česky english Vítejte, dnes je sobota 20. červenec 2024

Dojezd stojí a padá na monitorování. Stát ale není zapotřebí

DPS 3/2023 | Články
Autor: Ing. Jan Robenek
uvod.jpg

Představa automobilů nebo i dalších přibližovadel poháněných elektřinou nemusí být vůbec špatná. V současné době však bude mít spoustu „ale“, které je zapotřebí rychle a kvalifikovaně řešit. Jednou z hlavních bolístek se stává tolik omílaný dojezd na jedno nabití. Jenže výsledek není pouze o bateriích, stylu jízdy, množství zapnutých žroutů energie apod. Své k tomu mají co říct i doprovodné monitorovací systémy.  Tíhu odpovědnosti nechte na BMS

Integrovaných obvodů dnes na čtyřech kolech najdeme nepočítaně. Pokud vše funguje správně, nemusí si jejich přítomnost běžný řidič vůbec uvědomovat. V tom se také diametrálně liší od vývojářů, kteří vše museli do nejmenšího detailu promyslet a navrhnout již dávno předtím. A pro návrhy nové generace přesně takové „dříve“ nastává právě nyní.

Jedním z dobře zavedených výrobců elektronických součástek pro automobilový průmysl je také firma Texas Instruments (TI). Jejich nesmírně důležitou podskupinu zde budou tvořit i obvody typu BMS pro řízení baterií (Battery Management System) – na webových stránkách časopisu DPS Elektronika od A do Z viz např. [1]. Funkcí, které musí v náročných podmínkách nepřetržitě zastávat, existuje celá řada. Bude však mezi nimi též jeden předpoklad, na který nesmíme nikdy zapomínat. Velmi správně, jde o přesnost měření. Ve výsledku se totiž může podepsat pod ještě kvalitnější výstupy a celkově bezpečnější a také spolehlivější provoz. A to se počítá.

V Texasu každopádně nezahálí, což ostatně dokládají dalšími novinkami, které známý výrobce v roce 2023 představil vůbec mezi prvními [2]. Obě součástky byly v době psaní článku stále ve fázi „Preview“, takže se ještě nemusí jednat o finální podobu, což ale našemu představení nijak nebrání. Nabídka systémů BMS od TI se tak nejnověji rozrůstá o dva monitorovací obvody BQ79718-Q1 a BQ79731-Q1 sázející právě na vysokou míru přesnosti při měření napětí, proudu či teploty akumulátorů, takže lze reálně stanovit nejen skutečný dojezd vozidla, ale můžeme zde přispět i k dalšímu prodloužení životnosti a v neposlední řadě též i bezpečnosti nabíjecích zdrojů energie. Jaká vnitřní výbava na vývojáře čeká?

Obr. 1 Efektivní provoz elektromobilů, ale třeba i mínění širší veřejnosti, to vše mají „v rukou“ právě baterie. A společně s nimi systémy BMS navržené tak, aby je dokázaly nejen přesně sledovat, ale také s nimi citlivě zacházet [2]

V kontaktu s články

Nejprve se krátce zastavíme u součástek v pouzdrech typu HTQFP s 64 vývody, které na desce plošného spoje zaberou přesně 1 × 1 centimetr, prvků BQ79718-Q1 s rozšířenou teplotní působností dle požadavků AEC-Q100, které si výrobce při odběru jednoho tisíce kusů cení přibližně na 8,4 dolaru a celým jménem je pak nazývá „Automotive 18-S precise battery monitor, balancer and integrated protector compliant to ASIL-D“. Z dostupné stručné dokumentace a rovněž typického způsobu využití v rámci vozů xEV / EV zjednodušeně ilustrovaného na obr. 2 plynou veškeré předpoklady k preciznímu dohledu nad devíti až osmnácti sériově zapojenými články u každé ze součástek o celkovém počtu N dosahujícím až 35. Pro stejné druhy pouzder pak rodina monitorovacích prvků dále rovněž nabízí odlišné možnosti kanálů, takže lze prověřený software či hardware na základě vývodové kompatibility opakovaně využívat rovněž u jiných platforem. Různým architekturám bude pochopitelně nahrávat i robustní komunikace na způsob Daisy Chain, kde oddělení vyřešíme prostřednictvím transformátorů či kondenzátorů.

