BMS jedině s EIS. Aby i na cestách bylo cesty zpět

Prozíravá a chytře navržená prevence, nebo „hašení“ problémů, které může být ve světě výkonové elektroniky klidně doslovné? O spolehlivosti a také bezpečnosti rozhodují zpočátku drobné, ovšem později často nevratné, změny, které nemusí být na první pohled vůbec patrné. A to ani v případě, že u baterií zvenčí bedlivě sledujeme napětí, proudy a samozřejmě teplotu.

Fyzika sice nelže, ale dokud nezačneme hodnotit správné ukazatele, ocitáme se sami spíše ve vleku událostí. Bude vůbec možné reagovat na ně včas?

Nečekejte na řetězovou reakci. Reagujte sami

Ať již počítáme s rozvodnou sítí nebo např. elektromobily, robustní bateriové systémy zde musí pracovat naprosto bezpečně, spolehlivě a přesně dle očekávání. Pro úložiště energie, tzv. ESS (Energy Storage System), to v závislosti na okolních podmínkách třeba znamená dvacet let nabíjení a opětovného vybíjení. A to jsme ještě za rozmarů počasí nevyrazili na čtyřech kolech ven. Pravda, pokud se na obě různé sady díváme zvnějšku, mohou vypadat zcela v pořádku, ale jsou doopravdy stabilní? Co když uvnitř každého článku již dlouho předem započaly elektrochemické změny, které se ještě nestačily „propsat“ do klasicky sledovaných veličin? Tradiční měření zde proto brzy naráží na své limity, takže moderní systémy BMS pro řízení baterií (Battery Management System) musí na vzniklé požadavky nutně reagovat. Jak se ale v případě hromady článků dostat až „pod povrch“ a bude to vůbec efektivní? Firma Texas Instruments má naštěstí odpověď a taky zbrusu nové řešení [1], které s přehledem obslouží i početné sady. Na stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme krátce psali v [2].

Napětí, proud a teplota – tři zcela zásadní ukazatele každého systému pro řízení baterií. Jak jsme ale naznačili výše, s vnější metrikou nedokážeme na vzniklé problémy baterií reagovat komplexně, natož jim aktivně předcházet. Změna se rozvinula natolik, že bude patrná i zvenčí, takže v tuto chvíli pouze „hasíme“ zkázu, která je již v plném proudu. Pro zajištění bezpečnosti se proto potřebujeme vrátit zpátky v čase, a to zejména tehdy, pokud máme co do činění s nekontrolovaným nárůstem teploty (tzv. Thermal Runaway) – řetězovou reakcí, při které článek produkuje teplo rychleji, než stačíme odvádět pryč. Celý proces započal hluboko uvnitř chemické struktury, takže dříve, než vnější senzory cokoli zaznamenají, baterie už někde hřeje. Jakmile systém konečně vyhlásí poplach, bývá situace často ve fázi, ze které už nemusí být návratu [3].

A pak zde máme úřady, které zpřísňují pravidla. Nová verze čínského národního standardu GB 38031, platná právě od tohoto měsíce, výrobcům kupříkladu ukládá povinnost navrhnout baterie tak, aby ani dvě hodiny po začátku tepelného kolapsu nedošlo k požáru či explozi. Mezi vývojáři proto panuje nervozita z toho, co všechno od nich tyto, ale i nadcházející směrnice budou vyžadovat. Zvláště, když od roku 2020 stačilo pět minut [4]. Odpovědí však není vzdát se stávajících způsobů měření, ale doplnit je o pokročilý dohled, který umožní sledovat děje probíhající přímo v jádru článku. Klíčová jsou tři písmena: EIS.

Od chemie k AI. Vodík jako pojistka

Elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) je metoda měření, která zkoumá, jak bateriový článek reaguje na malý elektrický signál o různém kmitočtu. Díky analýze této impedanční odezvy vidí EIS hluboko do nitra článku a nabízí přehled o jeho nabití (SoC), celkovém opotřebení (SoH) i teplotě a zachytí rovněž první nepatrné náznaky blížící se havárie. Včasné rozpoznání těchto varovných signálů pak rozhoduje o tom, zda situaci vyřeší běžný servisní zásah, nebo budeme čelit fatálnímu selhání.

