Литий-железофосфатные (LiFePO4) аккумуляторы EVE Energy и BMS-микросхемы для их корректной работы

17 апреля

Сергей Миронов, Николай Вашкалюк (КОМПЭЛ)

Компания EVE Energy выпускает обширную номенклатуру литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов, отличающихся долгим сроком службы, высокой безопасностью и подходящих для широкого спектра применений. Обеспечить надежность узла питания на основе такого аккумулятора поможет правильно подобранная интегральная схема BMS. Инженеры КОМПЭЛ сравнили микросхемы производства разных компаний и подобрали оптимальные решения, которые обеспечат LiFePO₄-аккумуляторам EVE Energy долгую и стабильную работу.

Литиевые аккумуляторы массово используются как в промышленном, так и в коммерческом гражданском приборостроении, на объектах народного хозяйства и в быту, например, в электронных гаджетах, ручном электроинструменте, автомобильных GPS-трекерах, POS-терминалах, бытовых приборах-помощниках и медицинском оборудовании, таком как мобильные дефибрилляторы. Кроме того, данные аккумуляторы используются и в электротранспорте: как в индивидуальном (в электромобилях и средствах индивидуальной мобильности), так и в промышленном (таком как электропогрузчики) и общественном, например, в электробусах.

Заслуженная популярность литиевых аккумуляторов обусловлена рядом их преимуществ:

• высоким рабочим напряжением, в зависимости от типа составляющим 2,3…3,7 В;
• большой плотностью энергии;
• отсутствием эффекта памяти;
• малой скоростью саморазряда;
• широким температурным диапазоном эксплуатации, в зависимости от химического состава лежащим в пределах -20(-40)…60(70)°С.

Все литиевые аккумуляторы по типу химической реакции относятся к литий-ионным (Li-Ion), но, в зависимости от агрегатного состояния электролита и материалов, используемых для изготовления катода/анода, среди них выделяют еще несколько типов. Наиболее популярные из них:

• Li-Pol – литий-полимерные (литий-ионные полимерные);
• LiFePO₄ – литий-железофосфатные;
• LTo – литий-титанатные.

Все они обладают различным набором технических и эксплуатационных параметров (таблица 1).

Таблица 1. Основные параметры литиевых аккумуляторов

Как видно из таблицы 1, не существует идеального аккумулятора на все случаи жизни, и разработчику всегда приходится рассматривать соотношение множества параметров, чтобы выбрать оптимальный вариант, подходящий под основные условия работы устройства. Все типы аккумуляторов имеют свои положительные и отрицательные особенности, поэтому для каждого применения следует подбирать свой тип с учетом наиболее важных параметров: ресурса, стоимости, компактности, температурного диапазона или доступности на рынке. Например, выбирая источник тока для какого-либо массового устройства с очень длительным сроком службы, которое должно быть максимально безопасным, следует отдать предпочтение литий-титанатному аккумулятору. Однако на сегодня этот тип источников тока пока не особо популярен, достаточно дорог и не имеет широкого выбора ячеек по емкости, а значит, этот выбор сейчас не будет оптимальным. Лучше обратить внимание на литий-железофосфатный, отличающийся такими характеристиками, как высокая безопасность и очень длительный срок службы (большое количество циклов заряда-разряда). При этом можно без особого труда найти ячейку необходимой емкости как цилиндрического, так и призматического вида. Литий-железофосфатные аккумуляторы выпускаются в очень большом диапазоне емкостей: практически от единиц до сотен ампер-часов.

LiFePO₄-аккумуляторы уже используются в различных устройствах и системах питания: от автомобильных трекеров и промежуточных буферных накопителей в железнодорожном транспорте до систем хранения энергии в возобновляемой энергетике.

Такому широкому применению литий-железофосфатных аккумуляторов способствуют высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость.

Безопасность литиевых аккумуляторов

Если не нарушать условий спецификации, то все литиевые аккумуляторы надежны и безопасны. Однако поскольку в аккумуляторе содержится запас определенной энергии, то при нештатных неблагоприятных условиях есть вероятность ее быстрого высвобождения, что может привести к взрыву или воспламенению. Основными факторами риска являются перегрев аккумулятора внешней температурой или тепловой разгон при заряде, механическое нарушение целостности оболочки и эксплуатация в режимах, выходящих за пределы спецификации. Производители аккумуляторов знают про эти особенности, поэтому при разработке аккумулятора и его конструкции учитывают возможные последствия и принимают меры по минимизации негативных последствий.

