Stora litiumbatterier med många staplade celler är en av de i särklass dyraste komponenterna i elektriska fordon. För att nå lång livslängd och hög kapacitet är det viktigt att övervaka de individuella cellerna och balansera dem – något som kan bli mycket dyrt.
I artikeln visar Manfred Brandl och Gernot Hehn från ams AG ett nytt, enklare och billigare sätt att lösa problemen.

Kravet att garantera säker funktion hos stora litiumbatterier och samtidigt uppnå lång drifttid och hög energikapacitet står högt på prioritetslistan hos alla tillverkare av hybrid-/elfordon (HEV-fordon) och helelektriska fordon (EV-fordon). Detta betyder att effektiv hantering av batteriets celler är en avgörande funktion, och detta kommer i sin tur att kräva exakt övervakning av cellens spänning, eventuellt i kombination med cellbalansering.

Det har dessvärre visat sig oväntat svårt att utveckla tillräckliga övervakningssystem för battericeller i fordon till rimlig kostnad. Detta beror på att befintliga tillvägagångssätt kräver överföring och bearbetning av stora mängder data i en svår och bullrig fordonsmiljö, samtidigt som det föreligger strikta krav på säkerheten.

Den här artikeln visar ett sätt att lösa problemet: ett helt nytt tillvägagångssätt vid cellövervakning och cellbalansering där funktionen implementeras lokalt vid cellmätningens IC-krets i stället för genom fjärranslutning via högeffektmatad mikrostyrenhet. Det nya systemet kommer att ge högre prestanda till lägre systemkostnad, samtidigt som systemet blir mycket enklare att implementera rent programvarumässigt.

Funktionen i cellövervakningssystem
Fordonstillverkare utrustar sina fordon med batteristyrningssystem (BMS – Battery Management Systems) för att få tillförlitlig drift och hög säkerhet. Ett BMS-system bygger på information om laddningstillståndet (SOC – State Of Charge), hälsotillståndet (SOH – State Of Health) samt spänningen hos ett batteri. Informationen utgör underlag för beslut om laddnings- och urladdningsprocessen. Den ger även diagnosinformation av funktionsmässiga och säkerhetsmässiga skäl och visar information för föraren.

Kravet på funktionssäkerhet är särskilt viktigt vid användning av litiumbatterier. Över- och underspänningar i en litiumcell innebär fara och kan orsaka överhettning, värmedeformering och i värsta fall förbränning. Det är därför viktigt att ha exakt spänningsövervakning i batteriets säkerhets- och diagnossystem. I regel krävs den högsta ASIL-graderingen (C eller D) enligt villkoren i funktionssäkerhetsstandarden ISO26262. ASIL-kraven kan uppfyllas med hjälp av ett dubbelt spänningsmätsystem:

• En del (ämnet för den här artikeln) mäter de individuella cellspänningarna
• Den andra delen mäter spänningen i hela batteriet via en extern IC-krets för batterimätning, till exempel AS8510 från AMS

En jämförelse av den uppmätta batterispänningen med ett sammantaget antal uppmätta cellspänningar ger verifiering enligt kraven i ISO26262 att spänningsövervakningssystemet fungerar korrekt.

Cellövervakningsdata kan också användas som stöd för cellbalanseringsmoment. Kvaliteten på litiumceller har förbättrats kraftigt och de elektriska egenskaperna är så konsekventa hos cellerna att cellbalansering inte är lika viktigt idag som det har varit tidigare.

Konstruktion av cellövervakningssystem
Det vanligaste sättet att konstruera ett cellövervakningssystem/cellbalanseringssystem idag är att mäta spänningen i respektive cell sekventiellt, och att strömma data till en kraftfull värdstyrenhet så nära realtid som möjligt. Vid styrenheten måste systemet tillhandahålla omfattande dataloggnings och programfunktioner, genom algoritmer som omvandlar spänningsdata till användbar information som t ex SOC- och SOH-värden för battericellerna.

Den här modellen – fjärravkänning i kombination med central databearbetning – är mycket vanlig i dagens systemkonstruktion och därför inget utöver det vanliga. Men för cellövervakning i fordonssammanhang är modellen både komplex och kostsam. Det finns flera bidragande orsaker till den höga kostnaden i det här tillvägagångssättet:

• Det är svårt att implementera en tillförlitlig kommunikationslänk mellan cellerna och värdstyrenheten i en brusig miljö samtidigt som växling sker mellan en domän med hög spänning (vid batteriet) respektive låg spänning (vid manöverelektroniken). Det blir ofta nödvändigt att använda dyra lösningar som t ex skärmning och använda kringutrustningskomponenter i hög kvalitet, t ex isoleringsenheter, kontakter och kretsskydd.
• Systemet kräver många mycket exakta mätkomponenter.
• Värdstyrenheten måste ge hög processorkraft varvid kostnaden stiger.
• Utvecklingen och nivån hos komplex programvara i ett säkerhetskritiskt system kräver enorma insatser i konstruktionstid och kostnader. Dagens krav på överensstämmelse med ISO26262-standarden komplicerar arbetet ytterligare.

