Применение специализированных микропроцессоров для построения схем контроля и защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Применение

специализированных

микропроцессоров

для построения схем контроля и защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей

Никита БРОВКА

[email protected]

ОлегЯНЧЕНКОВ

[email protected]

Эксплуатация аккумуляторных батарей на основе литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов предполагает наличие системы контроля — электронного блока, который обеспечивает необходимые режимы эксплуатации аккумуляторов, входящих в состав батареи. Такая система может быть выполнена на элементной базе общего назначения или с применением специализированных микросхем.

Рассмотрим применение специализированных микросхем TI для построения систем контроля и управления (СКУ) многоэлементных литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей (ЛИАБ).

Наиболее полный набор функций, потребность в которых может возникнуть при построении системы контроля ЛИАБ небольшой емкости (до 15 А-ч), возможно реализовать с применением пары микросхем Texas Instruments (TI) bq2931x и bq208x или bq20z80.

Для практического создания системы контроля изначально были выбраны микросхемы bq29311 и bq2083. В дальнейшем, при появлении более совершенных микросхем, они были заменены на, соответственно, bq29312 и bq20z80.

Применение микросхем позволяло решить поставленную задачу — оснастить системой контроля ряд разрабатываемых аккумуляторных батарей емкостью 10-15 А-ч. Несмотря на то что разработчиком батарей задача для системы контроля была поставлена достаточно просто: необходимо контролировать максимальные и минимальные напряжения на каждом из последовательно соединенных аккумуляторов, максимальные токи заряда и разряда, максимальную температуру при заряде, отключать аккумуляторы от внешних цепей при превышении заданных уровней, выравнивать напряжения на последовательно соединенных аккумуляторах, создание системы, удовлетворяющей указанным требованиям, на неспециализированной элемент-

ной базе не удавалось. Не было возможности обеспечить необходимые габаритные размеры, низкое энергопотребление системы, необходимую точность поддержания напряжений на аккумуляторах — при выравнивании разброс напряжений должен составлять не более 100 мВ во всем диапазоне рабочих температур батареи.

Применение специализированных микросхем Т1 позволило заложить в систему ряд невостребованных на тот момент функций: подсчет емкости батареи, индикацию уровня остаточного заряда, различные алгоритмы заряда, интерфейс 8МВш.

Рассмотрим назначение и функциональные особенности микросхем Ьд29312 и Ьд20г80.

Микросхема bq29312

Ьд29312 [1] представляет собой аналоговую микросхему со встроенным источником питания 3,3 В; 25 мА. Микросхема осуществляет управление силовыми ключевыми элементами, выполняющими отключение блока аккумуляторов от полюсов ЛИАБ в случае токовых перегрузок и короткого замыкания самостоятельно, а также по командам управляющей микросхемы — Ьд20г80.

Ьд29312 обеспечивает поочередное измерение напряжений на каждом из последовательно соединенных аккумуляторов ЛИАБ и передачу измеренного напряжения в аналоговом виде на Ьд20г80 для дальнейшей обработки; выполняет выравнивание напряже-

ний на аккумуляторах посредством подключения шунтирующих резисторов параллельно аккумулятору с наибольшим зарядом или напряжением, алгоритм работы определяется Ьд20г80. Связь Ьд29312 с управляющей микросхемой Ьд20г80 осуществляется посредством 12С-интерфейса.