Также следует обратить внимание на потерю емкости аккумуляторов в конце срока службы. Дело в том, что при ее потере в литиевых аккумуляторах повышается риск роста дендритов (токопроводящих игл), которые могут привести ко внутреннему короткому замыканию и высвобождению энергии, поэтому не следует эксплуатировать аккумуляторы, потерявшие более 40% от первоначальной емкости.

Еще одним дополнительным преимуществом литий-железофосфатных источников тока является их пассивная безопасность: они не подвержены тепловому разгону при заряде или физическом разрушении.

Литий-железофосфатные АКБ производства EVE Energy

Аккумуляторы такого типа, доступные сейчас в России, выпускаются разными, преимущественно азиатскими компаниями. Среди них – известный лидер в производстве химических источников тока (ХИТ) – китайская компания EVE Energy. Она входит в пятерку крупнейших мировых производителей и, кроме широкого ассортимента литиевых батареек и литий-ионных/полимерных аккумуляторов, выпускает литий-железофосфатные в виде цилиндрических и призматических ячеек (рисунок 1, таблицы 2 и 3). По требованию заказчика также возможно изготовление сборок (pack) из отдельных ячеек с необходимыми параметрами и с интегрированной системой BMS (Battery Management System – системой контроля и управления).

Рис. 1. Внешний вид литий-железофосфатных аккумуляторов EVE Energy: а)цилиндрических; б) призматических

Литий-железофосфатные аккумуляторы производства EVE Energy широко применяются в устройствах различного назначения, вплоть до специальных систем хранения энергии.

Таблица 2. Цилиндрические литий-железофосфатные аккумуляторы

Таблица 3. Призматические литий-железофосфатные аккумуляторы

Большинство аккумуляторов рассчитано на эксплуатацию в стандартном температурном диапазоне разряда, составляющем -20…60°С, но есть модели, чьи показатели достигают -35…65°С. Температурный диапазон заряда составляет 0…60(65)°С.

Кроме положительных, у литиевых аккумуляторов есть и отрицательные стороны. Их наиболее существенной особенностью является негативная реакция на постоянное или длительное воздействие внешнего зарядного напряжения после достижения 100% заряда. Если они находятся в таком режиме все время, происходит ускоренная деградация параметров и возможно возникновение вздутия корпуса. Причем к похожим последствиям приводит и глубокий разряд. Поэтому для таких аккумуляторов важен контроль процесса заряда и разряда, а для этого необходимо использовать дополнительные компоненты для так называемой схемы BMS, или платы контроля и защиты.

Склонность литиевых аккумуляторов к перезаряду

Производители литиевых аккумуляторов рекомендуют использовать 2-ступенчатый алгоритм заряда CC-СV (постоянный ток-постоянное напряжение), график которого представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Алгоритм 2-ступенчатого заряда литиевого аккумулятора

Зарядное устройство в зависимости от электрохимической системы аккумулятора должно обеспечить определенное значение стабилизированного тока с ограничением по напряжению. Обычно для литиевых, в том числе и для литий-железофосфатных аккумуляторов рекомендуется стандартное значение зарядного тока 0,5С (C – это емкость источника тока), а значение максимального зарядного напряжения, согласно таблице 1, зависит от типа аккумулятора.

При таком режиме заряда на ячейке происходит рост напряжения, а затем она выдерживается при стабилизированном напряжении до тех пор, пока ток зарядки не снизится до 0,05С для литий-железофосфатного аккумулятора или 0,02C для литий-ионного/полимерного. В этом случае считается, что ячейка зарядилась на 100%. Здесь ключевое слово – «считается».

На рисунке 3 показана граница 100% заряда литиевого аккумулятора в сравнении со свинцово-кислотным. На нем видно, что у свинцово-кислотного аккумулятора (СКА) граница 100% заряда четкая, а у литиевого (ЛИА) – размытая.

