареями, это защита от перезаряда и глубокого разряда, защита от перегрузки по току и короткого замыкания, защита от перегрева и многие другие. Также не следует забывать, что система управления аккумуляторной батареей не является изолированной системой, а существует в едином информационном пространстве с бортовой вычислительной системой, поэтому она должна поддерживать все необходимые коммуникационные интерфейсы для обмена данными с центральным компьютером автомобиля. Таким образом, система управления аккумуляторными батареями (рисунок 2) является достаточно сложным механизмом, содержащим достаточно большое количество аппаратных и программных узлов, связанных между собой как стандартными, так и специализированными интерфейсами.

Рис. 2. Структурная схема системы управления аккумуляторной батареей

Рис. 2. Структурная схема системы управления аккумуляторной батареей

Контроль и балансировка аккумуляторных ячеек

Двумя наиважнейшими характеристиками аккумуляторной батареи являются уровень заряда (State-of-Charge) и уровень работоспособности (State-of-Health). Уровень заряда показывает общее количество оставшейся энергии, выраженное в процентах от максимально возможной величины, которую способен сохранить аккумулятор при данном уровне работоспособности, выраженном в процентах от уровня работоспособности новой батареи. Расчет этих параметров достаточно сложен и требует использования специализированных математических моделей, отражающих суть физико-химических процессов, происходящих в аккумуляторе.

Исходными данными для расчета являются значения напряжения каждой ячейки, а также значения температуры ячеек и окружающей среды. Для измерения этих ключевых параметров компания Infineon предлагает использовать специально разработанную микросхему TLE9012, структурная схема которой приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема микросхемы TLE9012

Рис. 3. Структурная схема микросхемы TLE9012

В состав узла контроля (Cell Management Unit) микросхемы TLE9012 входят 12 каналов (рисунок 4), к которым можно подключать до 12 последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторных ячеек. Ключевым элементом каждой ячейки является 16-разрядный дифференциальный дельта-сигма-АЦП, предназначенный для измерения напряжения ячейки, подключаемой между выводами UX и UX + 1 с точностью до 5,8 мВ. АЦП всех каналов работают синхронно и имеют одинаковые коэффициент усиления и напряжение смещения. Для уменьшения уровня помех к выводам UX и UX + 1 подключаются внешние помехоподавляющие RC-фильтры, параметры которых также должны быть одинаковы для всех каналов. Кроме этого, результаты преобразований АЦП подвергаются дополнительному усреднению программным способом.

Рис. 4. Схема измерительного канала микросхемы TLE9012

Рис. 4. Схема измерительного канала микросхемы TLE9012

Последовательно соединенные аккумуляторные ячейки (или группы параллельно соединенных аккумуляторных ячеек) заряжаются одним общим током, формируемым внешним зарядным устройством. Если напряжение контролируемой ячейки в процессе заряда, например, из-за потери емкости, растет быстрее напряжения остальных ячеек, то ее зарядный ток может быть уменьшен путем параллельного подключения внешнего балансировочного резистора RBAL с помощью встроенного MOSFET с максимально допустимым током 150 мА. Для аккумуляторов большой емкости величина балансировочного тока может быть увеличена путем подключения к выводу Gх дополнительного усилителя, например, на основе более мощного n-канального MOSFET.

В каждом измерительном канале присутствует также компаратор с двумя программируемыми уровнями срабатывания, предназначенный для быстрого перевода системы в аварийный режим работы при обнаружении выхода напряжения ячейки за пределы допустимого диапазона. Использование данных компараторов позволяет реализовать эффективную защиту всей аккумуляторной батареи от перезаряда или глубокого разряда любой из ячеек.

Микросхема TLE9012 содержит также дополнительный (тринадцатый) АЦП, позволяющий измерять общее напряжение контролируемой части аккумуляторной батареи и обеспечивать температурный контроль (рисунок 5). В базовом варианте использования TLE9012, предлагаемом компанией Infineon, выводы TMP0…TMP4 предназначены для подключения до пяти внешних датчиков температуры на основе NTC-резисторов. Однако это не является обязательным требованием, и любой из этих выводов может быть сконфигурирован для работы в режиме обычного вольтметра. Если же эти выводы используются по прямому назначению – для измерения температуры, – то разработчику становится доступен богатый набор встроенных аппаратных и программных инструментов для реализации этой функции. В их число входят:

  • автоматический подбор источника тока, позволяющий использовать терморезисторы с разным сопротивлением;
  • автоматический контроль целостности цепи подключения датчиков температуры, включая обнаружение обрывов и коротких замыканий;
  • программируемый узел генерации сигнала тревоги при обнаружении повышения температуры.