Svårigheterna som rör dataöverföring och programmering har visat sig mer uttalade än vad de flesta inom fordonsindustrin hade förväntat sig. Det är tydligt att en helt ny infallsvinkel krävs för att undvika problemen som beskrivs ovan.

Den nya arkitekturen som har utvecklats av ams är inte ett direkt svar på biltillverkarnas specifikationer som förutsätter att en konventionell centralprocessormodell ska användas. I stället har ams bortsett från regelboken och undersökt problemet från en ny vinkel. Vi har dragit nytta av stödet (på prototypstadiet) från e3car ENIAC-programmet. Nästa steg är utvecklingen av IC-kretsen AS8506 som är en batterisensor utvecklad med stöd av EU:s forskningsprogram Estrelia.

Funktionen hos ams arkitektur
Anledningen till att vi utvecklade en helt ny arkitektur för cellövervakning och balansering var att vi ville undvika många av de negativa effekter som förekommer i befintliga konstruktioner, i synnerhet:

• Behovet av en isolerad kommunikationslänk över spänningsdomäner
• Behovet av komplex programvara i kraftfulla värdstyrenheter

Målet har uppnåtts genom att flytta en stor del av funktionerna från värdstyrenheten till den lokala IC-kretsen för övervakning/balansering. Alla system för balansering av LFP-celler (litiumjärnfosfat) vid partiella SOC-värden kräver extremt noggrann spänningsövervakning, eftersom spänningen i dessa celler faller mycket långsamt när batteriet laddas ur från sitt fulladdade tillstånd. I ams system utförs samtidig jämförelse av alla celler i en stapel mot en referensspänning med en noggrannhet på ±1 mV.

Detta tillvägagångssätt, med samtidig spänningsjämförelse mot ett tröskel- eller referensvärde, ger mycket noggranna resultat eftersom inlästa data har exakt samma tidsstämpel. Konventionella system mäter i stället cellerna i sekvens och bearbetar data i sekvens i värdstyrenheten. Noggrannheten i jämförelserna mellan olika celler försämras därmed vid alla förändringar hos batteriströmmen under den tid då mätningarna utförs. Filteralgoritmer som bygger på snabba, synkroniserade batteriströmdata måste därför implementeras som kompensering. Systemkonstruktörer vill förstås helst undvika att utveckla dessa komplexa algoritmer.

Ytterligare en fördel hos samtidig inläsning av celldata är möjligheten att balansera cellerna vid låg belastning och mot slutet av laddningsprocessen. När batteriets ström urladdas faller spänningen på grund av den interna impedansen i cellen. Om strömmen ändras medan cellmätningarna pågår sekventiellt kommer alla jämförelser av cellernas spänningar att bli ogiltiga, och de kan då inte användas för beslut om cellbalansering.

När alla celler jämförs samtidigt mot ett referensvärde är strömmen inte avgörande, i alla fall inte vid mätningar med den precision som krävs för cellbalansering (förutsatt att cellernas impedanser stämmer överens tillräckligt väl).
Det nya tillvägagångssättet innebär också att ams nu kan erbjuda ett högintegrerat system för batterier. Detta uppnåddes genom begränsning av den ström som används för att balansera cellerna. I de litiumjonceller av hög kvalitet som normalt specificeras av bilstillverkare beror cellernas obalans oftast på mycket små skillnader på bara några mikroampere i den ström som IC-kretsarna för strömmätning drar. Ett effektivt cellbalanseringssystem kan därför tas fram för att balansera de små skillnaderna i SOC som ackumuleras över tiden.
Detta betyder att de små balanseringsströmmarna på högst 100 mA – som kan hanteras av omkopplarna som är integrerade i AS8506 – är tillräckliga.
Kommunikationslänkens signalstyrka förstärks också genom uppdelning i två delar: diagnossignaler för cellspänning, där ett övre eller nedre tröskelvärde har överskridits måste sändas snabbt av funktions-/säkerhetsskäl. Men individuella avläsningar av cellspänning (med stöd för SOC-beräkningar och statusrapporter) kan använda en långsam och mycket robust seriekommunikationskanal med kontroll av cyklisk redundans (CRC – Cyclic Redundancy Checking).

Den högintegrerade modellen som beskrivs ovan, avsedd för lokal bearbetning av cellspänningsdata, är implementerad i AS8506, ett chips som stöder upp till sju celler (se fig 1).