Рис. 3. Граница 100% заряда

Дело в том, что в литиевом аккумуляторе при снижении тока до 0,05/0,02C считается, что все ионы лития из катода деинтеркалированы, и далее, если присутствует напряжение заряда, уже начинается преобразование вещества самого электролита, поэтому граница размывается. Протекание этого процесса и ведет к деградации литиевого источника тока, в отличие от свинцового, который при условии правильного значения зарядного напряжения больше чем на 100% зарядить нельзя.

Такое поведение литиевого аккумулятора при заряде вынуждает контролировать этот процесс и снимать зарядное напряжение при достижении 100% заряда или понижать его до уровня поддерживающего заряда в более сложной схеме зарядки (3-ступенчатом алгоритме). Для контроля заряда необходимо использовать схему BMS. Давайте узнаем подробнее об этих схемах, важности их наличия, а также о компонентах, необходимым для их разработки.

Схемы BMS для литий-железофосфатного аккумулятора

Система управления батареи (Battery Management System, BMS) предназначена для контроля за основными параметрами АКБ и обеспечивает заданный диапазон напряжения и тока в соответствии с ожидаемым профилем нагрузки. BMS выполняет следующие функции:

• контроль процессов зарядки и разрядки АКБ в соответствии с SOE (Safe Operating Envelope);
• оценку состояния заряда/разряда батареи;
• непрерывный мониторинг и защиту АКБ;
• оптимизацию срока службы АКБ;
• балансировку отдельных ячеек при зарядке;
• отправку отчета о рабочем состоянии на внешние устройства;
• безопасное отключение и подключение нагрузки.

Ранее мы уже сказали о важности использования схемы BMS, теперь подробнее рассмотрим специализированные микросхемы для работы с литий-железофосфатными АКБ, уровни напряжений заряда и допустимого разряда которых отличаются от классических литий-ионных.

На данный момент количество подобных микросхем для Li-FePO₄-аккумуляторов несоизмеримо меньше чем для работы с Li-Ion, но основные базовые решения и даже сложные AFE для контроля ряда параметров каждой из ячеек в составе батареи у азиатских производителей все же имеются (таблица 4).

Таблица 4. Список азиатских производителей, выпускающих BMS для литий-железофосфатных аккумуляторов

Линейные зарядки

Это самые простые микросхемы, имеющие невысокую энергоэффективность. Они в первую очередь подойдут для решений, в которых требуется минимальный набор функций и низкая стоимость. Продукцию этой категории выпускают два азиатских производителя: Microne и SGMicro (таблица 5).

Таблица 5. Список линейных зарядок

ME4075 производства компании Microne – простейшая линейная зарядка в компактном корпусе SOT23-5, идеально подходящая для работы от USB-порта. Встроенная тепловая обратная связь регулирует максимальный выходной ток до 800 мА. Процесс заряда осуществляется при максимальном выходном напряжении 3,6 В и прекращается при достижении величины тока зарядки 1/10 от заданного значения (резистор на выходе PROG, показанный на рисунке 4). Окончание цикла заряда индицируется соответствующим светодиодом.

Рис. 4. Линейная зарядка на основе ME4075

Микросхемы SGM40560 и SGM40567 производства SGMicro имеют все необходимые функции для предварительной и быстрой зарядок, а также поддерживают режимы подзарядки малым током и удержания заданного нижнего порога напряжения полной зарядки и имеют тепловую обратную связь. Ток устанавливается внешним резистором (рисунок 5). Медленно мигающий светодиод указывает на процесс зарядки, а его постоянно свечение сигнализирует об окончании этого процесса.

Рис. 5. Схема включения SGM40560

Серия микросхем SGM41566/SGM41566A (SGMicro) предназначена для зарядки АКБ малой емкости от нестабилизированного источника питания и имеет вывод для подключения NTC-резистора. Величина тока заряда устанавливается заводом-изготовителем в диапазоне 50…750 мА и не может быть изменена пользователем.

SGM41562A/SGM41562B (SGMicro) – довольно уникальные микросхемы линейной зарядки с цифровым управлением I²C и функцией Power Path, позволяющей зарядному устройству выступать в роли бесперебойного источника питания для подключенной нагрузки (рисунок 6). У ИС есть богатый набор конфигурируемых схем защиты и функций безопасности. Например, имеется встроенный таймер, позволяющий установить максимальную продолжительность основной и предварительной зарядок.