Для определения общей работоспособности этого модуля можно периодически измерять падение напряжения на встроенном диагностическом резисторе.

Рис. 5. Схема подключения тринадцатого АЦП микросхемы TLE9012

Рис. 5. Схема подключения тринадцатого АЦП микросхемы TLE9012

Особенностью тринадцатого АЦП является использование отдельного источника опорного напряжения, что позволяет оперативно проверять корректность работы всей измерительной части микросхемы. В нормальном режиме работы сумма напряжений, измеренных двенадцатью канальными АЦП, должна равняться результату, полученному тринадцатым преобразователем. При большом отклонении опорных напряжений это равенство будет нарушено, что может стать причиной перевода системы в аварийный режим работы. 

Обмен данными внутри системы

Микросхема TLE9012 позволяет контролировать до 12 последовательно соединенных аккумуляторных ячеек. Очевидно, что для высоковольтных аккумуляторных батарей такого количества элементов явно недостаточно, поэтому компания Infineon предусмотрела возможность последовательного соединения до 20 микросхем TLE9012, что позволяет формировать аккумуляторные батареи, содержащие до 240 последовательно соединенных ячеек.

Для обмена данными между микросхемами TLE9012 предназначены два изолированных интерфейса (isoUART), предназначенных для связи с аналогичными микросхемами, контролирующими соседние секции аккумуляторной батареи. Неиспользуемые изолированные интерфейсы крайних секций при этом используются для связи с центральным процессором. При этом возможны два варианта организации системы обмена данными:

  • подключение центрального процессора к секции с наименьшими положительным или отрицательным потенциалами;
  • кольцевая схема (рисунок 6).

Очевидно, что при использовании кольцевой топологии возрастает надежность системы, поскольку она будет оставаться в рабочем состоянии даже при обрыве одной из соединительных линий.

При этом возможны три варианта организации системы обмена данными: подключение центрального процессора к секции с наименьшими положительным (рисунок 6а) или отрицательным (рисунок 6б) потенциалами и кольцевая схема (рисунок 6в).

Рис. 6. Варианты организации системы управления аккумуляторной батареей на основе микросхем TLE9012: а) подключение центрального процессора к секции с наименьшими положительными потенциалами; б) отрицательными потенциалами; в) кольцевая схема

Рис. 6. Варианты организации системы управления аккумуляторной батареей на основе микросхем TLE9012: а) подключение центрального процессора к секции с наименьшими положительными потенциалами; б) отрицательными потенциалами; в) кольцевая схема

Особенностью физического уровня изолированных интерфейсов является передача данных дифференциальным способом, что позволяет электрически изолировать измерительные микросхемы друг от друга с помощью как емкостных (на основе конденсаторов), так и индуктивных изоляторов (на основе трансформаторов). Использование дифференциальных приемопередатчиков позволяет использовать для передачи данных витую пару, что снижает общий уровень дифференциальных помех, наводимых в линии. Для еще большего повышения уровня помехозащищенности последний байт каждого информационного пакета, передаваемого в системе, содержит контрольную сумму (CRC), с помощью которой можно проверить достоверность передаваемой информации. Для уменьшения числа соединительных линий вход приемника и выход передатчика каждого изолированного интерфейса объединены, а передача данных осуществляется полудуплексным методом.

Для систем управления низковольтными аккумуляторными батареями, содержащими до двенадцати ячеек, достаточно одной микросхемы TLE9012, поэтому необходимости в создании столь сложной системы обмена данными нет. В этом случае подключить TLE9012 к центральному процессору можно напрямую с помощью отдельного модуля UART, использующего для передачи данных стандартные TTL-уровни сигналов. Информация, проходящая через этот модуль, идентична информации, проходящей через модули isoUART (модуль UART является двухканальным), однако для передачи данных используется одна линия. Поэтому для подключения микросхемы TLE9012 к типовому приемопередатчику микроконтроллера, имеющего раздельные линии для приема и передачи данных, требуется дополнительный внешний резистор (рисунок 7). При наличии общего провода между центральным процессором и TLE9012 можно также организовать непосредственную передачу сигнала аварии.