Fig 1. Med den högintegrerade kretsen AS8506 kan en cellbalanseringskrets implementeras även utan en mikrostyrenhet, och systemkonstruktören ges därmed stor frihet
(klicka här för större bild)

Under drift kan AS8506 ge en exakt referensutsignal REF_T på 4,5 V som kan användas av externa resistiva delare och temperaturgivare. I ett demonstrationssystem (se figur 4) används REF_T-stiftet för att generera 3,55 V som maximal cellspänning för LFP-celler. Den här 3,55 V-signalen är ansluten till VREF_IN som referens för interna komparatorer (se fig 2).

Sju celler är anslutna till respektive kanaler VCELL1 till VCELL7. En 20Ω urladdningsresistor är ansluten till stiften TSECH och TSECL.

Fig 2. Schema över ett demonstrationssystem för övervakning av ett litium-järn-fosfat-batteri med sju celler
(klicka här för större bild)

Övervakning och passiv balansering kan nu startas. Cellerna övervakas och värdena jämförs med ett högsta respektive lägsta cellspänningsvärde via stiften CELL_THU och CELL_THL, och cellspänningarna jämförs med referensspänningen på 3,55 V på VREF_IN. Alla cellspänningar som ligger utanför tillåtet område, och alla överhettningstillstånd, flaggas upp av signalen CVT_NOK_OUT (Cell Voltage Not OK – otillåten cellspänning).

Högkvalitativa battericeller behöver som sagt eventuellt inte någon cellbalansering. Men om cellbalansering krävs så aktiveras den i regel mot slutet av laddningen, när systemet går från fasen konstant ström till fasen konstant spänning. I det här exemplet behöver en tryckknapp tryckas in för att balanseringen ska starta. När de första cellerna börjar överskrida tröskelvärdet 3,55 V urladdas de genom de integrerade balansomkopplarna tills deras spänning faller till 3,55 V. När samtliga celler har överskridit tröskelvärdet 3,55 V minst en gång stoppar balanseringen. Den här funktionen visas i figur 3 där litiumpolymerceller laddas till 4,14 V.

Fig 3. Cellbalansering implementeras av AS8506 under fasen med konstant spänning i laddningsprocessen
(klicka här för större bild)

Fig 4. En fristående passiv balanseringsenhet för 3–7 celler, byggd på IC-kretsen AS8506 IC från ams

I ett stort batterisystem med fler än sju celler, till exempel i ett elfordon, kan systemet som beskrivs ovan användas i flera moduler, där varje modul innehåller upp till sju celler. IC-kretsarna kan anslutas och synkroniseras genom en gemensam klocka och trigglinje. Demonstrationssystemet använder en "daisy chain" för kommunikation och systemet har testats i ett elektriskt fordon. Systemet hade hög motståndskraft mot störningar och det förekom inga bit-fel när en inverterare och en elektrisk motor med 100 A toppström kördes.

Därmed kan även stora batterienheter balanseras perfekt utan att någon programvara krävs, och med en mycket överskådlig maskinvarukonstruktion. Faktum är att detaljlistan för en modul som täcker in sju celler bara innehåller en enda IC-krets typ AS8506 IC, en urladdningsresistor och ytterligare några resistorer som justerar referensspänningarna som används vid passiv balansering och cellövervakning.

I de flesta fall kommer en IC-krets av typ AS8506 för batteriövervakning att arbeta i ett mer komplext system som styrs av en mikrostyrenhet. Det finns möjlighet att avläsa seriella cellspänningar och temperaturer samt sändning av digitala referenser och en mängd olika data avseende funktions-/säkerhetskrav.

AS8506 har integrerade balanseringsomkopplare och stöder balansering vid låga strömmar och balansering från cell till cell genom att laddningen fördelas inuti batteriet. I detta syfte ersätts resistorn vid TSECL och TSECH av en liten DC-DC-omvandlare som styrs av FD_OUT-signalen och tar sin energi från hela batteristapeln och matar laddningspulser genom den integrerade omkopplarmatrisen till individuella celler.

Slutsats
Den nya ams-konstruktionen med AS8506 ger en enklare och billigare implementering av litiumcellövervakning och -balansering, så att fordonstillverkare kan lösa de problem som annars är vanligt förekommande i liknande system idag.
Genom nytänkande i implementeringen av den här funktionen har ams nått ett genombrott som kommer att ge robusta och flexibla lösningar för säkerhetshantering och lång drifttid i EV- och HEV-batterier, samtidigt som antalet komponenter hålls ner.
Manfred Brandl, produktchef och Gernot Hehn, systemingenjör, ams AG

Filed under: Stromforsorjning