Функциональные узлы Ьд29312:

• источник опорного напряжения для питания Ьд20г80 (3,3 В, до 50 мА);

• узел определения перегрузки по току. Позволяет определить чрезмерные токи разряда для защиты аккумуляторов, силовых ключей и прочих элементов системы. Перегрузка определяется по падению напряжения на низкоомном (5-20 мОм по требованиям Т1) токоизмерительном резисторе. Уровень напряжения, соответствующий определенному току, может быть задан в пределах от 50 до 205 мВ с шагом 5 мВ. Одновременно необходимо задать так называемую задержку срабатывания — некоторый временной интервал в пределах от 1 до 31 мс, в течение которого нарастание тока не будет регистрироваться;

• узел определения короткого замыкания в цепи заряда или разряда — определяется по падению напряжения на низкоомном токоизмерительном резисторе. Уровень напряжения, соответствующий определенному току, задается в пределах от 100 до 475 мВ с шагом 25 мВ. Задержка срабатывания может быть задана от 0 до 915 мкс с шагом 61 мкс;

• узел измерения напряжения на аккумуляторах — обеспечивает привязку напряжения каждого из последовательно соединенных аккумуляторов, входящих в состав ЛИАБ, к «земле» и передачу этого напряжения микросхеме Ьд20г80;

• узел выравнивания напряжения на аккумуляторах — обеспечивает понижение тока заряда наиболее заряженного аккумулятора последовательной цепи путем подключения шунтирующего резистора параллельно выбранному аккумулятору по командам и алгоритму, определяемому Ьд20г80;

• драйвер управления силовыми ключами — обеспечивает открытие или закрытие силовых ключей в случае коротких замыканий или перегрузок по току и по командам Ьд20г80;

• канал связи — обеспечивает доступ к области данных микросхемы с помощью интерфейса 12С;

• область данных — прошиты данные, определяющие состояние микросхемы при поставке и задающие необходимые параметры для совместного функционирования с Ьд20г80.

Часть ячеек информирует о состоянии системы — заряд, разряд, замыкание в цепи заряда или разряда и др.

Часть ячеек задает уровни напряжения и временные задержки для функционирования узлов определения перегрузок по току и короткого замыкания. Задание определенной двоичной комбинации соответствует определенному значению уставки.

Обращение к ячейкам Ьд29312 осуществляется через микросхему Ьд20г80, в состав которой входит интерфейс вМВш для связи с внешними устройствами.

Микросхема bq20z80

Ьд20г80 [2] — это вычислитель емкости аккумуляторной батареи. С помощью Ьд29312 выполняет слежение за параметрами аккумуляторов и отключение блока аккумуляторов от внешних цепей заряда, разряда при выходе параметров за определенные границы. Функциональные узлы Ьд20г80:

• узел определения установки ЛИАБ в устройство (устройство заряда или устройство-потребитель). Ьд20г80 позволяет построить алгоритм работы СКУ таким образом, что включение зарядных и разрядных силовых ключей возможно только при установке ЛИАБ в устройство. При таком построении СКУ в случае отключения блока аккумуляторов от внешней цепи заряда или разряда в результате перегрузки по току или короткого замыкания повторное подключение возможно только после изъятия и повторной установки ЛИАБ в устройство;

• узел измерения параметров ЛИАБ. В состав Ьд20г80 входит два Х-Д АЦП — для измерения тока с целью вычисления емкости ЛИАБ и для измерения напряжений ак-

кумуляторов и блока аккумуляторов, а также температур. Измерение тока осуществляется по падению напряжения на низкоомном токоизмерительном резисторе, общем для Ьд29312 и Ьд20г80; напряжения для измерений формируются с помощью узла измерения напряжений Ьд29312. Измерение температуры возможно температурным датчиком, входящим в состав Ьд20г80, либо с помощью одного или двух внешних терморезисторов;

• узел вычисления уровня заряда ЛИАБ — обеспечивает вычисление емкости ЛИАБ. С целью повышения точности подсчета емкости Ьд20г80 может принимать в расчет определяемые на основе измеренных значений токов и напряжений внутренние сопротивления аккумуляторов, а также импульсный характер внешней цепи;

• узел защиты аккумуляторов ЛИАБ. Функционально защитные функции Ьд20г80 разделены на несколько уровней.