S analogově-digitálním převodem vyhrazeným pro každý z dílčích článků, za kterým dále následují konfigurovatelné číslicové filtry typu dolní propusti, se pojí přesnost při měření napětí ±1 mV, zatímco synchronizace takového napětí a proudu tekoucího sadou (výrobce slibuje 64 μs) znamená též okamžitý přehled o výkonu, resp. kondici zdroje v reálném čase. Vnitřní struktura také počítá s dvanácti univerzálními vývody GPIO, např. pro snímač teploty, interním vyvažováním článků (300 mA s PWM a vlastním dohledem nad teplotou), pamětí pro jednorázová uživatelská nastavení, odběrem v režimu Shutdown pod 5 μA, kompatibilitou s obvody BQ79600-Q1, uvažujeme-li dále rozhraní SPI či UART, a třeba též hardwarovým resetem ze strany host systému napodobujícím událost, jako je POR, aniž by bylo nutné vyjmout baterii [3].

Obr. 2 S novými obvody BQ79718-Q1 určenými k dohledu nad bateriemi, včetně jejich vyvažování, se výrobce pokaždé bezprostředně dotýká až osmnácti nabíjecích článků... [3]

Na úrovni systému

Dalším integrovaným obvodem stejné skupiny, který počátkem ledna ve společnosti Texas Instruments představili, je BQ79731-Q1, jinak také „UIR Sensor with Voltage, Current and Insulation Resistance Monitoring in EV/BMS HV Automotive Applications“, jehož cena se oproti předchozí, vzájemně kompatibilní součástce nezměnila, klesají však rozměry shodného typu pouzdra – nyní s 48 vývody a na ploše 7 × 7 mm. A odlišné budou i možnosti. Ostatně, posuďte sami. Součástku, znázorněnou na obr. 3, nyní v rámci bateriového systému elektrovozidel po patřičném dělení využijeme při měření v různých místech o vyšším napětí. Napěťových kanálů je dohromady sedmnáct (single – ended) a provází je přesnost <0,2 %. Nechybí zde ani dvě integrované trasy s ADC za účelem snímání proudu prostřednictvím bočníků na nižší straně napájení (gain error drift ±0,05 % a vstupní rozsah ±275 mV), funkce „počítání Coulombů“, pokud jde o přesné výpočty SOC, patnáct vývodů GPIO sloužících k měření, a to i s termistory, resp. k dalšímu ovládání, ale ani čtyři výstupy „SW“ použitelné při buzení spínačů na měřicí trase, tranzistorů MOSFET. Součástka se zároveň pasuje do role SPI HUBu a rozhraní až s osmi samostatnými prvky či skupinami SPI.

Obr. 3 ... zatímco v případě prvků BQ79731-Q1 dále pokračuje, tentokrát již ale na vyšší systémové úrovni [4]

Pokud jde o ochranu před nebezpečnými nadproudy, a zejména její rychlou odezvu, výrobce zde počítá s autonomním řešením na základě fyzických vývodů obvodu. Dva komparátory pak budou mít přesnost ±1 %. Obousměrné přenosy dotýkající se Daisy Chainu k izolaci opět využijí stejné prostředky, zatímco součástka může  Obr. 4 Výrobce v obou případech nabízí též potřebné vývojové desky – na fotografii ukázka s BQ79731Q1EVM-060 [4] s mikrokontrolérem komunikovat rovněž pomocí SPI [4]. Ještě více informací, zasazených do širšího kontextu, vám na jedenácti stranách dále přinese čerstvý dokument White Paper [5]. A chybět zde pochopitelně nesmí ani nezbytné vývojové nástroje.

Obr. 4 Výrobce v obou případech nabízí též potřebné vývojové desky – na fotografii ukázka s BQ79731Q1EVM-060 [4]

Odkazy:

[1] Auta s bateriemi ženou kupředu technologie TI. Třeba jako BMS, https://www.dps-az.cz/vyvoj/novinky/id:61919/auta-s-bateriemi-zenou-kupredu-technologie-ti-treba-jako-bms

[2] Tisková zpráva, https://news.ti.com/ti-enables-automakers-to-take-full-advantage-ev-range-with-industrys-most-accurate-battery-cell-and-pack-monitors

[3] Integrované obvody BQ79718-Q1, https://www.ti.com/product/BQ79718-Q1

[4] Integrované obvody BQ79731-Q1, https://www.ti.com/product/BQ79731-Q1[5] How Innovation in Battery Management Systems is Increasing EV Adoption, https://www.ti.com/lit/pdf/slyy218