Spektroskopii, obecně vzato, využívá celá řada systémů k tomu, aby u sledovaného objektu zjistila jeho skryté vlastnosti. Jednoduše vyšleme budicí signály a pozorujeme reakci. Skvělé přirovnání najdeme u biospektroskopie, resp. bioimpedancí. Když stojíme na chytré váze, složení těla odhadne tak, že do něj v určitém kmitočtovém rozsahu vysílá slabé proudové signály a měří zastoupení svalů, tuku či vody. EIS pak dělá s bateriemi v podstatě totéž. Zmíněná měření byla desítky let spíše výsadou specializovaných laboratoří. Dnes je ale můžeme přímo integrovat do každého článku, a to bez dodatečných senzorů či nákladných úprav. Napětí, proud a teplota stále zůstávají, budou však doplněny o „preventivní vrstvu“, odhalující klíčové změny dříve, než se stačí projevit navenek. Dlouhodobě a třeba i s modely strojového učení.

To se již ale dostáváme k výše avizovaným novinkám. V režii firmy Texas Instruments půjde o integrované obvody BQ79826Z-Q1, které by se měly začít sériově výrábět ještě letos. Automobilový systém, sloužící k monitorování a vyvažování chvályhodného počtu 26 akumulátorů s vlastní jednotkou EIS pro elektrochemickou impedanční spektroskopii se výrobci podařilo vměstnat do pouzder typu HTQFP o jednom stu vývodů, zabírajících na desce pole 12 × 12 mm. 26S, resp. 24S není samozřejmě žádné dogma, jakkoli jsou počty jinak průlomové – článků stačí do série zapojit už jen devět, zatímco v opačném případě dohromady spolupracuje až 128 čipů (ISO26262, ASIL-D).

V úvahu přichází pásmo 0,01 Hz až 3,5 kHz a třeba i synchronizace napětí či proudu, nepřekračující mezi jednotlivými obvody 5 μs. S impedancí se za předpokladu buzení proudem 1 A a 200 μΩ pojí přesnost 1 %, u napětí výrobce zase předpokládá méně než 1,7 mV (-40 °C až +125 °C, rozsah 0 – 5,5 V) a ideálně samostatné A/D převodníky pro každý z kanálů. Vývojářům se tak otevírá cesta k uceleným informacím i přesné neinvazivní diagnostice v reálném čase [5]. Pro vícevrstvou ochranu pak ještě sáhneme po čidlech pro detekci vodíku, např. novém senzoru STC42A o velikosti 3,5 × 3 × 1 mm, nyní od firmy Sensirion [6]. Vedle proaktivního časového náskoku s technologií EIS tak vzniklou (a pro případ nehody třeba i nenadálou) situaci hardwarově dozorujeme ve druhé linii.

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://www.ti.com/about-ti/newsroom/news-releases/2026/2026-06-09-ti-brings-intelligence-to-battery-management-systems-with-industry-s-highest-cell-count-eis-enabled-battery-monitor.html

[2] Nahlédněte do baterie s EIS. Sledovací obvody od TI napoví, https://www.dps-az.cz/zpravy/id:105335/nahlednete-do-baterie-s-eis-sledovaci-obvody-od-ti-napovi

[3] Enabling the next phase of battery intelligence, https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/ssztdd2

[4] Next-Generation Battery Monitoring With Electrochemical Impedance Spectroscopy, https://www.ti.com/lit/wp/stda020a/stda020a.pdf

[5] Obvody BQ79826Z-Q1, https://www.ti.com/product/BQ79826Z-Q1

[6] Sensirion announces global availability of the STC42A Automotive H2 sensor for thermal runaway detection, https://sensirion.com/company/news/press-releases-and-news/article/sensirion-announces-global-availability-of-the-stc42a-automotive-h2-sensor-for-thermal-runaway-detection

robenek@dps-az.cz