- Уровень 1 обеспечивает размыкание силовых ключей в обеспечение отключения аккумуляторного блока от цепи заряда или разряда в случае обнаружения одного из следующих условий:

■ напряжение аккумулятора достигло верхнего или нижнего установленного значения;

■ напряжение на блоке аккумуляторов достигло верхнего или нижнего установленного значения;

■ произошла перегрузка по току при заряде или разряде;

■ случилось короткое замыкание в цепи заряда или разряда;

■ отсутствует опорная частота на входе таймера Ьд29312, обеспечивающего необходимые временные интервалы работы схемы (например, задержку срабатывания при определении перегрузки по току или короткого замыкания);

■ отсутствует в течение определенного времени информационная связь ЛИАБ и устройства, в котором ЛИАБ установлена. Отключение в зтом случае устанавливается по необходимости.

Повторное замыкание силовых ключей и подключение блока аккумуляторов к внешней цепи после размыкания по условиям уровня 1 происходит после устранения причины, вызвавшей отключение.

- Уровень 2 обеспечивает сигнал о критическом состоянии посредством записи информации в определенные ячейки, а также, при возможности, размыкание силовых ключей для отключения аккумуляторного блока от цепи заряда или разряда, выполнение ряда других действий (например, ограничение доступа к внутренним регистрам микросхем) в случае обнаружения одного из следующих условий. К ним, в частности, относятся:

■ разбаланс (разность напряжения) аккумуляторов выше определенного значения;

■ несрабатывание силовых ключей в установленных случаях;

■ нарушение канала связи между Ьд20г80 иЬя29312;

■ повышение тока в цепях заряда или разряда до значений, превышающих установленные для защиты первого уровня;

■ ряд других условий.

Такие условия могут расцениваться как нарушения в функционировании системы, вызванные причинами, самоустранение которых может быть невыполнимо;

• узел связи с внешними устройствами. 8МВш интерфейс обеспечивает прием и передачу данных между Ьд20г80 и внешними устройствами. Обеспечивается запись и чтение параметров, определяющих конфигурацию системы при программировании СКУ; а также прием и передача информации о состоянии аккумуляторов и ЛИАБ в целом в процессе эксплуатации;

• энергонезависимая память. Обеспечивает хранение необходимых уставок защиты (значений напряжений, токов, температур, временных интервалов); параметров, определяющих алгоритмы работы и конфигурацию системы (задается число последовательно соединенных аккумуляторов, задаются пути реализации режима предварительного заряда, варианты отключения батареи от цепи заряда, расположение и количество температурных датчиков и т. п.); информационных параметров (информирование о текущих режимах работы — заряде, разряде, перегрузке, замыкании, и текущих значениях контролируемых параметров — напряжениях аккумуляторов, токах, емкости). Обеспечивается хранение информации о пиковых значениях контролируемых параметров — напряжений, токов, температур, мощностей, достигнутых в процессе жизненного цикла изделия;

• узел контроля заряда. Ьд20г80 — может обеспечивать установку различных режимов заряда в зависимости от напряжений на аккумуляторах и температур: предварительный заряд, приостановка заряда, запрет заряда, импульсный заряд;

• узел установки режима энергопотребления. Возможна установка спящего режима, режима снижения энергопотребления при нахождении ЛИАБ вне устройства, режима останова (в случае очень низкого разряда аккумуляторов). Организация функционирования схемы с установкой указанных режимов позволяет минимизировать разряд аккумуляторов, обусловленный питанием схемы контроля;

• узел индикации. Ьд20г80 допускает подключение до пяти светодиодов. Обеспечивается индикация состояния заряда ЛИАБ, а также индикация срабатывания защиты второго уровня.

Рис. 1. Типовая схема построения СКУ

Практическая сторона создания системы контроля

Большую помощь оказывает полная, очень подробная, постоянно обновляемая и дополняемая документация по применению микросхем, доступная на сайте TI [3]. Это описания самих микросхем, а также различные Application Notes. Вообще стоит отметить, что техническая поддержка у TI поставлена очень хорошо — если какие-то вопросы не удается решить с помощью информации на сайте, то поддержку готовы оказать специалисты представительств TI — как российского, так и зарубежного.