Рис. 7. Система управления низковольтной аккумуляторной батареей на основе единственной микросхемы TLE9012

Рис. 7. Система управления низковольтной аккумуляторной батареей на основе единственной микросхемы TLE9012

Для более сложных систем, содержащих несколько микросхем TLE9012, находящихся под разным потенциалом, передача данных должна быть организована по шинной топологии (рисунок 6). В этом случае для согласования физических уровней сигналов изолированных интерфейсов isoUART в стандартные TTL-уровни компания Infineon рекомендует использовать специализированную микросхему TLE9015 (рисунок 8), содержащую два независимых приемопередатчика, поддерживающих скорость передачи до 2 Мбит/с, узлы обнаружения ошибок и прочие необходимые модули. Так же, как и в модулях UART микросхем TLE9012, вход приемника модуля UART соединен с выходом его передатчика, а передача данных осуществляется полудуплексным методом. Поэтому для подключения микросхем TLE9015 к типовым микроконтроллерам требуются дополнительные резисторы.

Рис. 8. Структурная схема преобразователя интерфейсов TLE9015

Рис. 8. Структурная схема преобразователя интерфейсов TLE9015

Вопросы безопасности

Аккумуляторная батарея относится к особо важным узлам автомобиля, от которых зависит жизнь и здоровье не только водителя и пассажиров транспортного средства, но и окружающих людей. Наличие большого запаса энергии и потенциальная пожароопасность литий-ионных аккумуляторов накладывает на систему управления аккумуляторными батареями особые требования к уровню функциональной безопасности. Кроме этого, являясь также информационной системой, система управления аккумуляторными батареями должна обеспечивать и необходимый уровень информационной безопасности, обеспечивая как минимум достоверную передачу данных внутри ее структурных элементов, а как максимум – защиту от несанкционированного вмешательства в ее работу.

Часть вопросов безопасного управления аккумуляторными ячейками уже была рассмотрена выше. К ним относятся высокая точность измерений напряжения, наличие развитой системы температурного контроля, использование помехозащищенных методов передачи данных с проверкой их целостности и многие другие. Однако основная часть безопасной эксплуатации аккумуляторной батареи все же отводится центральному процессору.

Для общего управления системой компания Infineon предлагает использовать микроконтроллеры TC3хx (рисунок 9), входящие в состав второго поколения семейства специализированных 32-разрядных промышленных контроллеров AURIX, позволяющих реализовать в транспортных средствах наивысший уровень функциональной безопасности – ASIL D. В зависимости от модели, микроконтроллеры TC3хx могут содержать до шести независимых ядер TriCore, четыре из которых могут иметь дополнительные дублирующие ядра (Lockstep). Каждое ядро работает с тактовой частотой до 300 МГц, что позволяет достичь общей производительности системы 4000 DMIPS и использовать даже самые сложные модели управления аккумуляторными батареями. Требуемый уровень информационной безопасности можно реализовать с помощью модуля аппаратной защиты (Hardware Security Module, HSM), который совместно с модулем симметричного алгоритма блочного шифрования (Advanced Encryption Standard, AES) и собственным генератором истинно случайных чисел обеспечивает надежную защиту от несанкционированного вмешательства.

Рис. 9. Структурная схема микроконтроллеров TC3хx

Рис. 9. Структурная схема микроконтроллеров TC3хx

Заключение

Компания Infineon является одним из лидеров в области систем управления аккумуляторными батареями, она предлагает своим клиентам не только комплексные, но и самые передовые решения. Например, микросхема TLE9012 на момент написания статьи является лучшей в своем классе благодаря высокой точности измерений, отличной помехозащищенности, возможности масштабирования и поддержкой «горячего» изменения конфигурации батареи, актуальной, например, для плагин-гибридных автомобилей. Кроме этого, в ассортименте продукции Infineon присутствуют также и готовые решения для остальных узлов систем управления аккумуляторами, не вошедших в этот обзор: мощные высоковольтные ключи, датчики тока и многие другие.

Учитывая, что дальнейшее развитие автомобильной техники будет идти по пути ужесточения требований к точности измерения уровня заряда и повышения уровня всех видов безопасности, становится очевидно, что использование продуктов компании Infineon позволит создавать приложения, отвечающие самым жестким требованиям к системам управления аккумуляторными батареями.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
TLE9012AQUXUMA1 (INFIN)
TLE9015QUXUMA1 (INFIN)