Рис. 6. Упрощенная схема включения SGM41562B

Понижающие (buck) импульсные зарядки

В данном разделе будет представлена только продукция компании Silergy с управлением через цифровой интерфейс (таблица 6).

Таблица 6. Понижающие импульсные зарядки производства Silergy

SY20716PPC и SY20716D1PPC – высокоэффективные понижающие зарядки с цифровым управлением, предназначенные для работы с одной ячейкой (рисунок 7). Микросхемы полностью совместимы с уровнями напряжений USB-интерфейса и благодаря встроенному повышающему регулятору поддерживают функцию USB OTG. Три встроенных ЦАП используются для установки и регулирования напряжения на АКБ, задают ток заряда батареи и адаптивное ограничение входного тока адаптера. Все параметры работы зарядного устройства конфигурируются посредством I²C-протокола.

Рис. 7. Типовая схема включения SY20716

SY20719QCC – более мощная микросхема, имеющая функции OTG и Power Path со встроенным идеальным диодом для уменьшения потерь при подключении АКБ к нагрузке (рисунок 8), программируемый таймер безопасности и индикацию режимов работы. Высокая частота преобразования 1,5 МГц позволяет использовать малогабаритный индуктор.

Рис. 8. Зарядное устройство на основе микросхемы SY20719QCC

SY20745RBC – понижающий контроллер заряда для 1, 2, 3 или 4 ячеек (рисунок 9). Широкий диапазон входного напряжения и множество программируемых параметров через SMBus-протокол придают этой микросхеме высокую гибкость.

Рис. 9. Контроллер SY20745RBC для заряда 1…4 ячеек

Повышающе-понижающие импульсные зарядки

В зависимости от величины напряжения питания, такой тип зарядных устройств, который также называется buck-boost-зарядки, может работать как с повышением напряжения на выходе, так и с его понижением, что обеспечивает высокую гибкость использования. Предлагаем к рассмотрению решения от Joulwatt, Silergy и SGMicro (таблица 7).

Таблица. 7. Buck-boost зарядки

JW3655E является единственной автономной (не требующей внешнего управления) микросхемой зарядки со встроенным преобразователем питания (рисунок 10). Рассмотрим ее подробнее.

Особенности:

• входное напряжение 4,2…21 В;
• поддержка зарядки 1…4 ячеек Li-ion, Li-Polymer, Li-FePO₄ током до 3 А;
• напряжение полной зарядки 3…20 В, задающееся через вывод BATFB (рисунок 4);
• частота преобразования 450 кГц;
• потребляемый ток в режиме покоя менее 5 мкА;
• переход в режим ЧИМ при малой нагрузке для увеличения эффективности;
• защиты от перегрева и КЗ в цепи АКБ;
• корпус QFN3X4-15

Микросхема заряжает АКБ в три этапа: если начальное напряжение ниже порогового, сначала идет подзарядка, потом зарядка постоянным током и в конце процесса включается режим постоянного напряжения с уменьшением выходного тока. Окончание заряда регистрируется при двух условиях: напряжение заряда должно быть выше V_FULL, а ток заряда – меньше I_TER (подробнее об этом можно узнать из технической документации).

Рис. 10. Автономная повышающе-понижающая зарядка на базе JW3655E

JW3702 – это синхронный buck-boost-контроллер с четырьмя внешними ключами, предназначенный для работы с 2…4 ячейками АКБ (рисунок 11). Микросхема поддерживает управление через последовательный цифровой интерфейс I²C для задания множества параметров. Встроенный 10-битный АЦП в режиме реального времени измеряет напряжение и ток шины питания и батареи, а так же напряжение внешнего NTC-резистора для контроля температуры. Микросхема поддерживает функцию OTG для подачи питания от АКБ на внешние портативные устройства через USB-порт. Ограничение напряжения и тока также может быть запрограммировано с помощью I²C-интерфейса. JW3702 имеет полный набор защит для обеспечения надежной работы зарядного устройства.