Система контроля, собранная по типовой схеме [2], начинает работать сразу, необходимо задать только конкретное число последовательно соединенных аккумуляторов и уровни напряжений, токов и емкостей, которые в практическом варианте могут отличаться от параметров, заданных по умолчанию, для микросхем при поставке.

При практическом создании системы для ЛИАБ, имеющей в своем составе блок из двух последовательно соединенных аккумуляторов емкостью 1,8 А-ч, особых трудностей не возникло. По сравнению с типовой схемой количество силовых ключевых элементов было увеличено вдвое, поскольку за время от короткого замыкания полюсов ЛИАБ до момента размыкания силовых ключей импульс тока мог достигать значений, превышающих максимально допустимые для ключевого элемента.

При разработке платы было обращено внимание на обеспечение максимальной техно-

логичности сборки батареи в условиях серийного производства. С учетом необходимости подключения блока аккумуляторов с токо-выводами в виде никелевых полос, приваренных к полюсам аккумуляторов, были определены расположение и форма контактных площадок печатной платы. К сожалению, не удалось обеспечить достаточную толщину фольги площадок, поэтому полосы к площадкам были припаяны, а не приварены.

При создании СКУ с микросхемой Ьд20г80 появляется возможность использования режима импульсного заряда. Суть режима состоит в том, что при быстром заряде ЛИАБ напряжение на аккумуляторах растет до некоторого значения, например, 4250 мВ (это значение ниже максимально допустимого для аккумулятора, например, 4300 мВ), после чего происходит временное отключение АБ от цепи заряда. В зависимости от уровня заряда аккумуляторов напряжение на них упадет на несколько десятков или сотен милливольт, и при достижении некоторого заданного значения, например 4150 мВ, батарея вновь будет подключена к цепи заряда.

Практическая польза от такого режима, по мнению авторов, заключается в возможности применения функционально менее сложного зарядного устройства, в котором может отсутствовать режим заряда при постоянном напряжении, обеспечивающий набор 5-15% емкости ЛИАБ (стандартный режим заряда ЛИАБ — постоянным током до уровня около 4,2 В на аккумулятор, затем заряд при поддержании постоянного напряжения на аккумуляторе до падения тока до заданного значе-

ния). Необходимую емкость аккумуляторы смогут набрать, заряжаясь в указанном импульсном режиме, для чего, однако, может потребоваться больше времени.

При разработке системы контроля ЛИАБ емкостью порядка 10-15 А-ч с токами разряда до 15 А типовая схема была доработана в большей степени. В качестве силовых ключевых элементов пришлось использовать до четырех параллельно включенных М08БЕТ-ключей в корпусах D2Pak.

Использовать транзисторы в корпусах 80-8 не удалось из-за перегрева ключей вследствие больших переходных сопротивлений в точках припайки ножек к печатной плате. Из-за ограниченного замкнутого объема отсека батареи, предназначенного для установки СКУ, и неудовлетворительного охлаждения силовых ключей, а также и по причине возможных больших импульсов тока при коротком замыкании полюсов ЛИАБ пришлось включать параллельно несколько корпусов D2Pak.

Для коммутации большого количества ключей при высоких токах разряда потребовалась разработка дополнительного драйвера, на который поступал сигнал от Ьд29312 и который, в свою очередь, управлял ключевыми элементами. Внутренний драйвер Ьд29312 не мог обеспечить коммутацию ключей вследствие возросшей емкости затвора составного транзистора. Схема дополнительного драйвера запатентована как полезная модель.

После проведения ряда опытов пришлось отказаться от предусмотренных типовой схемой Р-канальных М08БЕТ-транзисторов и перейти на ^канальные, имеющие более

Рис. 2. Схема построения СКУ с применением ^канальных транзисторов

низкое сопротивление канала в открытом состоянии. Несмотря на малое, но все же чуть большее сопротивление канала, Р-канальные транзисторы нагревались до недопустимо высокой температуры (имеется в виду температура, недопустимо высокая для аккумуляторов батареи), вызывая перегрев расположенных рядом аккумуляторов.