Рис. 11. Типовая схема включения JW3702

Buck-boost контроллеры SY20776 и SY20779 производства компании Silergy (рисунок 12) отличаются между собой только протоколом управления (I²C или SMBus) и имеют функцию Power Path с идеальным диодом (транзистор Q5 на рисунке 12), позволяющую отделить между собой питание нагрузки и цепь заряда-разряда батареи, а также подключать АКБ к нагрузке при перегрузке адаптера питания. Как и рассмотренный выше JW3702, контроллеры SY20779 и SY20776 тоже имеют схему OTG. С помощью цифрового протокола можно задать все необходимые параметры работы преобразователя.

Рис. 12. Схема включения SY20779 производства компании Silergy

Также buck-boost контроллеры имеются в номенклатуре компании SGMicro. Это SGM41570 и SGM41573, которые очень похожи по параметрам, функционалу и расположению выводов (в выводах 16 и 17 имеются небольшие различия) на уже рассмотренные SY20779 и SY20776 производства Silergy. Расхождения между SGM41570 и SGM41573 заключаются только в цифровых протоколах управления: SMBus и I²C, соответственно. 

Микросхемы защиты

Главные функции данного типа интегральных схем – это обеспечение защиты от перезаряда (для Li-FePO₄ обычно 3,6…3,65 В), переразряда (типовое значение 2,5 В) и защиты от чрезмерного тока нагрузки.

Компания Joulwatt имеет достаточно широкую номенклатуру микросхем защиты для работы как с одной ячейкой, так и со сборкой до 7 (таблица 8).

Таблица 8. Микросхемы защиты

На рисунке 13 показана типовая схема включения ИС JW3313, предназначенной для работы с тремя ячейками АКБ. К ее особенностям относятся наличие термоконтроля, защиты от перезаряда, переразряда и перегрузки, а так же определение обрыва в цепи батареи.

Рис. 13. Типовая схема включения JW3313 производства Joulwatt

Некоторые микросхемы защиты могут иметь встроенные схемы балансировки для выравнивания напряжения на каждой из ячеек в процессе заряда. К таким ИС относятся JW3312 и JW3319.

Для защиты двух элементов питания можно использовать микросхему ME4222 производства компании Microne (рисунок 14). Рабочее напряжение ИС составляет 1,5…10 В, а к ее отличительным особенностям относится способность выдерживать кратковременно до 33 В.

Рис. 14. Схема защиты двух ячеек Li-FePO4 на базе микросхемы ME4222 производства Microne

Микросхемы AFE

Самым функциональным видом BMS, представляющим собой полнофункциональный набор схем аналоговых измерителей с цифровым интерфейсом для передачи данных на хост-контроллер, являются интегральные схемы AFE (Analog Front-End, аналоговый внешний интерфейс). AFE-микросхемы BMS в режиме реального времени мониторят основные параметры батареи, такие как напряжение, температура и токи заряда/разряда, обеспечивают защиту АКБ при ее выходе из допустимых границ использования, а так же, как правило, имеют схему балансировки. Некоторые AFE могут каскадироваться для расширения количества контролируемых ячеек (таблица 9). Пример такого решения показан на рисунке 15.

Таблица 9. Микросхемы AFE для работы с АКБ

Микросхемы MS99x0T производства компании Ruimeng являются полными Pin-to-Pin-аналогами BMS-контроллеров серий xx76920, xx76930 и xx76940 крупнейшего западного производителя. Степень заменяемости между соответствующими контроллерами практически полная даже на уровне прошивки. Различия имеются только в калибровочных коэффициентах. Подробнее с данными AFE можно ознакомиться в статье «Серия специализированных микросхем Ruimeng для работы с АКБ».

Рис. 15. Схема каскадирования AFE-микросхемы JW3370 для работы c 20 ячейками АКБ

Литий-железофосфатные аккумуляторы, обладающие существенно более длительным сроком службы, высокой безопасностью и широтой номенклатуры, успешно заменяют другие виды аккумуляторов в различных приложениях. Выбирая для своего устройства аккумулятор типа LiFePO₄, следует правильно подобрать и схему BMS для обеспечения надежности разработанного узла питания устройства. Используя аккумуляторы производства компании EVE Energy, можно быть уверенным в их качестве и стабильной работе. Продукция этой компании уже широко используется в системах хранения энергии, а также и в транспортных средствах таких известных производителей, как BMW и Tesla.