При использовании ^канальных транзисторов возникли сложности с организацией шины 8МВш. В типовой схеме построения СКУ ключевые элементы расположены на участке от положительного токовывода блока аккумуляторов до положительного полюса ЛИАБ (рис. 1). Схемотехника применения ^канальных транзисторов потребовала их установки на участок от отрицательного токовывода блока до отрицательного полюса ЛИАБ (рис. 2), т. е. при размыкании ключей отрицательный полюс ЛИАБ оказывался висящим в воздухе. А для приема-передачи информации через вМВш необходимо было постоянное наличие отрицательного полюса блока аккумуляторов. Однако такое решение было использовано, так как в соответствии с заданием на разработку ЛИАБ интерфейс БМВш не требовался при эксплуатации. А для прошивки параметров СКУ при сборке батареи был выведен дополнительный контакт отрицательного полюса, который после закрытия крышки ЛИАБ становился недоступным.

При появлении на рынке Ьд29312 с индексом «а» появилась возможность создания СКУ, работоспособной в широком диапазоне температур — от -40 °С.

При разработке в состав СКУ, по некоторым соображениям, не была включена микросхема Ьд2940х (вторичный уровень защиты), формирующая сигнал для пережигания одноразового предохранителя, отключающего блок аккумуляторов от одного из выводов ЛИАБ в случае несрабатывания (неисправности) схемы защиты первого уровня (Ьд29312, силовые ключи).

Выводы

Было установлено, что обнаружение короткого замыкания и перегрузок по току по падению напряжения на низкоомном токоизмерительном резисторе создает некоторые трудности при запитывании от ЛИАБ с относительно высокими токами разряда устройств с большими емкостями во входных цепях, способствующими протеканию больших токов в момент подключения таких устройств. Приходится устанавливать максимальные значения уставок, а также использовать токоизмерительные резисторы с наименее возможным сопротивлением. Однако уменьшение сопротивления повышает шумы и снижает точность измерения протекающего тока, что, в свою очередь, снижает точность вычисления уровня заряда ЛИАБ. Внести в типовую схему изменения и поставить второй токоизмерительный резистор не представляется возможным, поскольку значение сопротивления, используемое для расчетов, прописано в одной ячейке памяти.

Некоторым недостатком является ограниченное количество температурных датчиков.

В ответственных случаях при большом количестве аккумуляторов в составе ЛИАБ (при параллельном соединении аккумуляторов для обеспечения необходимой емкости) желательно размещать температурные датчики на каждом аккумуляторе.

Несмотря на некоторые имеющиеся, по мнению авторов, недостатки (насколько они значимы — решается в каждом конкретном случае), создалось впечатление, что пара Ьд29312, Ьд20г80 представляет собой очень гибкий инструмент, имеющий множество тонких настроек и позволяющий реализовать любое разумное требование разработчика в части обеспечения номинальных режимов эксплуатации аккумуляторов в составе ЛИАБ. На данный момент, к сожалению, отечественные разработчики ЛИАБ не готовы к огромному объему функций, обеспечиваемых системой на основе Ьд29312, Ьд20г80, в связи с чем большая часть функциональных возможностей остается невостребованной. ■

Литература

1. Ы 1р:/ /1Ьсш.11.с om/lit/ds/symlink/bq29312.pdf

2. Ы tp:/ Яостйх om/lit/ds/symlmk/bq20z80-v102.pdf

3. Ы tp:/ Яосш.и.с om/docs/prod/folders/print/ bq29312.ht ml#applicationnotes,

Ы tp: /^сш^.с om/docs/prod/folders/print/ bq20z80-v102.ht ml#applicationnotes